ROS理论与实践——二、ROS基础

前言

本文是我在18年深蓝学院上课的第二讲内容，过去两年了，我重新整理了下，并结合当时课程布置的作业，在文中给出。主要内容是关于话题、服务、动作三类消息通讯的代码实现，一方面是方便自己后期复习，另一方面是方便正在学习ROS的同学。

一、创建工作空间

1 什么是工作空间

工作空间：存放工程开发相关文件的文件夹
工作空间下包含怎样的文件夹：
（1）src：代码空间，用来存放各种功能包的源码
（2）build：编译空间，编译过程中产生的中间文件放置在这个文件夹
（3）devel：开放空间，存放编译完成的可执行文件，环境变量的配置文件等
（4）install：安装空间，与devel相类似

2 创建流程

流程一般是：创建——编译——设置环境变量
1.创建工作空间

mkdir -p ~/catkin_ws/src

创建工作空间，即文件夹catkin_ws

cd ~/catkin_ws/src

打开工作空间catkin_ws下的src文件夹

catkin_init_workspace

初始化工作空间，src目录下多出了CMakeList.txt文件夹

2.编译工作空间

cd ~/catkin_ws/

编译前需要先返回到工作空间目录下，才能进行编译

catkin_make

编译通过后，工作空间catkin_ws中有三个目录，build、devel、src

3.设置环境变量
为了以后运行程序的方便，我是将以下环境变量的路径直接添加到命令行终端的配置文件~/.zshrc中去。

source ~/catkin_ws/devel/setup.zsh

修改保存后，在命令行终端在输入

source ~/.zshrc

4.检查环境变量
利用echo可检查环境变量的路径，并打印出来

echo  $ROS_PACKAGE_PATH

注：新更新的路径会覆盖掉之前所设置的，自动放在在最前端，运行时，ROS会优先查找最前端工作空间中是否存在指定的功能包，若不存在则按顺序向后查找其他工作空间。

二、创建功能包

创建功能包的流程与创建工作空间的流程类似，也是先创建功能包，再进行编译，不过在创建功能包时，需要添加依赖文件，而且注意，编译时必须在工作空间目录下。

1 创建命令

catkin_create_pkg<package_name>[depend1][depend2][depend3]

创建命令+包的名字+依赖1+依赖2+依赖3

2 创建流程

1.创建功能包
首先需要返回到工作空间目录下的src目录下创建功能包learning_communicaiton

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg learning_communication std_msgs rospy roscpp

2.编译功能包
编译包时先切换到工作空间目录下，再进行编译。

cd ~/catkin_ws
catkin_make

注：在同一个工作空间下，是不允许存在同名的功能包；在不同工作空间下，是允许存在同名的功能包

三、ROS通信编程

节点之间通信主要分为三种：单向消息发送/接收方式的话题(topic)；双向消息请求/响应方式的服务(service)；双向消息目标(goal)/结果(result)/反馈(feedback)方式的动作(action)

1 话题编程

订阅者节点直接连接到发布者节点来发送和接收消息。
话题是单向的，适用于需要连续发送消息的传感器数据。

1.1 话题编程流程

（1）创建发布者

  • 初始化ROS节点
  • 向ROS Master注册节点信息 （包括发布的话题名和话题中的消息类型）
  • 按照一定频率循环发布消息
/**
 * 该例程将发布chatter话题，消息类型String
 */
 
#include <sstream>
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

int main(int argc, char **argv)
{
  // ROS节点初始化
  ros::init(argc, argv, "talker");
  
  // 创建节点句柄
  ros::NodeHandle n;
  
  // 创建一个Publisher，发布名为chatter的topic，消息类型为std_msgs::String
  ros::Publisher chatter_pub = n.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000);

  // 设置循环的频率
  ros::Rate loop_rate(10);

  int count = 0;
  while (ros::ok())
  {
	// 初始化std_msgs::String类型的消息
    std_msgs::String msg;
    std::stringstream ss;
    ss << "hello world " << count;
    msg.data = ss.str();

	// 发布消息
    ROS_INFO("%s", msg.data.c_str());
    chatter_pub.publish(msg);

	// 循环等待回调函数
    ros::spinOnce();
	
	// 按照循环频率延时
    loop_rate.sleep();
    ++count;
  }

  return 0;
}

（2）创建订阅者

  • 初始化ROS节点
  • 订阅需要的话题
  • 循环等待话题消息，接收到消息后进入回调函数
  • 在回调函数中完成消息处理
/**
 * 该例程将订阅chatter话题，消息类型String
 */
 
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数
void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
  // 将接收到的消息打印出来
  ROS_INFO("I heard: [%s]", msg->data.c_str());
}

int main(int argc, char **argv)
{
  // 初始化ROS节点
  ros::init(argc, argv, "listener");

  // 创建节点句柄
  ros::NodeHandle n;

  // 创建一个Subscriber，订阅名为chatter的topic，注册回调函数chatterCallback
  ros::Subscriber sub = n.subscribe("chatter", 1000, chatterCallback);

  // 循环等待回调函数
  ros::spin();

  return 0;
}

（3）编译代码
此处是c++代码，执行前需要先编译
编译的流程主要是：

  • 设置需编译的代码和生成的可执行文件
  • 设置链接库
  • 设置依赖
    在功能包所在的文件夹中，用gedit编辑器打开CMakeList.txt进行编辑，在其中添加以下代码：
add_executable(talker src/talker.cpp) 
target_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES})

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

添加完成后，返回到工作空间catkin_ws路径下，进行编译。
（4）运行可执行程序
先roscore，再分别启动两个终端，运行代码：

rosrun learning_communication talker

rosrun learning_communication listener

1.2 自定义话题

在话题编程中，话题消息需要自己自定义，自定义话题消息的步骤有以下几步：

  • 定义msg文件内容
    功能包文件夹下，新建msg文件夹，新建Person.msg文件，其中的代码为：
string name
uint8 sex
uint8 age

uint8 unknown=0
uint8 male=1
uint8 female=2
  • 在package.xml中添加功能包依赖
<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>
  • 在CMakeList.txt中添加编译选项
    打开功能包目录下的CMakeLists.txt，添加以下内容并保存。
find_package( … message_generation)

catkin_package(CATKIN_DEPENDS roscpp
rospy std_msgs message_runtime)

add_message_files(FILES Person.msg)

generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)

返回到工作空间目录下，编译。

2 服务编程

服务通信有别于话题通信，采用的是同步双向消息通信。一个服务分成服务器和客户端，服务器只在有请求的时候才响应，客户端会在发送请求后接收响应。且服务是一次性通信，即服务的请求和响应完成后，连接的两个节点会断开。

2.1 服务编程流程

本例子是求两个整型数的和。
（1）创建服务器
在功能包目录下，新建server.cpp文件。
实现服务器的流程：

  • 初始化ROS节点；
  • Server实例化；
  • 循环等待服务请求，进入回调函数add中；
  • 在回调函数中完成服务功能的处理，并反馈应答。
/**
 * AddTwoInts Server
 */
 
#include "ros/ros.h"
#include "learning_communication/AddTwoInts.h"

// service回调函数，输入参数req，输出参数res
bool add(learning_communication::AddTwoInts::Request  &req,
         learning_communication::AddTwoInts::Response &res)
{
  // 将输入参数中的请求数据相加，结果放到应答变量中
  res.sum = req.a + req.b;
  ROS_INFO("request: x=%ld, y=%ld", (long int)req.a, (long int)req.b);
  ROS_INFO("sending back response: [%ld]", (long int)res.sum);
  
  return true;
}

int main(int argc, char **argv)
{
  // ROS节点初始化
  ros::init(argc, argv, "add_two_ints_server");
  
  // 创建节点句柄
  ros::NodeHandle n;

  // 创建一个名为add_two_ints的server，注册回调函数add()
  ros::ServiceServer service = n.advertiseService("add_two_ints", add);
  
  // 循环等待回调函数
  ROS_INFO("Ready to add two ints.");
  ros::spin();

  return 0;
}

（2）创建客户端
同样在，功能包目录下的src文件夹中创建client.cpp文件。
实现客户端的流程：

  • 初始化ROS节点
  • Client实例化
  • 发布服务请求数据
  • 等待Server处理之后的应答结果
/**
 * AddTwoInts Client
 */
 
#include <cstdlib>
#include "ros/ros.h"
#include "learning_communication/AddTwoInts.h"

int main(int argc, char **argv)
{
  // ROS节点初始化
  ros::init(argc, argv, "add_two_ints_client");
  
  // 从终端命令行获取两个加数
  if (argc != 3)
  {
    ROS_INFO("usage: add_two_ints_client X Y");
    return 1;
  }

  // 创建节点句柄
  ros::NodeHandle n;
  
  // 创建一个client，请求add_two_int service，service消息类型是learning_communication::AddTwoInts
  ros::ServiceClient client = n.serviceClient<learning_communication::AddTwoInts>("add_two_ints");
  
  // 创建learning_communication::AddTwoInts类型的service消息
  learning_communication::AddTwoInts srv;
  srv.request.a = atoll(argv[1]);
  srv.request.b = atoll(argv[2]);
  
  // 发布service请求，等待加法运算的应答结果
  if (client.call(srv))
  {
    ROS_INFO("Sum: %ld", (long int)srv.response.sum);
  }
  else
  {
    ROS_ERROR("Failed to call service add_two_ints");
    return 1;
  }

  return 0;
}

（3）自定义服务请求与应答

  • 自定义srv文件
    在功能包目录下，新建srv文件夹，在文件夹中新建AddTwoInts.srv文件，内容如下：
int64 a
int64 b
---
int64 sum
  • 在package.xml中添加功能包依赖
<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>
  • 在CMakeList.txt中添加编译选项
find_package( … message_generation)

catkin_package(CATKIN_DEPENDS geometry_msgs roscpp
rospy std_msgs message_runtime)

add_message_files(FILES AddTwoInts.srv)

generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)

（4）添加编译选项
编译代码的流程同话题编程：

  • 设置需要编译的代码和生成的可执行文件；
  • 设置链接库
  • 设置依赖
    在功能包目录下的CMakeList.txt文件中添加以下代码：
add_executable(server src/server.cpp)
target_link_libraries(server ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(server learning_communication_gencpp)
 
add_executable(client src/client.cpp)
target_link_libraries(client ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(client learning_communication_gencpp)

（5）运行可执行程序
启动roscore

roscore

启动server节点

rosrun learning_communication server

启动client节点

rosrun learning_communication client

2.2 实例

话题与服务编程：通过代码新生一只海龟，放置在（5,5）点，命名为“turtle2”；通过代码订阅turtle2的实时位置并在终端打印；控制turtle2实现旋转运动。
（1）编辑海龟控制文件
turtle_control.cpp

#include <ros/ros.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Pose.h>

ros::Publisher turtle_vel;

void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
   ROS_INFO("Turtle2 position:(%f,%f)",msg->x,msg->y);	
}

int main(int argc, char** argv)
{
   ros::init(argc,argv,"turtle_control");

   ros::NodeHandle node;
//创建turtle2的坐标位置和名字
   ros::service::waitForService("spawn");
   ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("spawn");
   turtlesim::Spawn srv;
   srv.request.x = 5;
   srv.request.y = 5;
   srv.request.name = "turtle2";
   add_turtle.call(srv);

   ROS_INFO("The turtle2 has been spawn!");

   ros::Subscriber sub = node.subscribe("turtle2/pose",10,&poseCallback);
   
   turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("turtle2/cmd_vel",10);

   ros::Rate rate(10.0);

   while (node.ok())
   {
      geometry_msgs::Twist vel_msg;
      vel_msg.angular.z = 1;
      vel_msg.linear.x = 1;
      turtle_vel.publish(vel_msg);

      ros::spinOnce();
      rate.sleep();
   }
   
   return 0;
   
};

(2) 编辑launch文件
turtle_control.launch

（3）修改 ~/catkin_ws/src/turtle2 /CMakeLists.txt

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

（4）编译

source ~/.zshrc
catkin_make

（5）运行

roslaunch turtle2 turtle_control.launch

3 动作编程

服务器收到请求后直到响应所需时间较长，且需中途反馈值。反馈在动作客户端和动作服务器之间执行异步双向消息通信，其中动作客户端设置动作目标，动作服务器根据目标执行指定的工作，并将动作反馈和动作结果发送给动作客户端。

动作的接口有：

  • goal：发布任务目标；
  • cancel：请求取消任务
  • status：通知客户端当前的状态；
  • feedback：周期地反馈任务运行的监控数据
  • result：向客户端发送任务的执行结果，只发布一次。

本例子，是洗盘子过程的动作编程。

3.1 动作编程流程

（1）创建动作服务器
实现动作服务器的流程：

  • 初始化ROS节点
  • 动作服务器实例化
  • 启动服务器，等待动作请求
  • 在回调函数中完成动作服务功能的处理，并反馈进度信息
  • 动作完成，发送结束信息
    在功能包目录下的src文件夹中新建DoDishes_server.cpp文件。
#include <ros/ros.h>
#include <actionlib/server/simple_action_server.h>
#include "learning_communication/DoDishesAction.h"

typedef actionlib::SimpleActionServer<learning_communication::DoDishesAction> Server;

// 收到action的goal后调用该回调函数
void execute(const learning_communication::DoDishesGoalConstPtr& goal, Server* as)
{
    ros::Rate r(1);
    learning_communication::DoDishesFeedback feedback;

    ROS_INFO("Dishwasher %d is working.", goal->dishwasher_id);

    // 假设洗盘子的进度，并且按照1hz的频率发布进度feedback
    for(int i=1; i<=10; i++)
    {
        feedback.percent_complete = i * 10;
        as->publishFeedback(feedback);
        r.sleep();
    }

    // 当action完成后，向客户端返回结果
    ROS_INFO("Dishwasher %d finish working.", goal->dishwasher_id);
    as->setSucceeded();
}

int main(int argc, char** argv)
{
    ros::init(argc, argv, "do_dishes_server");
    ros::NodeHandle n;

    // 定义一个服务器
    Server server(n, "do_dishes", boost::bind(&execute, _1, &server), false);
    
    // 服务器开始运行
    server.start();

    ros::spin();

    return 0;
}

（2）创建动作客户端
实现动作客户端的流程：

  • 初始化ROS节点；
  • 动作客户端实例化；
  • 连接动作服务端；
  • 发送动作目标
  • 根据不同类型的服务端反馈处理回调函数

在功能包目录下src文件夹中，新建DoDishes_client.cpp

#include <actionlib/client/simple_action_client.h>
#include "learning_communication/DoDishesAction.h"

typedef actionlib::SimpleActionClient<learning_communication::DoDishesAction> Client;

// 当action完成后会调用该回调函数一次
void doneCb(const actionlib::SimpleClientGoalState& state,
        const learning_communication::DoDishesResultConstPtr& result)
{
    ROS_INFO("Yay! The dishes are now clean");
    ros::shutdown();
}

// 当action激活后会调用该回调函数一次
void activeCb()
{
    ROS_INFO("Goal just went active");
}

// 收到feedback后调用该回调函数
void feedbackCb(const learning_communication::DoDishesFeedbackConstPtr& feedback)
{
    ROS_INFO(" percent_complete : %f ", feedback->percent_complete);
}

int main(int argc, char** argv)
{
    ros::init(argc, argv, "do_dishes_client");

    // 定义一个客户端
    Client client("do_dishes", true);

    // 等待服务器端
    ROS_INFO("Waiting for action server to start.");
    client.waitForServer();
    ROS_INFO("Action server started, sending goal.");

    // 创建一个action的goal
    learning_communication::DoDishesGoal goal;
    goal.dishwasher_id = 1;

    // 发送action的goal给服务器端，并且设置回调函数
    client.sendGoal(goal,  &doneCb, &activeCb, &feedbackCb);

    ros::spin();

    return 0;
}

(3) 自定义动作消息

  • 新建action文件，在其中新建DoDishes.action文件，内容为：
# 定义目标信息    goal
uint32 dishwasher_id
---
# 定义结果信息 result
uint32 total_dishes_cleaned
---
# 定义周期反馈的消息    feedback msg
float32 percent_complete
  • 在package.xml文件中添加功能包依赖
  <build_depend>actionlib</build_depend>
  <exec_depend>actionlib</exec_depend>
  <build_depend>actionlib_msgs</build_depend>
  <exec_depend>actionlib_msgs</exec_depend>
  • 在CMakeLists.txt添加编译选项
find_package(catkin REQUIRED   actionlib_msgs  actionlib)
add_action_files( DIRECTORY  action  FILES  DoDishes.action )
generate_messages( DEPENDENCIES  std_msgs  actionlib_msgs )

（4）编译代码
编译代码的流程如前所示：
修改功能包文件夹下CMakeLists.txt文件，添加：

add_executable(DoDishes_server src/DoDishes_server.cpp)
add_executable(DoDishes_client src/DoDishes_client.cpp)
target_link_libraries(DoDishes_server ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(DoDishes_client ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(DoDishes_server ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS)
add_dependencies(DoDishes_client ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS)

返回到工作空间中编译
（5）运行
启动roscore

roscore

启动动作服务器节点

rosrun learning_communication DoDishes_server

启动动作客户端节点

rosrun learning_communication DoDishes_client

3.2 动作编程实例

动作编程：客户端发送一个运动目标，模拟机器人运动到目标位置的过程，包含服务器和客户端的代码实现，要求带有实时位置反馈。
1.自定义动作文件
（1）创建turtle_move.action文件

（2）修改~/catkin_ws/src/turtle2 /CMakeLists.txt

find_package(catkin REQUIRED   actionlib_msgs  actionlib)
add_action_files( DIRECTORY  action  FILES  turtle_move.action )
generate_messages( DEPENDENCIES  std_msgs  actionlib_msgs )

（3）修改 ~/catkin_ws/src/turtle2/package.xml

<build_depend>actionlib</build_depend>
<exec_depend>actionlib</exec_depend>
<build_depend>actionlib_msgs</build_depend>
<exec_depend>actionlib_msgs</exec_depend>

（4）编译

source ~/.zshrc
catkin_make

2.动作服务器编程
action_server.cpp

#include <ros/ros.h>
#include <actionlib/server/simple_action_server.h>
#include "turtle2/turtle_moveAction.h"

typedef actionlib::SimpleActionServer<turtle2::turtle_moveAction> Server;

// 收到action的goal后调用该回调函数
void execute(const turtle2::turtle_moveGoalConstPtr& goal, Server* as)
{
    ros::Rate r(1);
    turtle2::turtle_moveFeedback feedback;

    ROS_INFO("Move to: (%d,%d) is working.", goal->turtle_pose_x,goal->turtle_pose_y);

    // 假设进度，并且按照1hz的频率发布进度feedback
    for(int i=1; i<=10; i++)
    {
        feedback.percent_complete = i * 10;
        as->publishFeedback(feedback);
        r.sleep();
    }

    // 当action完成后，向客户端返回结果
    ROS_INFO("Move to :(%d,%d)  is finished.", goal->turtle_pose_x,goal->turtle_pose_y);
    as->setSucceeded();
}

int main(int argc, char** argv)
{
    ros::init(argc, argv, "action_server");
    ros::NodeHandle n;

    // 定义一个服务器
    Server server(n, "action", boost::bind(&execute, _1, &server), false);
    
    // 服务器开始运行
    server.start();

    ros::spin();

    return 0;
}

3.动作客户端编程
action_client.cpp

#include <actionlib/client/simple_action_client.h>
#include "turtle2/turtle_moveAction.h"

typedef actionlib::SimpleActionClient<turtle2::turtle_moveAction> Client;

// 当action完成后会调用该回调函数一次
void doneCb(const actionlib::SimpleClientGoalState& state,
        const turtle2::turtle_moveResultConstPtr& result)
{
    ROS_INFO("Yay! The robot had moved to the goal ");
    ros::shutdown();
}

// 当action激活后会调用该回调函数一次
void activeCb()
{
    ROS_INFO("Goal just went active");
}

// 收到feedback后调用该回调函数
void feedbackCb(const turtle2::turtle_moveFeedbackConstPtr& feedback)
{
    ROS_INFO(" percent_complete : %f ", feedback->percent_complete);
}

int main(int argc, char** argv)
{
    ros::init(argc, argv, "action_client");

    // 定义一个客户端
    Client client("action", true);

    // 等待服务器端
    ROS_INFO("Waiting for action server to start.");
    client.waitForServer();
    ROS_INFO("Action server started, sending goal.");

    // 创建一个action的goal点（3，3）
    turtle2::turtle_moveGoal goal;
    goal.turtle_pose_x = 3;
    goal.turtle_pose_y = 3;

    // 发送action的goal给服务器端，并且设置回调函数
    client.sendGoal(goal,  &doneCb, &activeCb, &feedbackCb);

    ros::spin();

    return 0;
}

4.修改 ~/catkin_ws/src/turtle2 /CMakeLists.txt

add_executable(action_server src/action_server.cpp)
add_executable(action_client src/action_client.cpp)
target_link_libraries(action_server ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(action_client ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(action_server ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS)
add_dependencies(action_client ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS)

5.编译

source ~/.zshrc
catkin_make

6.launch文件编辑
新建launch文件move_action.launch

7.运行

roslaunch turtle2 move_action.launch

运行结果：

四、 TF坐标变换

在ROS中tf坐标变换是很重要的一个概念。tf坐标用来描述组成机器人的每个部分十分有效。当然了，利用tf功能包来实现变换，在tf中，两个坐标轴的关系用一个6自由度的相对位姿来表示：平移量+旋转量，平移量就是一个三维向量，旋转量在tf中是通过四元数类型来表示，即x,y,z,w。

1 TF坐标变换编程

tf坐标变换实现：广播TF变换和监听TF变换
（1）TF广播器
实现一个TF广播器，需要的步骤：

  • 定义TF广播器
  • 创建坐标变换值
  • 发布坐标变换
    在工作空间下，新建一个功能包learning_tf功能包，在src文件夹下，新建turtle_tf_broadcaster.cpp文件。
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>

std::string turtle_name;

void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
    // tf广播器
    static tf::TransformBroadcaster br;

    // 根据乌龟当前的位姿，设置相对于世界坐标系的坐标变换
    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);

    // 发布坐标变换
    br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}

int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化节点
    ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
    if (argc != 2)
    {
        ROS_ERROR("need turtle name as argument"); 
        return -1;
    };
    turtle_name = argv[1];

    // 订阅乌龟的pose信息
    ros::NodeHandle node;
    ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);

    ros::spin();

    return 0;
};

（2） TF监听器
实现一个TF监听器的步骤：

  • 定义TF监听器
  • 查找坐标变换

在新建功能包的src文件夹下，新建监听器文件turtle_tf_listener.cpp.

#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化节点
    ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");

    ros::NodeHandle node;

    // 通过服务调用，产生第二只乌龟turtle2
    ros::service::waitForService("spawn");
    ros::ServiceClient add_turtle =
    node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("spawn");
    turtlesim::Spawn srv;
    add_turtle.call(srv);

    // 定义turtle2的速度控制发布器
    ros::Publisher turtle_vel =
    node.advertise<geometry_msgs::Twist>("turtle2/cmd_vel", 10);

    // tf监听器
    tf::TransformListener listener;

    ros::Rate rate(10.0);
    while (node.ok())
    {
        tf::StampedTransform transform;
        try
        {
            // 查找turtle2与turtle1的坐标变换
            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和turtle2之间的坐标变换，计算turtle2需要运动的线速度和角速度
        // 并发布速度控制指令，使turtle2向turtle1移动
        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;
};

（3） 编译代码
在CMakeLists.txt文件中设置：

  • 需要编译的代码和生成的可执行文件；
  • 链接库
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})

退回到工作空间目录下，编译。

（4） launch文件编写
新建launch文件夹，在文件夹下新建start_demo_with_listener.launch文件，内容：

 <launch>
    <!-- 海龟仿真器 -->
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>

    <!-- 键盘控制 -->
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>

    <!-- 两只海龟的tf广播 -->
    <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster"
          args="/turtle1" name="turtle1_tf_broadcaster" />
    <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster"
          args="/turtle2" name="turtle2_tf_broadcaster" />

    <!-- 监听tf广播，并且控制turtle2移动 -->
    <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener"
          name="listener" />

 </launch>

通过launch文件启动tf监听和广播节点。

roslaunch learning_tf start_demo_with_listener.launch

2 TF编程实例

广播并监听机器人的坐标变换，已知激光雷达和机器人底盘的坐标关系，求解激光雷达数据在底盘坐标系下的坐标值。
加粗样式


已知在base_laser坐标系下的数据坐标为（0.3，0，0），求的是在base_link坐标系下转换得到的坐标值。
实现步骤：
（1）创建功能包，添加依赖roscpp、tf、geometry_msgs

catkin_create_pkg robot_tf roscpp tf geometry_msgs

编译：

source ~/.zshrc
catkin_make

（2）编写广播节点：创建src/tf_broadcaster.cpp文件

1.	#include <ros/ros.h>
2.	#include <tf/transform_broadcaster.h>
3.	 
4.	int main(int argc, char** argv){
5.	  ros::init(argc, argv, "robot_tf_publisher");
6.	  ros::NodeHandle n;
7.	 
8.	  ros::Rate r(100);
9.	 
10.	  tf::TransformBroadcaster broadcaster;//用于广播base_link → base_laser的变换关系
11.	 
12.	  while(n.ok()){
13.	    broadcaster.sendTransform(
14.	      tf::StampedTransform(
15.	        tf::Transform(tf::Quaternion(0, 0, 0, 1), tf::Vector3(0.1, 0.0, 0.2)),
16.	        ros::Time::now(),"base_link", "base_laser"));
17.	    r.sleep();
18.	  }
19.	}

（3）编写订阅节点：创建src/tf_listener.cpp文件

1.	#include <ros/ros.h>
2.	#include <geometry_msgs/PointStamped.h>
3.	#include <tf/transform_listener.h>
4.	 
5.	void transformPoint(const tf::TransformListener& listener){
6.	  geometry_msgs::PointStamped laser_point;
7.	  laser_point.header.frame_id = "base_laser";
8.	  laser_point.header.stamp = ros::Time();
9.	 
10.	  //题目中给出的参考系中点
11.	  laser_point.point.x = 0.3;
12.	  laser_point.point.y = 0.0;
13.	  laser_point.point.z = 0.0;
14.	 
15.	  try{
16.	    geometry_msgs::PointStamped base_point;
17.	    listener.transformPoint("base_link", laser_point, base_point);
18.	 
19.	    ROS_INFO("base_laser: (%.2f, %.2f. %.2f) -----> base_link: (%.2f, %.2f, %.2f) at time %.2f",
20.	        laser_point.point.x, laser_point.point.y, laser_point.point.z,
21.	        base_point.point.x, base_point.point.y, base_point.point.z, base_point.header.stamp.toSec());
22.	  }
23.	  catch(tf::TransformException& ex){
24.	    ROS_ERROR("Received an exception trying to transform a point from \"base_laser\" to \"base_link\": %s", ex.what());
25.	  }
26.	}
27.	 
28.	int main(int argc, char** argv){
29.	  ros::init(argc, argv, "robot_tf_listener");
30.	  ros::NodeHandle n;
31.	 
32.	  tf::TransformListener listener(ros::Duration(10));
33.	 
34.	  //we'll transform a point once every second
35.	  ros::Timer timer = n.createTimer(ros::Duration(1.0), boost::bind(&transformPoint, boost::ref(listener)));
36.	 
37.	  ros::spin();
38.	 
39.	}

使用TransformListener 对象中的transformPoint（）函数实现坐标从base_laser参考系到base_base参考系的变换。该函数有三个参数：第一个参数是需要转换到的参考系id，即base_link；第二个参数是需要转换的原始数据；第三个参数用来存储转换完成的数据。该函数执行完毕后，base_point即转换完成的点坐标了。
（4）修改 ~/catkin_ws/src/robot_tf /CMakeLists.txt

add_executable(tf_broadcaster src/tf_broadcaster.cpp)
add_executable(tf_listener src/tf_listener.cpp)
target_link_libraries(tf_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(tf_listener ${catkin_LIBRARIES})

（5）编译

source ~/.zshrc
catkin_make

（6）编写launch文件
新建launch文件夹，以及文件夹下的文件robot_tf.launch。、

（7）运行：roslaunch robot_tf robot_tf.launch

因此转换后的坐标为（0.4，0，0.2）。
小结：这就是本篇的主要内容了，课程当中还有介绍Qt工具箱、Rviz可视化平台、Gazebo物理仿真环境的介绍，我在本文中没有涉及到，在之后的系列中会涉及到相关的实例，会更为详细些。
参考文献1：《ROS机器人编程》
参考文献2：古月居《ROS理论与实践》