ROS2知识（6）：坐标对象TF原理和实践

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一、变换的重要性?

        坐标变换（或变换）在机器人数学中发挥着巨大的作用。它们是一种数学工具，用于获取从一个角度表示的点或测量值，并以更有用的不同角度表示它们。如果不使用转换，我们将需要使用三角函数来执行计算，这对于更大的问题会很快变得非常复杂，尤其是在 3D 中。

        本教程是关于 ROS 如何使使用转换变得简单的全部内容。如果您对更复杂和有趣的基础数学特别感兴趣，我已经编写了（大部分）关于它们的一系列教程，可在此处获得。

        下面显示了两个有助于转换的机器人系统示例。首先，两个移动机器人正在探索，其中一个发现了一个感兴趣的对象。另一个机器人如何知道如何到达它？在第二个中，安装的摄像头发现了一个目标，机械手需要将抓手移到目标上。我们如何知道从夹具到目标的正确运动？

        注意：上图的两种情况中，一种是两个动态Frame在world坐标的关系；另一个是base-link与world相对静止的其概况。

        为了解决这些问题，我们需要首先将坐标系或框架分配给我们系统的适当组件。接下来，我们需要定义Frame之间的转换。变换告诉我们将一帧转换为另一帧所需的平移和旋转，并且可以很容易地反转到另一种方式。

        如果我们有一个系统，其中每一帧都由它与一个（并且只有一个）其他帧的关系来定义，这将创建一个树结构，我们将能够将一个帧中的已知点转换为树中的任何其他帧.

        弄清楚这背后的所有数学和代码可能非常棘手，因此 ROS 为我们提供了一个完整的子系统，只是为了让转换工作更容易。在本教程中，我们将学习如何为一些示例设置转换树。

二、变换Frame

        ROS 提供了一个名为 tf2（TransForm 版本 2）的系统来为我们处理这些转换。任何节点都可以使用 tf2 库将转换从一帧广播到另一帧。如上所述，这些变换将需要形成一个树结构，其中每一帧由另一个帧的一个（并且只有一个）变换定义，但可以有任意数量的帧依赖于它。下图显示了我们稍后将探索的树的一部分。在这棵树中，base 和 camera 是相对于 world 定义的，l3 是相对于 base 定义的。

        任何节点也可以使用 tf2 库来监听变换，然后使用变换将点从任何帧转换到任何其他帧，只要它们在树中连接即可。

        当一个节点广播一个特定的变换时，它可以是静态的（不随时间变化），也可以是动态的（可能随时间变化，但不是必须的）。这种区别的原因是强大的系统需要知道他们的信息是否过时，并且如果广播公司有一段时间没有更新动态转换，则可以标记错误。另一方面，静态变换可以广播一次，并且在广播新的变换之前假定是正确的。

        在下面，tf2 库仍在使用主题（/tf 和 /tf_static）来处理所有这些通信，但是因为我们自己实际上并不发布到主题，所以我们将其称为广播和侦听而不是发布和订阅。

        如果我们正在编写自己的节点，我们可以对它们进行编码以广播我们喜欢的任何变换，但我们大多数人刚开始时还没有准备好编写自定义节点或计算变换。为了解决这个问题，ROS 附带了一些内置节点来执行一些常见的广播任务。

三、单个Frame广播

        第一种方法是使用 static_transform_publisher 手动广播它们。正如你可能猜到的，这个工具不能广播动态变换，只能广播静态变换。这可能看起来有点没用，但它对于学习转换、进行快速测试以及在更大的系统中充当“粘合剂”非常有帮助（例如，如果两个不同的节点期望一个帧具有不同的名称，或者位于稍微不同的位置）。

        下面的命令将广播静态变换，并提供从 parent_frame 到 child_frame 的平移和旋转。请注意，旋转以弧度为单位，并在平移之后处理，按顺序相对于局部坐标系。

1	ros2 run tf2_ros static_transform_publisher x y z yaw pitch roll parent_frame child_frame

例如，我们可能想要一个框架 robot_1 以 45°（0.785 弧度）的角度与世界框架交叉并向上。为此，我们将使用以下命令：

1	ros2 run tf2_ros static_transform_publisher 2 1 0 0.785 0 0 world robot_1

        假设我们有第二个机器人，它总是坐在我们第一个机器人的右侧（就像一个边车）。使用第二个终端，我们可以使用以下命令创建另一个静态变换来创建一个新框架，robot_2，它位于robot_1 的正 x 方向 1m 处。

1	ros2 run tf2_ros static_transform_publisher 1 0 0 0 0 0 robot_1 robot_2

为了检查这些是否有效，我们将使用 ROS 可视化工具 RViz。

四、在RVIZ上看Frame和转换

在 ROS 2 中，RViz（ROS 可视化工具）称为 rviz2，位于同名包中。所以我们只需要运行：

1	ros2 run rviz2 rviz2

请注意，您可以直接运行 rviz2 作为快捷方式，而不是使用 ros2 run。
RViz可以展示各种不同的数据。要显示 TF 数据，我们单击左下角的“添加”按钮，然后选择“TF”。

我们的变换还不会出现，因为我们还没有告诉 RViz 使用哪个帧作为参考（它默认为地图，现在不存在）。在左上角，我们可以选择世界作为我们的固定框架。

“全局状态”应该变得健康，我们的两个框架应该出现，它们之间有一条线表示转换。

请注意，RViz 将转换表示为从子到父的箭头，而不是在下面的介绍和 view_frames 中的父到子。

        我们可以使用左侧面板配置 RViz 中显示的数据。例如，我们可以打开 TF 可视化设置并启用显示frame名称。

        如果我们回到我们的第一个终端，并以 90°（1.57 rad）的更大旋转重新运行命令，我们应该在 RViz 中看到第一个机器人的标记旋转，并且第二个机器人也移动，因为它的框架是相对于定义的第一个机器人。

1	ros2 run tf2_ros static_transform_publisher 2 1 0 1.57 0 0 world robot_1

        玩转这个并了解转换的工作原理是件好事。尝试将固定框架（左上角）更改为机器人之一而不是世界，将框架调整为新的位置和旋转，或添加一些新的。

        在进行下一部分之前，我们需要确保停止所有 static_transform_publishers 并关闭 RViz，否则它们会干扰。

五、广播一个移动机器人

        到目前为止，我们已经学到了一些很酷的技巧，但我们仍然坚持发布静态帧。我们希望我们的机器人移动！在我们解决这个问题之前，我们需要安装几个额外的包：

1	sudo apt install ros-foxy-xacro ros-foxy-joint-state-publisher-gui

        这样做的第一步是确保我们有一个机器人的 URDF 文件。这是一种配置文件，我们可以在其中指定机器人组件的各种物理特性，例如它们的大小、形状、颜色等。有很多教程可用于编写 URDF 文件，但现在我们可以使用这个示例文件，它用于类似于介绍中的操纵器。

在 URDF 中，机器人由一系列称为链接的刚性组件组成，这些链接以父子树结构连接在一起，其中不同链接之间的关系称为关节。似曾相识？

        不难看出链接/关节模式与框架/变换模式非常相似。因为它们关系密切，所以有一个名为 robot_state_publisher 的 ROS 节点，它可以接收一个 URDF 文件并自动广播其中的所有转换。它还会将 URDF 文件的完整内容发布到主题 /robot_description，以便任何其他需要它的节点都可以使用相同的文件。

        在 URDF 文件中，每个关节都可以定义为“固定的”，或者是多种可移动类型中的一种（例如，连续旋转、有限旋转、线性滑动）。对于固定的关节，robot_state_publisher 可以只发布静态变换，但对于移动的关节，它需要一个外部值（例如角度或距离）来计算该时间点的动态变换。为了获取这些值，它订阅了一个名为 /joint_states 的主题，该主题将包含 JointState 消息。这些消息可以包含有关关节的位置、速度或努力的信息（但现在我们只使用位置）。

        突然间，我们的工作变得轻松多了！无需广播整个转换，我们需要做的就是发布 JointState 消息。通常，这些数据将来自机器人上的执行器反馈传感器，例如编码器或电位计（以及在模拟环境中可以模拟的那些）。现在，我们将使用名为joint_state_publisher_gui 的工具来伪造联合状态。该节点将查看由 robot_state_publisher 发布的 /robot_description 主题，找到任何可以移动的关节，并为它们显示一个滑块。它从这些滑块中读取值，并将它们发布到 /joint_states。

让我们开始运行这一切。

首先，我们将运行 robot_state_publisher，第一次运行时可能会有点混乱，因为传入 URDF 文件有点棘手。 URDF 采用参数 robot_description，因此该命令将类似于：

1	ros2 run robot_state_publisher robot_state_publisher --ros-args -p robot_description:=(something here)

        您可能希望 robot_description 参数是 URDF 文件的路径，但它实际上希望 URDF 文件的完整内容在命令行中传递。为了实现这一点，我们需要使用 URDF 上的 xacro 软件对其进行预处理，在子 shell ($(...)) 中运行它，并将其括在引号 ("...") 中，这样空格就不会出现打破一切。所以我们的运行命令看起来更像：

1	ros2 run robot_state_publisher robot_state_publisher --ros-args -p robot_description:="$(xacro path/to/my/xacro/file.urdf.xacro)"

请注意，因为以这种方式运行 robot_state_publisher 非常痛苦，所以通常最容易创建一个启动文件来为我们执行此操作。此处提供了一个示例。​
 

然后，要发布关节状态，我们可以运行

1	ros2 run joint_state_publisher_gui joint_state_publisher_gui

        最后，我们可以再次启动 RViz，添加 TF 可视化，并在调整滑块时看到我们的帧移动。我们还可以在 RViz 中添加“RobotModel”可视化。使用选项选择 /robot_description 作为主题，应该会出现链接的可视化表示。

 请注意，对于移动平台，事情会变得有点复杂。 robot_state_publisher 可以广播机器人内的所有变换，但您需要其他节点来发布变换，例如机器人在环境中的位置。有现有的节点来处理这种事情，但它们将在后面的教程中介绍。

六、在引擎盖下

        希望上面的例子有效，但有时当我们使用转换时，事情不能正常工作，我们需要找出原因。

        如前所述，转换数据跨两个主题发布，/tf 和 /tf_static。我们可以尝试使用 ros2 主题回声直接收听这些主题，但这有时很难解释。为了提供帮助，ROS 提供了一个名为 view_frames 的工具（我们需要安装 tf2_tools 吗？），它可以让我们可视化转换树，以及有关它如何被广播的信息。

请注意，在ROS 1中有一个名为rqt\u tf\u tree的有用工具，它可以做到这一点，但麻烦较少。然而，在撰写本文时，这还没有移植到ROS 2，因此我们必须使用view\u框架。

        view\u frames工具实际上是一个Python脚本，它会监听转换几秒钟，然后生成一个名为frames的文件。pdf（以及frames.gv）在执行脚本时终端所在的任何目录中（对于新终端，这将是您的主目录）。

该脚本是tf2\u tools包的一部分，因此我们只需运行：

1	ros2 run tf2_tools view_frames.py

        如果我们查看生成的文件（在文件浏览器中打开，或从带有atril frames.pdf的终端打开），我们可以看到可视化的树。请注意，此处的箭头与RViz相反（与引言中的箭头相同）。我们现在不会太担心显示的其余信息。

如果您不熟悉它，那么以“16314……”开头的大数字是时间，用Linux系统中常用的“Unix时间”表示，在机器人平台中也是如此。有关Unix时间（也称为Epoch时间）的更多信息，请查看Epoch转换器。运行模拟时，Gazebo将生成自己的时间源，数字将以Gazebo启动后的秒为单位。

七 结论

        ROS转换系统是一个功能强大的工具，我们只是初步了解了如何使用它。我们如何使用TF的细节将取决于许多因素，例如我们的机器人是移动的，还是操纵器（或移动操纵器），以及我们是在运行仿真还是在物理硬件上。在未来的教程中，我们将更仔细地研究TF如何用于特定项目。

参看, we’ll see how to write our own URDF files.