ROS探索总结(十二)——坐标系统
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在机器人的控制中,坐标系统是非常重要的,在ROS使用tf软件库进行坐标转换。
相关链接:http://www.ros.org/wiki/tf/Tutorials#Learning_tf
一、tf简介
我们通过一个小小的实例来介绍tf的作用。
1、安装turtle包
- $ rosdep installturtle_tf rviz
- $ rosmake turtle_tf rviz
运行简单的demo:
$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
然后就会看到两只小乌龟了。
该例程中带有turtlesim仿真,可以在终端激活的情况下进行键盘控制。
可以发现,第二只乌龟会跟随你移动的乌龟进行移动。
3、demo分析
接下来我们就来看一看到底ROS做了什么事情。
这个例程使用tf建立了三个参考系:a world frame, a turtle1 frame, and a turtle2 frame。然后使用tf broadcaster发布乌龟的参考系,并且使用tf listener计算乌龟参考系之间的差异,使得第二只乌龟跟随第一只乌龟。
我们可以使用tf工具来具体研究。
$ rosrun tf view_frames
然后会看到一些提示,并且生成了一个frames.pdf文件。
该文件描述了参考系之间的联系。三个节点分别是三个参考系,而/world是其他两个乌龟参考系的父参考系。还包含一些调试需要的发送频率、最近时间等信息。
tf还提供了一个tf_echo工具来查看两个广播参考系之间的关系。我们可以看一下第二只得乌龟坐标是怎么根据第一只乌龟得出来的。
$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
控制一只乌龟,在终端中会看到第二只乌龟的坐标转换关系。
我们也可以通过rviz的图形界面更加形象的看到这三者之间的关系。
$ rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf`/rviz/turtle_rviz.vcg
rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf`/rviz/turtle_rviz.rviz 修正
移动乌龟,可以看到在rviz中的坐标会跟随变化。其中左下角的是/world,其他两个是乌龟的参考系。
下面我们就来详细分析这个实例。
二、Writing a tf broadcaster1、创建包
- $ roscd tutorials
- $ roscreate-pkg learning_tf tf roscpp rospy turtlesim
- $ rosmake learning_tf
我们首先看一下如何把参考系发布到tf。
代码文件:/nodes/turtle_tf_broadcaster.py
- #!/usr/bin/env python
- importroslib
- roslib.load_manifest('learning_tf')
- importrospy
- importtf
- importturtlesim.msg
- defhandle_turtle_pose(msg,turtlename):
- br =tf.TransformBroadcaster()
- br.sendTransform((msg.x,msg.y,0),
- tf.transformations.quaternion_from_euler(0,0,msg.theta),
- rospy.Time.now(),
- turtlename,
- "world")#发布乌龟的平移和翻转
- if__name__ =='__main__':
- rospy.init_node('turtle_tf_broadcaster')
- turtlename =rospy.get_param('~turtle')#获取海龟的名字(turtle1,turtle2)
- rospy.Subscriber('/%s/pose'% turtlename,
- turtlesim.msg.Pose,
- handle_turtle_pose,
- turtlename)#订阅 topic "turtleX/pose"
- rospy.spin()
创建launch文件start_demo.launch:
- <launch>
- <!-- Turtlesim Node-->
- <node pkg="turtlesim"type="turtlesim_node"name="sim"/>
- <node pkg="turtlesim"type="turtle_teleop_key"name="teleop"output="screen"/>
- <node name="turtle1_tf_broadcaster"pkg="learning_tf"type="turtle_tf_broadcaster.py"respawn="false"output="screen">
- <paramname="turtle"type="string"value="turtle1"/>
- </node>
- <node name="turtle2_tf_broadcaster"pkg="learning_tf"type="turtle_tf_broadcaster.py"respawn="false"output="screen">
- <paramname="turtle"type="string"value="turtle2"/>
- </node>
- </launch>
运行:
$ roslaunch learning_tf start_demo.launch
可以看到界面中只有移植乌龟了,打开tf_echo的信息窗口:
$ rosrun tf tf_echo /world /turtle1
world参考系的原点在最下角,对于turtle1的转换关系,其实就是turtle1在world参考系中所在的坐标位置以及旋转角度。
三、Writing a tf listener
这一步,我们将看到如何使用tf进行参考系转换。首先写一个tf listener(nodes/turtle_tf_listener.py):
- #!/usr/bin/env python
- importroslib
- roslib.load_manifest('learning_tf')
- importrospy
- importmath
- importtf
- importturtlesim.msg
- importturtlesim.srv
- if__name__ =='__main__':
- rospy.init_node('tf_turtle')
- listener =tf.TransformListener()#TransformListener创建后就开始接受tf广播信息,最多可以缓存10s
- rospy.wait_for_service('spawn')
- spawner =rospy.ServiceProxy('spawn',turtlesim.srv.Spawn)
- spawner(4,2,0,'turtle2')
- turtle_vel =rospy.Publisher('turtle2/command_velocity',turtlesim.msg.Velocity)
- rate =rospy.Rate(10.0)
- whilenotrospy.is_shutdown():
- try:
- (trans,rot)=listener.lookupTransform('/turtle2','/turtle1',rospy.Time(0))
- except(tf.LookupException,tf.ConnectivityException,tf.ExtrapolationException):
- continue
- angular =4* math.atan2(trans[1],trans[0])
- linear =0.5* math.sqrt(trans[0]** 2+ trans[1]** 2)
- turtle_vel.publish(turtlesim.msg.Velocity(linear,angular))
- rate.sleep()
在launch文件中添加下面的节点:
- <launch>
- ...
- <node pkg="learning_tf"type="turtle_tf_listener.py"
- name="listener"/>
- </launch>
然后在运行,就可以看到两只turtle了,也就是我们在最开始见到的那种跟随效果。
四、Adding a frame
在很多应用中,添加一个参考系是很有必要的,比如在一个world参考系下,有很一个激光扫描节点,tf可以帮助我们将激光扫描的信息坐标装换成全局坐标。
1、tf消息结构
tf中的信息是一个树状的结构,world参考系是最顶端的父参考系,其他的参考系都需要向下延伸。如果我们在上文的基础上添加一个参考系,就需要让这个新的参考系成为已有三个参考系中的一个的子参考系。
2、建立固定参考系(fixed frame)
我们以turtle1作为父参考系,建立一个新的参考系“carrot1”。代码如下(nodes/fixed_tf_broadcaster.py):
- #!/usr/bin/env python
- importroslib
- roslib.load_manifest('learning_tf')
- importrospy
- importtf
- if__name__ =='__main__':
- rospy.init_node('my_tf_broadcaster')
- br =tf.TransformBroadcaster()
- rate =rospy.Rate(10.0)
- whilenotrospy.is_shutdown():
- br.sendTransform((0.0,2.0,0.0),
- (0.0,0.0,0.0,1.0),
- rospy.Time.now(),
- "carrot1",
- "turtle1")#建立一个新的参考系,父参考系为turtle1,并且距离父参考系2米
- rate.sleep()
在launch文件中添加节点:
- <launch>
- ...
- <node pkg="learning_tf"type="fixed_tf_broadcaster.py"
- name="broadcaster_fixed"/>
- </launch>
运行,还是看到两只乌龟和之前的效果一样。新添加的参考系并没有对其他参考系产生什么影响。打开nodes/turtle_tf_listener.py文件,将turtle1改成carrot1:
(trans,rot) = self.tf.lookupTransform("/turtle2", "/carrot1", rospy.Time(0))
重新运行,现在乌龟之间的跟随关系就改变了:
3、建立移动参考系(moving frame)
我们建立的新参考系是一个固定的参考系,在仿真过程中不会改变,如果我们要把carrot1参考系和turtle1参考系之间的关系设置可变的,可以修改代码如下:
- #!/usr/bin/env python
- importroslib
- roslib.load_manifest('learning_tf')
- importrospy
- importtf
- importmath
- if__name__ =='__main__':
- rospy.init_node('my_tf_broadcaster')
- br =tf.TransformBroadcaster()
- rate =rospy.Rate(10.0)
- whilenotrospy.is_shutdown():
- t =rospy.Time.now().to_sec()* math.pi
- br.sendTransform((2.0* math.sin(t),2.0* math.cos(t),0.0),
- (0.0,0.0,0.0,1.0),
- rospy.Time.now(),
- "carrot1",
- "turtle1")
- rate.sleep()<font size="3"><br></font>
这次carrot1的位置现对于turtle1来说是一个三角函数关系了。
代码下载:http://download.csdn.net/detail/hcx25909/5708199
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