【ROS学习笔记13】ROS中的TF坐标变换

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【ROS学习笔记13】ROS中的TF坐标变换

写在前面，本系列笔记参考的是AutoLabor的教程，具体项目地址在这里

前言

在ROS中内置一些比较实用的工具，通过这些工具可以方便快捷的实现某个功能或调试程序，从而提高开发效率，本章主要介绍ROS中内置的如下组件:

TF坐标变换，实现不同类型的坐标系之间的转换；
rosbag 用于录制ROS节点的执行过程并可以重放该过程；
rqt 工具箱，集成了多款图形化的调试工具。

本章预期达成的学习目标:

了解 TF 坐标变换的概念以及应用场景；
能够独立完成TF案例:小乌龟跟随；
可以使用 rosbag 命令或编码的形式实现录制与回放；
能够熟练使用rqt中的图形化工具。

案例演示: 小乌龟跟随实现，该案例是ros中内置案例，终端下键入启动命令

roslaunch turtle_tf2 turtle_tf2_demo_cpp.launch

roslaunch turtle_tf2 turtle_tf2_demo.launch

键盘可以控制一只乌龟运动，另一只跟随运动。

示例的结果：

1. 静态坐标变换

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。

需求描述:

现有一机器人模型，核心构成包含主体与雷达，各对应一坐标系，坐标系的原点分别位于主体与雷达的物理中心，已知雷达原点相对于主体原点位移关系如下: x 0.2 y0.0 z0.5。当前雷达检测到一障碍物，在雷达坐标系中障碍物的坐标为 (2.0 3.0 5.0),请问，该障碍物相对于主体的坐标是多少？

结果演示:

实现分析:

坐标系相对关系，可以通过发布方发布
订阅方，订阅到发布的坐标系相对关系，再传入坐标点信息(可以写死)，然后借助于 tf 实现坐标变换，并将结果输出

**实现流程:**C++ 与 Python 实现流程一致

新建功能包，添加依赖
编写发布方实现
编写订阅方实现
执行并查看结果

方案A:C++实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs

2.发布方

/* 
    静态坐标变换发布方:
        发布关于 laser 坐标系的位置信息 

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建静态坐标转换广播器
        4.创建坐标系信息
        5.广播器发布坐标系信息
        6.spin()
*/


// 1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/static_transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"static_brocast");
    // 3.创建静态坐标转换广播器
    tf2_ros::StaticTransformBroadcaster broadcaster;
    // 4.创建坐标系信息
    geometry_msgs::TransformStamped ts;
    //----设置头信息
    ts.header.seq = 100;
    ts.header.stamp = ros::Time::now();
    ts.header.frame_id = "base_link";
    //----设置子级坐标系
    ts.child_frame_id = "laser";
    //----设置子级相对于父级的偏移量
    ts.transform.translation.x = 0.2;
    ts.transform.translation.y = 0.0;
    ts.transform.translation.z = 0.5;
    //----设置四元数:将 欧拉角数据转换成四元数
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,0);
    ts.transform.rotation.x = qtn.getX();
    ts.transform.rotation.y = qtn.getY();
    ts.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    ts.transform.rotation.w = qtn.getW();
    // 5.广播器发布坐标系信息
    broadcaster.sendTransform(ts);
    ros::spin();
    return 0;
}

配置文件此处略。

示例效果：

使用

rviz

启动图形化界面，然后可以查看结果：

3.订阅方

/*  
    订阅坐标系信息，生成一个相对于 子级坐标系的坐标点数据，转换成父级坐标系中的坐标点

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 TF 订阅节点
        4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        6.spin()
*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h" //注意: 调用 transform 必须包含该头文件

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"tf_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    // 3.创建 TF 订阅节点
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
    
    
    // 4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        geometry_msgs::PointStamped point_laser;
        point_laser.header.frame_id = "laser";
        point_laser.header.stamp = ros::Time::now();
        point_laser.point.x = 2.0;
        point_laser.point.y = 3.0;
        point_laser.point.y = 5.0;
    // 5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        //新建一个坐标点，用于接收转换结果  
        //--------------使用 try 语句或休眠，否则可能由于缓存接收延迟而导致坐标转换失败------------------------
        try
        {
    
    
            geometry_msgs::PointStamped point_base;
            point_base = buffer.transform(point_laser,"base_link");
            ROS_INFO("转换后的数据:(%.2f,%.2f,%.2f),参考的坐标系是:%s",point_base.point.x,point_base.point.y,point_base.point.z,point_base.header.frame_id.c_str());

        }
        catch(const std::exception& e)
        {
    
    
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("程序异常.....");
        }


        r.sleep();  
        ros::spinOnce();
    }


    return 0;
}

配置文件此处略。

4.执行

可以使用命令行或launch文件的方式分别启动发布节点与订阅节点，如果程序无异常，控制台将输出，坐标转换后的结果。

执行的结果：

方案B:Python实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs

2.发布方

#! /usr/bin/env python
"""  
    静态坐标变换发布方:
        发布关于 laser 坐标系的位置信息 
    实现流程:
        1.导包
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 静态坐标广播器
        4.创建并组织被广播的消息
        5.广播器发送消息
        6.spin
"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
import tf
from geometry_msgs.msg import TransformStamped

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("static_tf_pub_p")
    # 3.创建 静态坐标广播器
    broadcaster = tf2_ros.StaticTransformBroadcaster()
    # 4.创建并组织被广播的消息
    tfs = TransformStamped()
    # --- 头信息
    tfs.header.frame_id = "world"
    tfs.header.stamp = rospy.Time.now()
    tfs.header.seq = 101
    # --- 子坐标系
    tfs.child_frame_id = "radar"
    # --- 坐标系相对信息
    # ------ 偏移量
    tfs.transform.translation.x = 0.2
    tfs.transform.translation.y = 0.0
    tfs.transform.translation.z = 0.5
    # ------ 四元数
    qtn = tf.transformations.quaternion_from_euler(0,0,0)
    tfs.transform.rotation.x = qtn[0]
    tfs.transform.rotation.y = qtn[1]
    tfs.transform.rotation.z = qtn[2]
    tfs.transform.rotation.w = qtn[3]


    # 5.广播器发送消息
    broadcaster.sendTransform(tfs)
    # 6.spin
    rospy.spin()

权限设置以及配置文件此处略。

示例结果：

3.订阅方

#! /usr/bin/env python
"""  
    订阅坐标系信息，生成一个相对于 子级坐标系的坐标点数据，
    转换成父级坐标系中的坐标点

    实现流程:
        1.导包
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 TF 订阅对象
        4.创建一个 radar 坐标系中的坐标点
        5.调研订阅对象的 API 将 4 中的点坐标转换成相对于 world 的坐标
        6.spin

"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
# 不要使用 geometry_msgs,需要使用 tf2 内置的消息类型
from tf2_geometry_msgs import PointStamped
# from geometry_msgs.msg import PointStamped

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("static_sub_tf_p")
    # 3.创建 TF 订阅对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    listener = tf2_ros.TransformListener(buffer)

    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():    
    # 4.创建一个 radar 坐标系中的坐标点
        point_source = PointStamped()
        point_source.header.frame_id = "radar"
        point_source.header.stamp = rospy.Time.now()
        point_source.point.x = 10
        point_source.point.y = 2
        point_source.point.z = 3

        try:
    #     5.调研订阅对象的 API 将 4 中的点坐标转换成相对于 world 的坐标
            point_target = buffer.transform(point_source,"world")
            rospy.loginfo("转换结果:x = %.2f, y = %.2f, z = %.2f",
                            point_target.point.x,
                            point_target.point.y,
                            point_target.point.z)
        except Exception as e:
            rospy.logerr("异常:%s",e)

    #     6.spin
        rate.sleep()

权限设置以及配置文件此处略。

PS: 在 tf2 的 python 实现中，tf2 已经封装了一些消息类型，不可以使用 geometry_msgs.msg 中的类型

4.执行

可以使用命令行或launch文件的方式分别启动发布节点与订阅节点，如果程序无异常，控制台将输出，坐标转换后的结果。

示例的结果:

补充1:

当坐标系之间的相对位置固定时，那么所需参数也是固定的: 父系坐标名称、子级坐标系名称、x偏移量、y偏移量、z偏移量、x 翻滚角度、y俯仰角度、z偏航角度，实现逻辑相同，参数不同，那么 ROS 系统就已经封装好了专门的节点，使用方式如下:

rosrun tf2_ros static_transform_publisher x偏移量 y偏移量 z偏移量 z偏航角度 y俯仰角度 x翻滚角度 父级坐标系 子级坐标系

示例:rosrun tf2_ros static_transform_publisher 0.2 0 0.5 0 0 0 /baselink /laser

也建议使用该种方式直接实现静态坐标系相对信息发布。

补充2:

可以借助于rviz显示坐标系关系，具体操作:

新建窗口输入命令:rviz;
在启动的 rviz 中设置Fixed Frame 为 base_link;
点击左下的 add 按钮，在弹出的窗口中选择 TF 组件，即可显示坐标关系。

2. 动态坐标变换

所谓动态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是变化的。

需求描述:

启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布。

结果演示:

实现分析:

乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的 x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
将 pose 信息转换成坐标系相对信息并发布

实现流程: C++ 与 Python 实现流程一致

新建功能包，添加依赖
创建坐标相对关系发布方(同时需要订阅乌龟位姿信息)
创建坐标相对关系订阅方
执行

方案A:C++实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于

 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.发布方

/*  
    动态的坐标系相对姿态发布(一个坐标系相对于另一个坐标系的相对姿态是不断变动的)

    需求: 启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘
    控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布

    实现分析:
        1.乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
        2.订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的 x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
        3.将 pose 信息转换成 坐标系相对信息并发布

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 ROS 句柄
        4.创建订阅对象
        5.回调函数处理订阅到的数据(实现TF广播)
            5-1.创建 TF 广播器
            5-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
            5-3.广播器发布数据
        6.spin
*/
// 1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose){
    
    
    //  5-1.创建 TF 广播器
    static tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;
    //  5-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
    geometry_msgs::TransformStamped tfs;
    //  |----头设置
    tfs.header.frame_id = "world";
    tfs.header.stamp = ros::Time::now();

    //  |----坐标系 ID
    tfs.child_frame_id = "turtle1";

    //  |----坐标系相对信息设置
    tfs.transform.translation.x = pose->x;
    tfs.transform.translation.y = pose->y;
    tfs.transform.translation.z = 0.0; // 二维实现，pose 中没有z，z 是 0
    //  |--------- 四元数设置
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,pose->theta);
    tfs.transform.rotation.x = qtn.getX();
    tfs.transform.rotation.y = qtn.getY();
    tfs.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    tfs.transform.rotation.w = qtn.getW();


    //  5-3.广播器发布数据
    broadcaster.sendTransform(tfs);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"dynamic_tf_pub");
    // 3.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建订阅对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<turtlesim::Pose>("/turtle1/pose",1000,doPose);
    //     5.回调函数处理订阅到的数据(实现TF广播)
    //        
    // 6.spin
    ros::spin();
    return 0;
}

实现效果：

配置文件此处略。

3.订阅方

//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h" //注意: 调用 transform 必须包含该头文件

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"dynamic_tf_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    // 3.创建 TF 订阅节点
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
    
    
    // 4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        geometry_msgs::PointStamped point_laser;
        point_laser.header.frame_id = "turtle1";
        point_laser.header.stamp = ros::Time();
        point_laser.point.x = 1;
        point_laser.point.y = 1;
        point_laser.point.z = 0;
    // 5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        //新建一个坐标点，用于接收转换结果  
        //--------------使用 try 语句或休眠，否则可能由于缓存接收延迟而导致坐标转换失败------------------------
        try
        {
    
    
            geometry_msgs::PointStamped point_base;
            point_base = buffer.transform(point_laser,"world");
            ROS_INFO("坐标点相对于 world 的坐标为:(%.2f,%.2f,%.2f)",point_base.point.x,point_base.point.y,point_base.point.z);

        }
        catch(const std::exception& e)
        {
    
    
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("程序异常:%s",e.what());
        }


        r.sleep();  
        ros::spinOnce();
    }


    return 0;
}

配置文件此处略。

4.执行

可以使用命令行或launch文件的方式分别启动发布节点与订阅节点，如果程序无异常，与演示结果类似。

可以使用 rviz 查看坐标系相对关系。

示例的结果：

方案B:Python实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于

 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.发布方

#! /usr/bin/env python
"""  
    动态的坐标系相对姿态发布(一个坐标系相对于另一个坐标系的相对姿态是不断变动的)

    需求: 启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘
    控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布

    实现分析:
        1.乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
        2.订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的 x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
        3.将 pose 信息转换成 坐标系相对信息并发布
    实现流程:
        1.导包
        2.初始化 ROS 节点
        3.订阅 /turtle1/pose 话题消息
        4.回调函数处理
            4-1.创建 TF 广播器
            4-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
            4-3.广播器发布数据
        5.spin
"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
import tf
from turtlesim.msg import Pose
from geometry_msgs.msg import TransformStamped

#     4.回调函数处理
def doPose(pose):
    #         4-1.创建 TF 广播器
    broadcaster = tf2_ros.TransformBroadcaster()
    #         4-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
    tfs = TransformStamped()
    tfs.header.frame_id = "world"
    tfs.header.stamp = rospy.Time.now()
    tfs.child_frame_id = "turtle1"
    tfs.transform.translation.x = pose.x
    tfs.transform.translation.y = pose.y
    tfs.transform.translation.z = 0.0
    qtn = tf.transformations.quaternion_from_euler(0,0,pose.theta)
    tfs.transform.rotation.x = qtn[0]
    tfs.transform.rotation.y = qtn[1]
    tfs.transform.rotation.z = qtn[2]
    tfs.transform.rotation.w = qtn[3]
    #         4-3.广播器发布数据
    broadcaster.sendTransform(tfs)

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("dynamic_tf_pub_p")
    # 3.订阅 /turtle1/pose 话题消息
    sub = rospy.Subscriber("/turtle1/pose",Pose,doPose)
    #     4.回调函数处理
    #         4-1.创建 TF 广播器
    #         4-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
    #         4-3.广播器发布数据
    #     5.spin
    rospy.spin()

权限设置以及配置文件此处略。

示例的效果如下：

3.订阅方

#! /usr/bin/env python
"""  
    动态的坐标系相对姿态发布(一个坐标系相对于另一个坐标系的相对姿态是不断变动的)

    需求: 启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘
    控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布

    实现分析:
        1.乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
        2.订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的 x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
        3.将 pose 信息转换成 坐标系相对信息并发布
    实现流程:
        1.导包
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 TF 订阅对象
        4.处理订阅的数据


"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
# 不要使用 geometry_msgs,需要使用 tf2 内置的消息类型
from tf2_geometry_msgs import PointStamped
# from geometry_msgs.msg import PointStamped

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("static_sub_tf_p")
    # 3.创建 TF 订阅对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    listener = tf2_ros.TransformListener(buffer)

    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():    
    # 4.创建一个 radar 坐标系中的坐标点
        point_source = PointStamped()
        point_source.header.frame_id = "turtle1"
        point_source.header.stamp = rospy.Time.now()
        point_source.point.x = 10
        point_source.point.y = 2
        point_source.point.z = 3

        try:
    #     5.调研订阅对象的 API 将 4 中的点坐标转换成相对于 world 的坐标
            point_target = buffer.transform(point_source,"world",rospy.Duration(1))
            rospy.loginfo("转换结果:x = %.2f, y = %.2f, z = %.2f",
                            point_target.point.x,
                            point_target.point.y,
                            point_target.point.z)
        except Exception as e:
            rospy.logerr("异常:%s",e)

    #     6.spin
        rate.sleep()

权限设置以及配置文件此处略。

4.执行

可以使用命令行或launch文件的方式分别启动发布节点与订阅节点，如果程序无异常，与演示结果类似。

可以使用 rviz 查看坐标系相对关系。

示例结果如下：

3. 多坐标变换

需求描述:

现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，求 son1原点在 son2中的坐标，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标

实现分析:

首先，需要发布 son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的坐标消息
然后，需要订阅坐标发布消息，并取出订阅的消息，借助于 tf2 实现 son1 和 son2 的转换
最后，还要实现坐标点的转换

**实现流程:**C++ 与 Python 实现流程一致

新建功能包，添加依赖
创建坐标相对关系发布方(需要发布两个坐标相对关系)
创建坐标相对关系订阅方
执行

方案A:C++实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.发布方

为了方便，使用静态坐标变换发布

<launch>
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="son1" args="5 0 0 0 0 0 /world /son1" output="screen" />
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="son2" args="3 0 0 0 0 0 /world /son2" output="screen" />
</launch>

示例结果：

3.订阅方

/*

需求:
    现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，
    son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，
    求 son1 与 son2中的坐标关系，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标
实现流程:
    1.包含头文件
    2.初始化 ros 节点
    3.创建 ros 句柄
    4.创建 TF 订阅对象
    5.解析订阅信息中获取 son1 坐标系原点在 son2 中的坐标
      解析 son1 中的点相对于 son2 的坐标
    6.spin

*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    
       setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ros 节点
    ros::init(argc,argv,"sub_frames");
    // 3.创建 ros 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建 TF 订阅对象
    tf2_ros::Buffer buffer; 
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);
    // 5.解析订阅信息中获取 son1 坐标系原点在 son2 中的坐标
    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
    
    
        try
        {
    
    
        //   解析 son1 中的点相对于 son2 的坐标
            geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("son2","son1",ros::Time(0));
            ROS_INFO("Son1 相对于 Son2 的坐标关系:父坐标系ID=%s",tfs.header.frame_id.c_str());
            ROS_INFO("Son1 相对于 Son2 的坐标关系:子坐标系ID=%s",tfs.child_frame_id.c_str());
            ROS_INFO("Son1 相对于 Son2 的坐标关系:x=%.2f,y=%.2f,z=%.2f",
                    tfs.transform.translation.x,
                    tfs.transform.translation.y,
                    tfs.transform.translation.z
                    );

            // 坐标点解析
            geometry_msgs::PointStamped ps;
            ps.header.frame_id = "son1";
            ps.header.stamp = ros::Time::now();
            ps.point.x = 1.0;
            ps.point.y = 2.0;
            ps.point.z = 3.0;

            geometry_msgs::PointStamped psAtSon2;
            psAtSon2 = buffer.transform(ps,"son2");
            ROS_INFO("在 Son2 中的坐标:x=%.2f,y=%.2f,z=%.2f",
                    psAtSon2.point.x,
                    psAtSon2.point.y,
                    psAtSon2.point.z
                    );
        }
        catch(const std::exception& e)
        {
    
    
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("异常信息:%s",e.what());
        }


        r.sleep();
        // 6.spin
        ros::spinOnce();
    }
    return 0;
}

配置文件此处略。

4.执行

可以使用命令行或launch文件的方式分别启动发布节点与订阅节点，如果程序无异常，将输出换算后的结果。

示例结果：

方案B:Python实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.发布方

为了方便，使用静态坐标变换发布

<launch>
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="son1" args="5 0 0 0 0 0 /world /son1" output="screen" />
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="son2" args="3 0 0 0 0 0 /world /son2" output="screen" />
</launch>

3.订阅方

#!/usr/bin/env python
"""  
    需求:
        现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，
        son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，
        求 son1 与 son2中的坐标关系，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标
    实现流程:   
        1.导包
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 TF 订阅对象
        4.调用 API 求出 son1 相对于 son2 的坐标关系
        5.创建一依赖于 son1 的坐标点，调用 API 求出该点在 son2 中的坐标
        6.spin

"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
from tf2_geometry_msgs import PointStamped

if __name__ == "__main__":

    # 2.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("frames_sub_p")
    # 3.创建 TF 订阅对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    listener = tf2_ros.TransformListener(buffer)

    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():

        try:
        # 4.调用 API 求出 son1 相对于 son2 的坐标关系
            #lookup_transform(self, target_frame, source_frame, time, timeout=rospy.Duration(0.0)):
            tfs = buffer.lookup_transform("son2","son1",rospy.Time(0))
            rospy.loginfo("son1 与 son2 相对关系:")
            rospy.loginfo("父级坐标系:%s",tfs.header.frame_id)
            rospy.loginfo("子级坐标系:%s",tfs.child_frame_id)
            rospy.loginfo("相对坐标:x=%.2f, y=%.2f, z=%.2f",
                        tfs.transform.translation.x,
                        tfs.transform.translation.y,
                        tfs.transform.translation.z,
            )
        # 5.创建一依赖于 son1 的坐标点，调用 API 求出该点在 son2 中的坐标
            point_source = PointStamped()
            point_source.header.frame_id = "son1"
            point_source.header.stamp = rospy.Time.now()
            point_source.point.x = 1
            point_source.point.y = 1
            point_source.point.z = 1

            point_target = buffer.transform(point_source,"son2",rospy.Duration(0.5))

            rospy.loginfo("point_target 所属的坐标系:%s",point_target.header.frame_id)
            rospy.loginfo("坐标点相对于 son2 的坐标:(%.2f,%.2f,%.2f)",
                        point_target.point.x,
                        point_target.point.y,
                        point_target.point.z
            )

        except Exception as e:
            rospy.logerr("错误提示:%s",e)


        rate.sleep()
    # 6.spin    
    # rospy.spin()

权限设置以及配置文件此处略。

4.执行

可以使用命令行或launch文件的方式分别启动发布节点与订阅节点，如果程序无异常，将输出换算后的结果。

示例结果：

4. 坐标系关系查看

在机器人系统中，涉及的坐标系有多个，为了方便查看，ros 提供了专门的工具，可以用于生成显示坐标系关系的 pdf 文件，该文件包含树形结构的坐标系图谱。

1.准备

首先调用rospack find tf2_tools查看是否包含该功能包，如果没有，请使用如下命令安装:

sudo apt install ros-noetic-tf2-tools

2.使用

启动坐标系广播程序之后，运行如下命令，生成 pdf 文件

rosrun tf2_tools view_frames.py

会产生类似于下面的日志信息:

[INFO] [1592920556.827549]: Listening to tf data during 5 seconds...
[INFO] [1592920561.841536]: Generating graph in frames.pdf file...

查看当前目录会生成一个 frames.pdf 文件

可以直接进入目录打开文件，或者调用命令查看文件:evince frames.pdf，查看文件

内如如图所示:

5. TF坐标变换实操

需求描述:

程序启动之初: 产生两只乌龟，中间的乌龟(A) 和左下乌龟(B), B 会自动运行至A的位置，并且键盘控制时，只是控制 A 的运动，但是 B 可以跟随 A 运行

结果演示:

实现分析:

乌龟跟随实现的核心，是乌龟A和B都要发布相对世界坐标系的坐标信息，然后，订阅到该信息需要转换获取A相对于B坐标系的信息，最后，再生成速度信息，并控制B运动。

启动乌龟显示节点
在乌龟显示窗体中生成一只新的乌龟(需要使用服务)
编写两只乌龟发布坐标信息的节点
编写订阅节点订阅坐标信息并生成新的相对关系生成速度信息

**实现流程:**C++ 与 Python 实现流程一致

新建功能包，添加依赖
编写服务客户端，用于生成一只新的乌龟
编写发布方，发布两只乌龟的坐标信息
编写订阅方，订阅两只乌龟信息，生成速度信息并发布
运行

准备工作:

1.了解如何创建第二只乌龟，且不受键盘控制

创建第二只乌龟需要使用rosservice,话题使用的是 spawn

rosservice call /spawn "x: 1.0
y: 1.0
theta: 1.0
name: 'turtle_flow'" 
name: "turtle_flow"

键盘是无法控制第二只乌龟运动的，因为使用的话题: /第二只乌龟名称/cmd_vel,对应的要控制乌龟运动必须发布对应的话题消息

2.了解如何获取两只乌龟的坐标

是通过话题 /乌龟名称/pose 来获取的

x: 1.0 //x坐标
y: 1.0 //y坐标
theta: -1.21437060833 //角度
linear_velocity: 0.0 //线速度
angular_velocity: 1.0 //角速度

方案A:C++实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于

tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.服务客户端(生成乌龟)

/* 
    创建第二只小乌龟
 */
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Spawn.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    

    setlocale(LC_ALL,"");

    //执行初始化
    ros::init(argc,argv,"create_turtle");
    //创建节点
    ros::NodeHandle nh;
    //创建服务客户端
    ros::ServiceClient client = nh.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");

    ros::service::waitForService("/spawn");
    turtlesim::Spawn spawn;
    spawn.request.name = "turtle2";
    spawn.request.x = 1.0;
    spawn.request.y = 2.0;
    spawn.request.theta = 3.12415926;
    bool flag = client.call(spawn);
    if (flag)
    {
    
    
        ROS_INFO("乌龟%s创建成功!",spawn.response.name.c_str());
    }
    else
    {
    
    
        ROS_INFO("乌龟2创建失败!");
    }

    ros::spin();

    return 0;
}

配置文件此处略。

3.发布方(发布两只乌龟的坐标信息)

可以订阅乌龟的位姿信息，然后再转换成坐标信息，两只乌龟的实现逻辑相同，只是订阅的话题名称，生成的坐标信息等稍有差异，可以将差异部分通过参数传入:

该节点需要启动两次
每次启动时都需要传入乌龟节点名称(第一次是 turtle1 第二次是 turtle2)

/*  
    该文件实现:需要订阅 turtle1 和 turtle2 的 pose，然后广播相对 world 的坐标系信息

    注意: 订阅的两只 turtle,除了命名空间(turtle1 和 turtle2)不同外,
          其他的话题名称和实现逻辑都是一样的，
          所以我们可以将所需的命名空间通过 args 动态传入

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ros 节点
        3.解析传入的命名空间
        4.创建 ros 句柄
        5.创建订阅对象
        6.回调函数处理订阅的 pose 信息
            6-1.创建 TF 广播器
            6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
            6-3.发布
        7.spin

*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
//保存乌龟名称
std::string turtle_name;


void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose){
    
    
    //  6-1.创建 TF 广播器 ---------------------------------------- 注意 static
    static tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;
    //  6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
    geometry_msgs::TransformStamped tfs;
    tfs.header.frame_id = "world";
    tfs.header.stamp = ros::Time::now();
    tfs.child_frame_id = turtle_name;
    tfs.transform.translation.x = pose->x;
    tfs.transform.translation.y = pose->y;
    tfs.transform.translation.z = 0.0;
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,pose->theta);
    tfs.transform.rotation.x = qtn.getX();
    tfs.transform.rotation.y = qtn.getY();
    tfs.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    tfs.transform.rotation.w = qtn.getW();
    //  6-3.发布
    broadcaster.sendTransform(tfs);

} 

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ros 节点
    ros::init(argc,argv,"pub_tf");
    // 3.解析传入的命名空间
    if (argc != 2)
    {
    
    
        ROS_ERROR("请传入正确的参数");
    } else {
    
    
        turtle_name = argv[1];
        ROS_INFO("乌龟 %s 坐标发送启动",turtle_name.c_str());
    }

    // 4.创建 ros 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 5.创建订阅对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<turtlesim::Pose>(turtle_name + "/pose",1000,doPose);
    //     6.回调函数处理订阅的 pose 信息
    //         6-1.创建 TF 广播器
    //         6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
    //         6-3.发布
    // 7.spin
    ros::spin();
    return 0;
}

配置文件此处略。

4.订阅方(解析坐标信息并生成速度信息)

/*  
    订阅 turtle1 和 turtle2 的 TF 广播信息，查找并转换时间最近的 TF 信息
    将 turtle1 转换成相对 turtle2 的坐标，在计算线速度和角速度并发布

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ros 节点
        3.创建 ros 句柄
        4.创建 TF 订阅对象
        5.处理订阅到的 TF
        6.spin

*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "geometry_msgs/Twist.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ros 节点
    ros::init(argc,argv,"sub_TF");
    // 3.创建 ros 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建 TF 订阅对象
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);
    // 5.处理订阅到的 TF

    // 需要创建发布 /turtle2/cmd_vel 的 publisher 对象

    ros::Publisher pub = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel",1000);

    ros::Rate rate(10);
    while (ros::ok())
    {
    
    
        try
        {
    
    
            //5-1.先获取 turtle1 相对 turtle2 的坐标信息
            geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("turtle2","turtle1",ros::Time(0));

            //5-2.根据坐标信息生成速度信息 -- geometry_msgs/Twist.h
            geometry_msgs::Twist twist;
            twist.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(tfs.transform.translation.x,2) + pow(tfs.transform.translation.y,2));
            twist.angular.z = 4 * atan2(tfs.transform.translation.y,tfs.transform.translation.x);

            //5-3.发布速度信息 -- 需要提前创建 publish 对象
            pub.publish(twist);
        }
        catch(const std::exception& e)
        {
    
    
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("错误提示:%s",e.what());
        }



        rate.sleep();
        // 6.spin
        ros::spinOnce();
    }

    return 0;
}

配置文件此处略。

5.运行

使用 launch 文件组织需要运行的节点，内容示例如下:

<!--
    tf2 实现小乌龟跟随案例
-->
<launch>
    <!-- 启动乌龟节点与键盘控制节点 -->
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtle1" output="screen" />
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key_control" output="screen"/>
    <!-- 启动创建第二只乌龟的节点 -->
    <node pkg="demo_tf2_test" type="Test01_Create_Turtle2" name="turtle2" output="screen" />
    <!-- 启动两个坐标发布节点 -->
    <node pkg="demo_tf2_test" type="Test02_TF2_Caster" name="caster1" output="screen" args="turtle1" />
    <node pkg="demo_tf2_test" type="Test02_TF2_Caster" name="caster2" output="screen" args="turtle2" />
    <!-- 启动坐标转换节点 -->
    <node pkg="demo_tf2_test" type="Test03_TF2_Listener" name="listener" output="screen" />
</launch>

方案B:Python实现

1.创建功能包

创建项目功能包依赖于

tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.服务客户端(生成乌龟)

#! /usr/bin/env python
"""  
    调用 service 服务在窗体指定位置生成一只乌龟
    流程:
        1.导包
        2.初始化 ros 节点
        3.创建服务客户端
        4.等待服务启动
        5.创建请求数据
        6.发送请求并处理响应
"""
#1.导包
import rospy
from turtlesim.srv import Spawn, SpawnRequest, SpawnResponse

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ros 节点
    rospy.init_node("turtle_spawn_p")
    # 3.创建服务客户端
    client = rospy.ServiceProxy("/spawn",Spawn)
    # 4.等待服务启动
    client.wait_for_service()
    # 5.创建请求数据
    req = SpawnRequest()
    req.x = 1.0
    req.y = 1.0
    req.theta = 3.14
    req.name = "turtle2"
    # 6.发送请求并处理响应
    try:
        response = client.call(req)
        rospy.loginfo("乌龟创建成功，名字是:%s",response.name)
    except Exception as e:
        rospy.loginfo("服务调用失败....")

权限设置以及配置文件此处略。

3.发布方(发布两只乌龟的坐标信息)

#! /usr/bin/env python
"""  
    该文件实现:需要订阅 turtle1 和 turtle2 的 pose，然后广播相对 world 的坐标系信息

    注意: 订阅的两只 turtle,除了命名空间(turtle1 和 turtle2)不同外,
          其他的话题名称和实现逻辑都是一样的，
          所以我们可以将所需的命名空间通过 args 动态传入

    实现流程:
        1.导包
        2.初始化 ros 节点
        3.解析传入的命名空间
        4.创建订阅对象
        5.回调函数处理订阅的 pose 信息
            5-1.创建 TF 广播器
            5-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
            5-3.发布
        6.spin
"""
# 1.导包
import rospy
import sys
from turtlesim.msg import Pose
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
import tf2_ros
import tf_conversions

turtle_name = ""

def doPose(pose):
    # rospy.loginfo("x = %.2f",pose.x)
    #1.创建坐标系广播器
    broadcaster = tf2_ros.TransformBroadcaster()
    #2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
    tfs = TransformStamped()
    tfs.header.frame_id = "world"
    tfs.header.stamp = rospy.Time.now()

    tfs.child_frame_id = turtle_name
    tfs.transform.translation.x = pose.x
    tfs.transform.translation.y = pose.y
    tfs.transform.translation.z = 0.0

    qtn = tf_conversions.transformations.quaternion_from_euler(0, 0, pose.theta)
    tfs.transform.rotation.x = qtn[0]
    tfs.transform.rotation.y = qtn[1]
    tfs.transform.rotation.z = qtn[2]
    tfs.transform.rotation.w = qtn[3]

    #3.广播器发布 tfs
    broadcaster.sendTransform(tfs)


if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ros 节点
    rospy.init_node("sub_tfs_p")
    # 3.解析传入的命名空间
    rospy.loginfo("-------------------------------%d",len(sys.argv))
    if len(sys.argv) < 2:
        rospy.loginfo("请传入参数:乌龟的命名空间")
    else:
        turtle_name = sys.argv[1]
    rospy.loginfo("///乌龟:%s",turtle_name)

    rospy.Subscriber(turtle_name + "/pose",Pose,doPose)
    #     4.创建订阅对象
    #     5.回调函数处理订阅的 pose 信息
    #         5-1.创建 TF 广播器
    #         5-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
    #         5-3.发布
    #     6.spin
    rospy.spin()

权限设置以及配置文件此处略。

4.订阅方(解析坐标信息并生成速度信息)

#! /usr/bin/env python
"""  
    订阅 turtle1 和 turtle2 的 TF 广播信息，查找并转换时间最近的 TF 信息
    将 turtle1 转换成相对 turtle2 的坐标，在计算线速度和角速度并发布

    实现流程:
        1.导包
        2.初始化 ros 节点
        3.创建 TF 订阅对象
        4.处理订阅到的 TF
            4-1.查找坐标系的相对关系
            4-2.生成速度信息，然后发布
"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped, Twist
import math

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ros 节点
    rospy.init_node("sub_tfs_p")
    # 3.创建 TF 订阅对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    listener = tf2_ros.TransformListener(buffer)
    # 4.处理订阅到的 TF
    rate = rospy.Rate(10)
    # 创建速度发布对象
    pub = rospy.Publisher("/turtle2/cmd_vel",Twist,queue_size=1000)
    while not rospy.is_shutdown():

        rate.sleep()
        try:
            #def lookup_transform(self, target_frame, source_frame, time, timeout=rospy.Duration(0.0)):
            trans = buffer.lookup_transform("turtle2","turtle1",rospy.Time(0))
            # rospy.loginfo("相对坐标:(%.2f,%.2f,%.2f)",
            #             trans.transform.translation.x,
            #             trans.transform.translation.y,
            #             trans.transform.translation.z
            #             )   
            # 根据转变后的坐标计算出速度和角速度信息
            twist = Twist()
            # 间距 = x^2 + y^2  然后开方
            twist.linear.x = 0.5 * math.sqrt(math.pow(trans.transform.translation.x,2) + math.pow(trans.transform.translation.y,2))
            twist.angular.z = 4 * math.atan2(trans.transform.translation.y, trans.transform.translation.x)

            pub.publish(twist)

        except Exception as e:
            rospy.logwarn("警告:%s",e)

权限设置以及配置文件此处略。

5.运行

使用 launch 文件组织需要运行的节点，内容示例如下:

<launch>
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtle1" output="screen" />
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key_control" output="screen"/>

    <node pkg="demo06_test_flow_p" type="test01_turtle_spawn_p.py" name="turtle_spawn" output="screen"/>

    <node pkg="demo06_test_flow_p" type="test02_turtle_tf_pub_p.py" name="tf_pub1" args="turtle1" output="screen"/>
    <node pkg="demo06_test_flow_p" type="test02_turtle_tf_pub_p.py" name="tf_pub2" args="turtle2" output="screen"/>
    <node pkg="demo06_test_flow_p" type="test03_turtle_tf_sub_p.py" name="tf_sub" output="screen"/>

</launch>

实现的效果如下：

Reference

http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/di-2-zhang-ros-jia-gou-she-ji/23-fu-wu-tong-xin/224-fu-wu-tong-xin-zi-ding-yi-srv-diao-yong-b-python.html