ROS探索总结（十八）——重读tf

在之前的博客中，有讲解tf的相关内容，本篇博客重新整理了tf的介绍和学习内容，对tf的认识会更加系统。

1 tf简介

1.1 什么是tf

tf是一个让用户随时间跟踪多个参考系的功能包，它使用一种树型数据结构，根据时间缓冲并维护多个参考系之间的坐标变换关系，可以帮助用户在任意时间，将点、向量等数据的坐标，在两个参考系中完成坐标变换。

tf的相关设计思想，可以参见：tf设计

1.2 tf可以做什么

一个机器人系统通常有很多三维的参考系，而且会随着时间的推移发生变化，例如全局参考系（world frame），机器人中心参考系（base frame），机械夹参考系（gripper frame），机器人头参考系（head frame）等等。tf可以以时间为轴，跟踪这些参考系（默认是10秒之内的），并且允许用户提出如下的申请：

• 五秒钟之前，机器人头参考系相对于全局参考系的关系是什么样的？
• 机器人夹取的物体相对于机器人中心参考系的位置在哪里？
• 机器人中心参考系相对于全局参考系的位置在哪里？

tf可以在分布式系统中进行操作，也就是说一个机器人系统中所有的参考系变换关系，对于所有节点组件，都是可用的，所有订阅tf消息的节点都会缓冲一份所有参考系的变换关系数据，所以这种结构不需要中心服务器来存储任何数据。

1.3 tf的使用流程

想要使用tf功能包，总体来讲可以分为以下两个步骤：

（1）   监听tf变换

接收并缓存系统中发布的所有参考系变换，并从中查询所需要的参考系变换。

（2）   广播tf变换

向系统中广播参考系之间的坐标变换关系。系统中更可能会存在多个不同部分的tf变换广播，每个广播都可以直接将参考系变换关系直接插入tf树中，不需要再进行同步。

2 tf实例理解

        参见：ROS探索总结（十二）——坐标系统

3 tf基础教程

        参见：ROS探索总结（十二）——坐标系统

4 tf功能包的API说明

• 数据类型
• 变换与参考系
• 发布tf变换广播
• 接收并使用tf广播
• 异常

5 命令行工具

        虽然tf是ROS中的一个代码链接库，但是仍然提供了丰富的命令行工具来帮助用户调试和创建tf变换。

5.1 tf_monitor

tf_monitor工具的功能是打印tf树中的所有参考系信息，通过输入参数来查看指定参考系之间的信息。

命令格式如下：

• tf_monitor
• tf_monitor <source_frame> <target_target>

示例结果如下图所示：

5.2 tf_echo

tf_echo工具的功能是查看指定参考系之间的变换关系。

命令的格式如下：

• tf_echo <source_frame> <target_frame>

示例效果如下图所示：

5.3 static_transform_publisher

static_transform_publisher工具的功能是发布两个参考系之间的静态坐标变换，两个参考系一般不发生相对位置变化。

命令的格式如下：

• static_transform_publisher x y z yaw pitch roll frame_id child_frame_id period_in_ms
• static_transform_publisher x y z qx qy qz qw frame_id child_frame_id  period_in_ms

以上两种命令格式，需要设置坐标的偏移和旋转参数，偏移参数都使用相对于xyz三轴的坐标位移，而旋转参数第一种命令格式使用以弧度为单位的 yaw/pitch/roll三个角度（yaw是围绕x轴旋转的偏航角，pitch是围绕y轴旋转的俯仰角，roll是围绕z轴旋转的翻滚角），而第二种命令格式使用四元数表达旋转角度。发布频率以ms为单位，一般100ms比较合适。

该命令不仅可以在终端中使用，还可以在launch文件中使用，使用方式如下：

<launch>
<node pkg="tf" type="static_transform_publisher" name="link1_broadcaster" args="1 0 0 0 0 0 1 link1_parent link1 100" />
</launch>

5.4 view_frames

view_frames 是可视化的调试工具，可以生成pdf文件，来显示整棵tf树的信息。

命令行的执行方式如下：

$ rosrun tf view_frames
$ evince frames.pdf

5.5 roswtf plugin

roswtf是ROS中自查的工具，也可以作为组件使用。针对tf，roswtf可以检查tf的配置并发现常见问题。

命令的使用方式如下：

$ roswtf

6 如何调试tf

        参见：调试tf问题

参考链接

• tf : http://wiki.ros.org/tf
• tf设计：http://wiki.ros.org/tf/Design
• tf教程：http://wiki.ros.org/tf/Tutorials
• tf: The transform library：http://wiki.ros.org/Papers/TePRA2013_Foote

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