古月出品:ROS探索总结(十二)——坐标系统
hashman
hashman 21635 0
2016-01-03 02:13
版权声明:本文为原博主 古-月 原创文章,不得用于商业用途!
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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 install turtle_tf rviz
$ rosmake turtle_tf rviz
2、运行demo
       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。

图片:20130705193434562.png


       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。

图片:20130705193545406.png


       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。

图片:20130705193729171.png



       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。

图片:20130705193826750.png


$ 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。

图片:20130705193925984.png


       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

图片:20130705194029921.png


       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 broadcaster
1、创建包


$ roscd tutorials
$ roscreate-pkg learning_tf tf roscpp rospy turtlesim
$ rosmake learning_tf
2、broadcast transforms

       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  
import roslib
roslib.load_manifest('learning_tf')
import rospy
   
   
import tf
import turtlesim.msg
   
   
def handle_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" >
      <param name="turtle" type="string" value="turtle1" />
    </node>
    <node name="turtle2_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >
      <param name="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


图片:20130705194323468.png


       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  
import roslib
roslib.load_manifest('learning_tf')
import rospy
import math
import tf
import turtlesim.msg
import turtlesim.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)
    while not rospy.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。

图片:20130705195100687.png



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    
import roslib  
roslib.load_manifest('learning_tf')  
     
import rospy  
import tf  
     
if __name__ == '__main__':  
    rospy.init_node('my_tf_broadcaster')  
    br = tf.TransformBroadcaster()  
    rate = rospy.Rate(10.0)  
    while not rospy.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
      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:

图片:20130705195301046.png




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    
import roslib  
roslib.load_manifest('learning_tf')  
     
import rospy  
import tf  
import math  
     
if __name__ == '__main__':  
    rospy.init_node('my_tf_broadcaster')  
    br = tf.TransformBroadcaster()  
    rate = rospy.Rate(10.0)  
    while not rospy.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()

       这次carrot1的位置现对于turtle1来说是一个三角函数关系了。

图片:20130705195437609.png





代码下载:http://download.csdn.net/detail/hcx25909/5708199




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