第 5 章 TF坐标变换(自学二刷笔记)

重要参考：

课程链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Ci4y1L7ZZ

讲义链接:Introduction · Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程

5.1.6 TF坐标变换实操

需求描述：

程序启动之初：产生两只乌龟，中间的乌龟(A) 和 左下乌龟(B)，B 会自动运行至A的位置，并且键盘控制时，只是控制 A 的运动，但是 B 可以跟随 A 运行

结果演示：

实现分析：

乌龟跟随实现的核心，是乌龟A和B都要发布相对世界坐标系的坐标信息，然后，订阅到该信息需要转换获取A相对于B坐标系的信息，最后，再生成速度信息，并控制B运动。

  1. 启动乌龟显示节点
  2. 在乌龟显示窗体中生成一只新的乌龟(需要使用服务)
  3. 编写两只乌龟发布坐标信息的节点
  4. 编写订阅节点订阅坐标信息并生成新的相对关系生成速度信息

实现流程：C++ 与 Python 实现流程一致

  1. 新建功能包，添加依赖

  2. 编写服务客户端，用于生成一只新的乌龟

  3. 编写发布方，发布两只乌龟的坐标信息

  4. 编写订阅方，订阅两只乌龟信息，生成速度信息并发布

  5. 运行

准备工作：

1.了解如何创建第二只乌龟，且不受键盘控制

创建第二只乌龟需要使用rosservice，话题使用的是 spawn

rosservice call /spawn "x: 1.0
y: 1.0
theta: 1.0
name: 'turtle_flow'" 
name: "turtle_flow"

键盘是无法控制第二只乌龟运动的，因为使用的话题： /第二只乌龟名称/cmd_vel，对应的要控制乌龟运动必须发布对应的话题消息

2.了解如何获取两只乌龟的坐标

是通过话题 /乌龟名称/pose 来获取的

x: 1.0 //x坐标
y: 1.0 //y坐标
theta: -1.21437060833 //角度
linear_velocity: 0.0 //线速度
angular_velocity: 1.0 //角速度

方案A：C++实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp、 rospy、 std_msgs、 geometry_msgs、turtlesim

2.服务客户端(生成乌龟)
/* 创建第二只小乌龟*/
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Spawn.h"int main(int argc, char *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");//执行初始化ros::init(argc,argv,"create_turtle");//创建节点ros::NodeHandle nh;//创建服务客户端ros::ServiceClient client = nh.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");ros::service::waitForService("/spawn");turtlesim::Spawn spawn;spawn.request.name = "turtle2";spawn.request.x = 1.0;spawn.request.y = 2.0;spawn.request.theta = 3.12415926;bool flag = client.call(spawn);if (flag){ROS_INFO("乌龟%s创建成功!",spawn.response.name.c_str());}else{ROS_INFO("乌龟2创建失败!");}ros::spin();return 0;
}

配置文件此处略。

3.发布方(发布两只乌龟的坐标信息)

可以订阅乌龟的位姿信息，然后再转换成坐标信息，两只乌龟的实现逻辑相同，只是订阅的话题名称，生成的坐标信息等稍有差异，可以将差异部分通过参数传入：

  • 该节点需要启动两次
  • 每次启动时都需要传入乌龟节点名称(第一次是 turtle1 第二次是 turtle2)
/*  该文件实现:需要订阅 turtle1 和 turtle2 的 pose，然后广播相对 world 的坐标系信息注意: 订阅的两只 turtle,除了命名空间(turtle1 和 turtle2)不同外,其他的话题名称和实现逻辑都是一样的，所以我们可以将所需的命名空间通过 args 动态传入实现流程:1.包含头文件2.初始化 ros 节点3.解析传入的命名空间4.创建 ros 句柄5.创建订阅对象6.回调函数处理订阅的 pose 信息6-1.创建 TF 广播器6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped6-3.发布7.spin*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
//保存乌龟名称
std::string turtle_name;void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose){//  6-1.创建 TF 广播器 ---------------------------------------- 注意 staticstatic tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;//  6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStampedgeometry_msgs::TransformStamped tfs;tfs.header.frame_id = "world";tfs.header.stamp = ros::Time::now();tfs.child_frame_id = turtle_name;tfs.transform.translation.x = pose->x;tfs.transform.translation.y = pose->y;tfs.transform.translation.z = 0.0;tf2::Quaternion qtn;qtn.setRPY(0,0,pose->theta);tfs.transform.rotation.x = qtn.getX();tfs.transform.rotation.y = qtn.getY();tfs.transform.rotation.z = qtn.getZ();tfs.transform.rotation.w = qtn.getW();//  6-3.发布broadcaster.sendTransform(tfs);} int main(int argc, char *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");// 2.初始化 ros 节点ros::init(argc,argv,"pub_tf");// 3.解析传入的命名空间if (argc != 2){ROS_ERROR("请传入正确的参数");} else {turtle_name = argv[1];ROS_INFO("乌龟 %s 坐标发送启动",turtle_name.c_str());}// 4.创建 ros 句柄ros::NodeHandle nh;// 5.创建订阅对象ros::Subscriber sub = nh.subscribe<turtlesim::Pose>(turtle_name + "/pose",1000,doPose);//     6.回调函数处理订阅的 pose 信息//         6-1.创建 TF 广播器//         6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped//         6-3.发布// 7.spinros::spin();return 0;
}

配置文件此处略。

4.订阅方(解析坐标信息并生成速度信息)
/*  订阅 turtle1 和 turtle2 的 TF 广播信息，查找并转换时间最近的 TF 信息将 turtle1 转换成相对 turtle2 的坐标，在计算线速度和角速度并发布实现流程:1.包含头文件2.初始化 ros 节点3.创建 ros 句柄4.创建 TF 订阅对象5.处理订阅到的 TF6.spin*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "geometry_msgs/Twist.h"int main(int argc, char *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");// 2.初始化 ros 节点ros::init(argc,argv,"sub_TF");// 3.创建 ros 句柄ros::NodeHandle nh;// 4.创建 TF 订阅对象tf2_ros::Buffer buffer;tf2_ros::TransformListener listener(buffer);// 5.处理订阅到的 TF// 需要创建发布 /turtle2/cmd_vel 的 publisher 对象ros::Publisher pub = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel",1000);ros::Rate rate(10);while (ros::ok()){try{//5-1.先获取 turtle1 相对 turtle2 的坐标信息geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("turtle2","turtle1",ros::Time(0));//5-2.根据坐标信息生成速度信息 -- geometry_msgs/Twist.hgeometry_msgs::Twist twist;twist.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(tfs.transform.translation.x,2) + pow(tfs.transform.translation.y,2));twist.angular.z = 4 * atan2(tfs.transform.translation.y,tfs.transform.translation.x);//5-3.发布速度信息 -- 需要提前创建 publish 对象pub.publish(twist);}catch(const std::exception& e){// std::cerr << e.what() << '\n';ROS_INFO("错误提示:%s",e.what());}rate.sleep();// 6.spinros::spinOnce();}return 0;
}

配置文件此处略。

5.运行

使用 launch 文件组织需要运行的节点，内容示例如下：

<!--tf2 实现小乌龟跟随案例
-->
<launch><!-- 启动乌龟节点与键盘控制节点 --><node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtle1" output="screen" /><node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key_control" output="screen"/><!-- 启动创建第二只乌龟的节点 --><node pkg="demo_tf2_test" type="Test01_Create_Turtle2" name="turtle2" output="screen" /><!-- 启动两个坐标发布节点 --><node pkg="demo_tf2_test" type="Test02_TF2_Caster" name="caster1" output="screen" args="turtle1" /><node pkg="demo_tf2_test" type="Test02_TF2_Caster" name="caster2" output="screen" args="turtle2" /><!-- 启动坐标转换节点 --><node pkg="demo_tf2_test" type="Test03_TF2_Listener" name="listener" output="screen" />
</launch>

方案B：Python实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp、 rospy、 std_msgs、 geometry_msgs、turtlesim

2.服务客户端(生成乌龟)
#! /usr/bin/env python
"""  调用 service 服务在窗体指定位置生成一只乌龟流程:1.导包2.初始化 ros 节点3.创建服务客户端4.等待服务启动5.创建请求数据6.发送请求并处理响应
"""
#1.导包
import rospy
from turtlesim.srv import Spawn, SpawnRequest, SpawnResponseif __name__ == "__main__":# 2.初始化 ros 节点rospy.init_node("turtle_spawn_p")# 3.创建服务客户端client = rospy.ServiceProxy("/spawn",Spawn)# 4.等待服务启动client.wait_for_service()# 5.创建请求数据req = SpawnRequest()req.x = 1.0req.y = 1.0req.theta = 3.14req.name = "turtle2"# 6.发送请求并处理响应try:response = client.call(req)rospy.loginfo("乌龟创建成功，名字是:%s",response.name)except Exception as e:rospy.loginfo("服务调用失败....")

权限设置以及配置文件此处略。

3.发布方(发布两只乌龟的坐标信息)
#! /usr/bin/env python
"""  该文件实现:需要订阅 turtle1 和 turtle2 的 pose，然后广播相对 world 的坐标系信息注意: 订阅的两只 turtle,除了命名空间(turtle1 和 turtle2)不同外,其他的话题名称和实现逻辑都是一样的，所以我们可以将所需的命名空间通过 args 动态传入实现流程:1.导包2.初始化 ros 节点3.解析传入的命名空间4.创建订阅对象5.回调函数处理订阅的 pose 信息5-1.创建 TF 广播器5-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped5-3.发布6.spin
"""
# 1.导包
import rospy
import sys
from turtlesim.msg import Pose
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
import tf2_ros
import tf_conversionsturtle_name = ""def doPose(pose):# rospy.loginfo("x = %.2f",pose.x)#1.创建坐标系广播器broadcaster = tf2_ros.TransformBroadcaster()#2.将 pose 信息转换成 TransFormStampedtfs = TransformStamped()tfs.header.frame_id = "world"tfs.header.stamp = rospy.Time.now()tfs.child_frame_id = turtle_nametfs.transform.translation.x = pose.xtfs.transform.translation.y = pose.ytfs.transform.translation.z = 0.0qtn = tf_conversions.transformations.quaternion_from_euler(0, 0, pose.theta)tfs.transform.rotation.x = qtn[0]tfs.transform.rotation.y = qtn[1]tfs.transform.rotation.z = qtn[2]tfs.transform.rotation.w = qtn[3]#3.广播器发布 tfsbroadcaster.sendTransform(tfs)if __name__ == "__main__":# 2.初始化 ros 节点rospy.init_node("sub_tfs_p")# 3.解析传入的命名空间rospy.loginfo("-------------------------------%d",len(sys.argv))if len(sys.argv) < 2:rospy.loginfo("请传入参数:乌龟的命名空间")else:turtle_name = sys.argv[1]rospy.loginfo("///乌龟:%s",turtle_name)rospy.Subscriber(turtle_name + "/pose",Pose,doPose)#     4.创建订阅对象#     5.回调函数处理订阅的 pose 信息#         5-1.创建 TF 广播器#         5-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped#         5-3.发布#     6.spinrospy.spin()

权限设置以及配置文件此处略。

4.订阅方(解析坐标信息并生成速度信息)
#! /usr/bin/env python
"""  订阅 turtle1 和 turtle2 的 TF 广播信息，查找并转换时间最近的 TF 信息将 turtle1 转换成相对 turtle2 的坐标，在计算线速度和角速度并发布实现流程:1.导包2.初始化 ros 节点3.创建 TF 订阅对象4.处理订阅到的 TF4-1.查找坐标系的相对关系4-2.生成速度信息，然后发布
"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped, Twist
import mathif __name__ == "__main__":# 2.初始化 ros 节点rospy.init_node("sub_tfs_p")# 3.创建 TF 订阅对象buffer = tf2_ros.Buffer()listener = tf2_ros.TransformListener(buffer)# 4.处理订阅到的 TFrate = rospy.Rate(10)# 创建速度发布对象pub = rospy.Publisher("/turtle2/cmd_vel",Twist,queue_size=1000)while not rospy.is_shutdown():rate.sleep()try:#def lookup_transform(self, target_frame, source_frame, time, timeout=rospy.Duration(0.0)):trans = buffer.lookup_transform("turtle2","turtle1",rospy.Time(0))# rospy.loginfo("相对坐标:(%.2f,%.2f,%.2f)",#             trans.transform.translation.x,#             trans.transform.translation.y,#             trans.transform.translation.z#             )   # 根据转变后的坐标计算出速度和角速度信息twist = Twist()# 间距 = x^2 + y^2  然后开方twist.linear.x = 0.5 * math.sqrt(math.pow(trans.transform.translation.x,2) + math.pow(trans.transform.translation.y,2))twist.angular.z = 4 * math.atan2(trans.transform.translation.y, trans.transform.translation.x)pub.publish(twist)except Exception as e:rospy.logwarn("警告:%s",e)

权限设置以及配置文件此处略。

5.运行

使用 launch 文件组织需要运行的节点，内容示例如下：

<launch><node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtle1" output="screen" /><node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key_control" output="screen"/><node pkg="demo06_test_flow_p" type="test01_turtle_spawn_p.py" name="turtle_spawn" output="screen"/><node pkg="demo06_test_flow_p" type="test02_turtle_tf_pub_p.py" name="tf_pub1" args="turtle1" output="screen"/><node pkg="demo06_test_flow_p" type="test02_turtle_tf_pub_p.py" name="tf_pub2" args="turtle2" output="screen"/><node pkg="demo06_test_flow_p" type="test03_turtle_tf_sub_p.py" name="tf_sub" output="screen"/></launch>

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