前言

TF(TransForm)，就是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括了位置和姿態(tài)兩個方面的變換，坐標(biāo)變換是機(jī)器人學(xué)中的概念。

在機(jī)器人學(xué)中，無論一個機(jī)器人多么復(fù)雜，我們都可以將它的組成抽象成兩部分-連桿和關(guān)節(jié)，最典型的機(jī)器人是串聯(lián)型機(jī)械臂，它的每條臂就是一個比較規(guī)整的關(guān)節(jié)，中間連接的電機(jī)就是它的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)分為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)，比如下圖中比較經(jīng)典的PUMA機(jī)械臂，可以抽象成很規(guī)整的連桿和關(guān)節(jié)的組成。

在將機(jī)器人抽象成關(guān)節(jié)之后，我們就可以使用DH法或改進(jìn)DH法，為各個關(guān)節(jié)和連桿建立坐標(biāo)系，而坐標(biāo)變換就是用來描述我們建立的各個坐標(biāo)系之間的關(guān)系，以方便人們表達(dá)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)之間的位置關(guān)系。

一、ROS中的TF

雖然我們可以將機(jī)器人進(jìn)行抽象和簡化，拋去它所有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，將它抽象成一個個的坐標(biāo)系，但是一個機(jī)器人可能有幾十上百個關(guān)節(jié)，如下圖所示，如果我們要自己去計(jì)算任意兩個坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，也是非常非常繁雜的。

于是ROS為我們提供了一個用來方便TF計(jì)算的工具-TF樹，TF樹用來維護(hù)ROS系統(tǒng)中的機(jī)器人以及周圍環(huán)境的所有TF變換關(guān)系，只要你的TF樹是連通的，你就可以提取任意兩個坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，掌控任何坐標(biāo)系的位置，ROS中的TF樹考慮到存儲容量問題，只維護(hù)最近5秒的TF變換數(shù)據(jù)。

1.監(jiān)聽TF變換

監(jiān)聽TF變換就是獲取TF樹中的坐標(biāo)變換關(guān)系，這是通過TF類中的TransformListener類實(shí)現(xiàn)的，下面以古月居的代碼為例進(jìn)行說明。

 通過這一頓操作，就可以將兩只海龜?shù)淖鴺?biāo)變換讀取出來，存到我們創(chuàng)建的transform類中，方便我們進(jìn)行其他操作。

2.廣播TF變換

廣播TF變換是用來更新TF樹的，有時我們控制了機(jī)器人進(jìn)行了位置移動，那么ROS怎么知道它新的位置呢？這就需要通過TF廣播器，將最新的機(jī)器人位置發(fā)布到TF樹中，仍然以古月居的代碼進(jìn)行說明。

 我們傳入一個參數(shù)（烏龜節(jié)點(diǎn)名字），就可以發(fā)布這只烏龜相對于世界的坐標(biāo)變換，當(dāng)我們知道了兩只烏龜相對于世界的坐標(biāo)變換，那么也可以根據(jù)公式推出他們之間的坐標(biāo)變換，因?yàn)樗鼈兪沁B通的，兩只烏龜之間的坐標(biāo)變換，只要烏龜1左乘烏龜2相對于世界變換矩陣的逆即可。

launch文件的編寫

 然后就可以運(yùn)行l(wèi)aunch文件，查看效果

roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch

二、TF常用組件

無論是使用烏龜，還是我們在仿真環(huán)境中創(chuàng)建了一個自己的機(jī)器人，ROS為我們提供了各種各樣的工具方便我們查看其中的TF變換，而不需要我們像上面的例子一樣，自己去編寫TF坐標(biāo)變換的監(jiān)聽和廣播器，下面我以mbot小車為例，展現(xiàn)一下較為復(fù)雜的TF坐標(biāo)變換關(guān)系和常用工具使用。

先打開一個gazebo仿真環(huán)境

1.tf_monitor

作用：將當(dāng)前的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系打印到終端控制臺

rosrun tf tf_monitor

 這樣就可以在終端輸出任意兩個坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，當(dāng)然也可以查看特定兩個坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，只需要給它傳入?yún)?shù)

rosrun tf tf_monitor base_link odom

2.tf_echo <source_frame> <target_frame>

作用：把特定的坐標(biāo)系之間的平移旋轉(zhuǎn)關(guān)系，打印到終端控制臺

rosrun tf tf_echo base_link odom

3.view_frames

作用：輸出當(dāng)前的tf關(guān)系以pdf的形式輸出到當(dāng)前目錄下

rosrun tf view_frames

 這個工具是非常方便且常用的

4.roswtf

作用：幫助你找到tf中的錯誤

roswtf

5.Rviz

 當(dāng)然你也可以通過最牛逼的可視化工具Rviz顯示所有的TF坐標(biāo)變換，打開一個Rviz，選擇TF即可

6.robot_state_publisher

 robot_state_publisher是機(jī)器人的狀態(tài)發(fā)布器，使用參數(shù) robots_description 指定的URDF和來自主題關(guān)節(jié)狀態(tài)的關(guān)節(jié)位置來計(jì)算機(jī)器人的正向運(yùn)動學(xué)并通過tf發(fā)布結(jié)果。

它訂閱關(guān)節(jié)狀態(tài)發(fā)布器（joint_state_publisher）節(jié)點(diǎn)發(fā)布的關(guān)節(jié)狀態(tài)主題（ sensor_msgs/JointState ）將機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的tf變換發(fā)布到tf樹上，這就不需要我們自己去編寫關(guān)節(jié)狀態(tài)更新的節(jié)點(diǎn)，而只需要在launch文件中，一并啟動這個ROS為我們提供的節(jié)點(diǎn)即可。

<!-- 運(yùn)行robot_state_publisher節(jié)點(diǎn)，發(fā)布tf  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"  output="screen" >
        <param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
    </node>

它的參數(shù)如下：

三、SLAM中的TF

SLAM中的TF最重要的有兩部分：（1）機(jī)器人底盤坐標(biāo)系（base_frame）與里程計(jì)坐標(biāo)系（odom_frame）之間的變換關(guān)系 和 （2）里程計(jì)坐標(biāo)系（odom_frame）與地圖坐標(biāo)系（map_frame）之間的變換關(guān)系

（1）的變換關(guān)系主要是由機(jī)器人自帶的里程計(jì)（如：編碼器、IMU、laser）提供，采用的方法叫里程計(jì)位姿估計(jì)（Odometry），這一部分的主要作用是讓我們知道了機(jī)器人從初始位置（odom_frame）到現(xiàn)在位置（base_frame）的關(guān)系，但是這一部分是相對的，我們不知道環(huán)境信息時，沒法絕對的確定機(jī)器人位置，而且單純的使用里程計(jì)定位，會產(chǎn)生累計(jì)漂移誤差，這就需要使用某些方法確定機(jī)器人和環(huán)境之間的位置關(guān)系。

機(jī)器人和環(huán)境之間的坐標(biāo)變換關(guān)系可以由很多方式給出，比如AMCL（自適應(yīng)蒙特卡洛定位）專門用來機(jī)器人定位的算法、或者SLAM的方法（如激光雷達(dá)的算法gmapping），但是TF數(shù)的結(jié)構(gòu)決定了一個坐標(biāo)系只能有一個父坐標(biāo)系（一個人只能認(rèn)一個爹），base到odom的坐標(biāo)變換中，base已經(jīng)當(dāng)做父坐標(biāo)系了，因此這些定位方法往往給出里程計(jì)坐標(biāo)系（odom_frame）與地圖坐標(biāo)系（map_frame）之間的變換關(guān)系，即（2），這樣相當(dāng)于間接給出了base與map之間的關(guān)系，也可以確定機(jī)器人的位置，如下圖所示

 這樣也補(bǔ)償了里程計(jì)的漂移誤差

總結(jié)

本文介紹了TF坐標(biāo)變換的基本概念以及TF在ROS中的表示形式（TF樹），通過古月居的烏龜跟隨的例子，分析了TF樹的廣播器和監(jiān)聽器最基本的書寫形式，從中展示了如何提取和應(yīng)用TF變換的信息，并介紹了5種最常用的TF樹及TF信息的提取工具，最后簡要說明了SLAM中最為重要的兩種TF坐標(biāo)變換。

到此這篇關(guān)于ROS TF坐標(biāo)變換的文章就介紹到這了,更多相關(guān)ros tf坐標(biāo)變換內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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