ROS探索总结(十八)——重读tf

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        在之前的博客中,有讲解tf的相关内容,本篇博客重新整理了tf的介绍和学习内容,对tf的认识会更加系统。

1 tf简介

1.1 什么是tf

        tf是一个让用户随时间跟踪多个参考系的功能包,它使用一种树型数据结构,根据时间缓冲并维护多个参考系之间的坐标变换关系,可以帮助用户在任意时间,将点、向量等数据的坐标,在两个参考系中完成坐标变换。

        tf的相关设计思想,可以参见:tf设计


1.2 tf可以做什么

        一个机器人系统通常有很多三维的参考系,而且会随着时间的推移发生变化,例如全局参考系(world frame),机器人中心参考系(base frame),机械夹参考系(gripper frame),机器人头参考系(head frame)等等。tf可以以时间为轴,跟踪这些参考系(默认是10秒之内的),并且允许用户提出如下的申请:

  • 五秒钟之前,机器人头参考系相对于全局参考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参考系的位置在哪里?
  • 机器人中心参考系相对于全局参考系的位置在哪里?

        tf可以在分布式系统中进行操作,也就是说一个机器人系统中所有的参考系变换关系,对于所有节点组件,都是可用的,所有订阅tf消息的节点都会缓冲一份所有参考系的变换关系数据,所以这种结构不需要中心服务器来存储任何数据。


1.3 tf的使用流程

        想要使用tf功能包,总体来讲可以分为以下两个步骤:

      (1)   监听tf变换

        接收并缓存系统中发布的所有参考系变换,并从中查询所需要的参考系变换。

      (2)   广播tf变换

        向系统中广播参考系之间的坐标变换关系。系统中更可能会存在多个不同部分的tf变换广播,每个广播都可以直接将参考系变换关系直接插入tf树中,不需要再进行同步。


2 tf实例理解

 

3 tf基础教程

 

4 tf功能包的API说明

5 命令行工具

        虽然tf是ROS中的一个代码链接库,但是仍然提供了丰富的命令行工具来帮助用户调试和创建tf变换。

5.1 tf_monitor

        tf_monitor工具的功能是打印tf树中的所有参考系信息,通过输入参数来查看指定参考系之间的信息。

        命令格式如下:

  • tf_monitor
  • tf_monitor <source_frame> <target_target>

        示例结果如下图所示:




5.2 tf_echo

        tf_echo工具的功能是查看指定参考系之间的变换关系。

        命令的格式如下:

  • tf_echo <source_frame> <target_frame>

        示例效果如下图所示:



5.3 static_transform_publisher

        static_transform_publisher工具的功能是发布两个参考系之间的静态坐标变换,两个参考系一般不发生相对位置变化。

命令的格式如下:

  • static_transform_publisher x y z yaw pitch roll frame_id child_frame_id period_in_ms
  • static_transform_publisher x y z qx qy qz qw frame_id child_frame_id  period_in_ms

         以上两种命令格式,需要设置坐标的偏移和旋转参数,偏移参数都使用相对于xyz三轴的坐标位移,而旋转参数第一种命令格式使用以弧度为单位的 yaw/pitch/roll三个角度(yaw是围绕x轴旋转的偏航角,pitch是围绕y轴旋转的俯仰角,roll是围绕z轴旋转的翻滚角),而第二种命令格式使用四元数表达旋转角度。发布频率以ms为单位,一般100ms比较合适。

        该命令不仅可以在终端中使用,还可以在launch文件中使用,使用方式如下:

  1. <launch>  
  2. <node pkg="tf" type="static_transform_publisher" name="link1_broadcaster" args="1 0 0 0 0 0 1 link1_parent link1 100" />  
  3. </launch>

5.4 view_frames

        view_frames 是可视化的调试工具,可以生成pdf文件,来显示整棵tf树的信息。

        命令行的执行方式如下:

  1. $ rosrun tf view_frames  
  2. $ evince frames.pdf

5.5 roswtf plugin

        roswtf是ROS中自查的工具,也可以作为组件使用。针对tf,roswtf可以检查tf的配置并发现常见问题。

       命令的使用方式如下:
       $ roswtf 

 

6 如何调试tf

        参见:调试tf问题


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评论

2条评论
  1. Gravatar 头像

    小可爱 回复

    老师你好!我的机器人之绕他自身的z轴旋转,收听他和其他坐标系的tf关系,得到一个变换矩阵,但是将旋转矩阵转欧拉角,得到的是分别绕3个轴的,我应该怎么将这个转为为只绕z轴的呢而使另外两个轴的欧拉角为0

    • 古月

      古月 回复

      @小可爱 如果是平面机器人的话,围绕x和y轴的欧拉角应该是没什么变化的,变换之后只取z轴数据就可以

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