17 ROS中的坐标管理系统

17.1 介绍

TF功能包能干什么?
• 五秒钟之前,机器人头部坐标系相对于全局坐标系的关系是什么样的?
• 机器人夹取的物体相对于机器人中心坐标系的位置在哪里?
• 机器人中心坐标系相对于全局坐标系的位置在哪里?

TF坐标变换如何实现?
• 广播TF变换
• 监听TF变换

17.2 示例

# 安装功能包ros-noetic-turtle-tf
$ sudo apt-get install ros-noetic-turtle-tf
# 启动launch文件
$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
# 运行键盘控制命令
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
# tf功能包中提供的可视化坐标系的工具，生成frames.pdf
$ rosrun tf view_frames

frames.pdf

# tf_echo输出两坐标系之间关系: translation and rotation
$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
# 可视化:rviz
$ rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf`/rviz/turtle_rviz.rviz

18 tf坐标系广播与监听的编程实现

18.1 创建功能包

$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_create_pkg learning_tf roscpp rospy tf turtlesim

18.2 广播器和监听器代码 (C++)

首先创建一个subscriber来订阅turtle/pose话题，然后在回调函数中，根据pose message广播world-turtle坐标变换。广播过程：1）定义TF广播器（TransformBroadcaster），2）创建坐标变换值(Transform)，3）发布坐标变换（sendTransform）。
广播器turtle_tf_broadcaster.cpp代码如下

/*** 该例程产生tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令*/#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>std::string turtle_name;void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{// 创建tf的广播器static tf::TransformBroadcaster br;// 初始化tf数据tf::Transform transform;transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) );tf::Quaternion q;q.setRPY(0, 0, msg->theta);transform.setRotation(q);// 广播world与海龟坐标系之间的tf数据br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}int main(int argc, char** argv)
{// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");// 输入参数作为海龟的名字if (argc != 2){ROS_ERROR("need turtle name as argument"); return -1;}turtle_name = argv[1];// 订阅海龟的位姿话题ros::NodeHandle node;ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);// 循环等待回调函数ros::spin();return 0;
};

监听器代码在turtle_tf_listener.cpp中。先创建一个add_turtle的client，通过请求/spawn服务,生成turtle2。然后创建监听器 (TransformListener),获取turtle1和turtle2之间的tf数据。最后，创建一个名为turtle_vel的publisher，通过发布/turtle2/cam_vel话题，控制turtlee2的运动。

/*** 该例程监听tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令*/#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>int main(int argc, char** argv)
{// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");// 创建节点句柄ros::NodeHandle node;// 请求产生turtle2ros::service::waitForService("/spawn");ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");turtlesim::Spawn srv;add_turtle.call(srv);// 创建发布turtle2速度控制指令的发布者ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);// 创建tf的监听器tf::TransformListener listener;ros::Rate rate(10.0);while (node.ok()){// 获取turtle1与turtle2坐标系之间的tf数据tf::StampedTransform transform;try{listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform);}catch (tf::TransformException &ex) {ROS_ERROR("%s",ex.what());ros::Duration(1.0).sleep();continue;}// 根据turtle1与turtle2坐标系之间的位置关系，发布turtle2的速度控制指令geometry_msgs::Twist vel_msg;vel_msg.angular.z = 4.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),transform.getOrigin().x());vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +pow(transform.getOrigin().y(), 2));turtle_vel.publish(vel_msg);rate.sleep();}return 0;
};

TF监听器实现：1）定义监听器 TransformListener，2）查找坐标变换 waitForTransform, lookupTransfrom。

18.3 配置编译规则

CMakeLists.txt中:

add_executable(turtle_tf_broadcaster src/turtle_tf_broadcaster.cpp)
target_link_libraries(turtle_tf_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
add_executable(turtle_tf_listener src/turtle_tf_listener.cpp)
target_link_libraries(turtle_tf_listener ${catkin_LIBRARIES})

18.4 编译运行

# 编译
$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
#配置环境变量
$ source devel/setup.bash
# 运行ros master
$ roscore
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
# 广播和监听，其中__name:=turtle1_tf_broadcaster 重新命名节点
$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1
$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle2_tf_broadcaster /turtle2
$ rosrun learning_tf turtle_tf_listener
# 键盘控制turtle1
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

19 launch启动文件使用

• launch文件：通过XML文件实现多节点的配置和启动(可自动启动ROS Master)
• launch文件根元素 launch：…
• 启动节点 node：, 其他参数如ouput, respawn, required, ns, args

<launch><node pkg="turtlesim" name="sim" type="turtlesim_node" />
</launch>

• 参数：
  /

# 设置ROS系统的运行参数，存储在参数服务器中
<param name="output_frame" value="odom" />
# 加载参数文件
<rosparam file="params.yaml" command="load" ns="params" />

# launch文件内部局部变量，仅限于launch文件使用
<arg name="arg_name" default=arg_value"">
# 调用: $(arg arg_name)
<param name="foo" value="$(arg arg_name)" />
<node name="node" pkg="package" type="type" args="$(arg arg_name)">

• 重映射

# 重映射ROS计算图资源的命名
<remap from="/turtlebot/cmd_vel" to="/cmd_vel">

• 嵌套

# 包含其他launch文件，类似C语言中的头文件包含
<include file="$(dirname)/other.launch">

总结：launch, node, param, arg, remap, include
参考: http://wiki.ros.org/roslaunch/XML

20 常用可视化工具

• Qt工具箱 (rqt)
  rqt_console: 日志输出
  rqt_graph: 可视化计算图
  rqt_plot: 数据绘图
  rqt_image_view : 图像渲染

• Rviz : 三维可视化工具

• Gazebo： 三维物理仿真平台

21 课程总结与展望

21.1 总结

基础概述部分介绍了Linux，C++，Python。核心概念包括ROS是什么，节点，通信机制，参数，文件系统等概念。编程基础介绍了创建工作空间和功能包、话题编程、服务编程和参数使用。常用组件介绍了tf坐标系统、launch启动文件、可视化工具。

21.2 ROS能干什么

机器人控制与仿真 (gazebo + ROS + ros_control)、SLAM （gmapping, hector）、机械臂等。

21.2 学习资源

公开课：斯坦福大学 《机器人学》，台湾交通大学《机器人学》
⚫ ROS : https://www.ros.org
⚫ ROS Wiki : http://wiki.ros.org/
⚫ ROSCon 2012 ~ 2019 : https://roscon.ros.org
⚫ ROS Robots : https://robots.ros.org/
⚫ Ubuntu Wiki :
https://wiki.ubuntu.org.cn
⚫ 古月居 :http://www.gyh.ai
⚫ zhangrelay的专栏 :https://blog.csdn.net/ZhangRelay
⚫ 易科机器人实验室: http://blog.exbot.net/
⚫ 开源机器人学学习指南: https://github.com/qqfly/how-to-learn-robotics