27、ROS2坐标变换TF2简介

1、TF2简介

坐标系是我们非常熟悉的一个概念，也是机器人学中的重要基础，在一个完整的机器人系统中，会存在很多坐标系，这些坐标系之间的位置关系该如何管理？ROS给我们提供了一个坐标系的管理神器：TF2

在移动机器人系统中，坐标系一样至关重要，比如一个移动机器人的中心点是基坐标系Base Link，雷达所在的位置叫做雷达坐标系laser link，机器人要移动，里程计会累积位置，这个位置的参考系叫做里程计坐标系odom，里程计又会有累积误差和漂移，绝对位置的参考系叫做地图坐标系map。

一层一层坐标系之间关系复杂，有一些是相对固定的，也有一些是不断变化的，看似简单的坐标系也在空间范围内变得复杂，良好的坐标系管理系统就显得格外重要。

关于坐标系变换关系的基本理论，在每一本机器人学的教材中都会有讲解，可以分解为平移和旋转两个部分，通过一个四乘四的矩阵进行描述，在空间中画出坐标系，那两者之间的变换关系，其实就是向量的数学描述。

ROS中TF功能的底层原理，就是对这些数学变换进行了封装，详细的理论知识大家可以参考机器人学的教材，我们主要讲解TF坐标管理系统的使用方法。

我们先通过两只小海龟的示例，了解下基于坐标系的一种机器人跟随算法。为方便演示，本节课程最好选择在虚拟机中操作

这个示例需要我们先安装相应的功能包


sudo apt install ros-foxy-turtle-tf2-py ros-foxy-tf2-tools
sudo pip3 install transforms3d

然后就可以通过一个launch文件启动，之后我们可以控制其中的一只小海龟，另外一只小海龟会自动跟随运动。


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ros2 launch turtle_tf2_py turtle_tf2_demo.launch.py
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

当我们控制一只海龟运动时，另外一只海龟也会跟随运动。


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ros2 run tf2_tools view_frames.py

默认在当前终端路径下生成了一个frames.pdf文件，打开之后，就可以看到系统中各个坐标系的关系了。

只看到坐标系的结构还不行，如果我们想要知道某两个坐标系之间的具体关系，可以通过tf2_echo这个工具查看：


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ros2 run tf2_ros tf2_echo turtle2 turtle1

运行成功后，终端中就会循环打印坐标系的变换数值了

用rviz2来做显示：


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rviz2

rivz2中设置参考坐标系为：world，添加TF显示，再让小海龟动起来，Rviz中的坐标轴就会开始运动，这样是不是更加直观了呢！

所谓静态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是固定的。如雷达和base_link之间的位置是固定的。

示例：为方便演示，本节课程最好选择在虚拟机中操作


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ros2 run tf2_ros static_transform_publisher 0 0 3 0 0 3.14 A B


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ros2 run tf2_ros tf2_echo A B

下节课程中讲解，请看下节课程