ROS-TF——机器人编程交互中的重要组件

一、rostf简介

ROS-TF是ROS机器人操作系统中的一个ROS软件包，用于处理多个坐标系并且提供坐标转换。在机器人的运动和感知应用中，一般都涉及到多个坐标系之间的转换，例如将观测到的激光雷达数据表示在与机器人基座坐标系相对的坐标系中。

ROS-TF的作用是通过发布相对的坐标系，描述各个坐标系之间的转换关系，使得在不同坐标系下运动学、传感等计算变得十分简单。

二、rostf坐标系和变换

1.坐标系

ROS-TF中的坐标系用于描述物体在三维空间中的位置和姿态，坐标系由三个坐标轴和原点组成，ROS-TF中实现的坐标系是基于二进制树作为数据结构的，每个坐标系都有一个相对父节点的坐标系，除了根节点，每个坐标系都有一个唯一的父坐标系。在TF树中，根节点的坐标系是名为“world”的固定坐标系，通常是地球的参考坐标系。

2.变换

ROS-TF中的变换是指在两个坐标系之间的转换，通过一个变换可以描述一个坐标系相对于其父坐标系的位置和姿态关系。变换是一个包含位置、姿态、线速度和角速度的二元组。TF库通过发布变换来构建一个坐标系树，在TF树中的每个节点都存在一个变换，变换由下面几个元素构成：

ros::Time time; // 变换的时间戳
std::string frame_id_; // 坐标系的名字
tf2::Transform transform_; // 坐标系的变换 (t, q) 位置向量 t 和四元数 q 
std::string child_frame_id_; // 子坐标系的名字

三、rostf库中常用API

1. rostf::TransformListener

TransformListener类是rostf中的一个重要API，用于监听给定的变换，并在指定的超时时间内延迟读取调度到达的变换。在初始化TransformListener类实例之前，必须先运行ros::spinOnce()以处理内部回调。以下是TransformListener类的例子：

tf::TransformListener listener;
tf::StampedTransform transform;
try{
    ros::Time now = ros::Time::now();
    listener.waitForTransform("/robot_frame", "/map", now, ros::Duration(3.0));
    listener.lookupTransform("/robot_frame", "/map", now, transform);
}
catch(tf::TransformException& ex){
    ROS_ERROR("%s",ex.what());
}

2. rostf::Quaternion、rostf::Vector3

rostf库还提供了Quaternion和Vector3类，用于进行坐标系计算时姿态和位置的存储和转换。以下是Quaternion和Vector3类的例子：

tf::Quaternion q(0, 0, 0, 1);
tf::Vector3 v(1, 2, 3);
tf::Vector3 v_transform = q * v;

四、rostf的应用

ROS-TF在机器人领域应用非常广泛，以下是一些典型的应用示例：

1.机械臂运动学

机械臂运动学需要将机械臂的各个关节的位置和角度转换为机械臂末端位姿，可以使用TF库中提供的坐标转换功能进行计算。

2.运动目标跟踪

在运动目标跟踪中，需要将目标在摄像头的图像坐标系下位置转换为机器人基座的坐标系下位置，实现物体追踪。

3.自主导航

在自主导航中，机器人需要根据激光雷达和其他传感器的数据构建地图，同时也需要通过ROS-TF库读取和处理从传感器获取的位置和位姿信息。

五、结论

在ROS机器人操作系统中，TF库为机器人的运动和感知应用提供了一个有力工具，可以轻松地实现坐标系变换和运动学计算，并且应用广泛。掌握ROS-TF的使用方法和API，可以较为容易地编写机器人应用程序。