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原创最新推荐文章于 2026-08-16 14:31:05 发布 2.2k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

ROS1 学习11 坐标系tf 管理系统简介及demo示例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——TF。比如在机械臂形态的机器人中，机器人安装的位置叫做基坐标系Base Frame，机器人安装位置在外部环境下的参考系叫做世界坐标系World Frame，机器人末端夹爪的位置叫做工具坐标系，外部被操作物体的位置叫做工件坐标系，在机械臂抓取外部物体的过程中，这些坐标系之间的关系也在跟随变化。阅读详情

本文主要内容参考自ROS wiki:tf/Tutorials/Introduction to tf，在加入了自己的一些理解的同时，我也对原文进行了适当的修改。原文使用Creative Commons Attribution 3.0，本文使用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议协议，若使用本文，请自觉遵守相关协议。

上一篇文章中，我们对tf已经有了一个大致的了解。在这篇文章中，大家将会看到一个使用tf库编写的有趣的小栗子，另外，我们也会介绍如何使用ROS内置的工具查看坐标变换及其详细信息。

安装必要工具

如果你安装的是完整的ros桌面版，那么你很可能会不需要进行这一步。这一步只是为了安装ros教程功能包、几何功能包、rviz、rosbash工具以及rqt坐标树工具。

$ sudo apt-get install ros-indigo-ros-tutorials ros-indigo-geometry-tutorials ros-indigo-rviz ros-indigo-rosbash ros-indigo-rqt-tf-tree

例子演示

运行下面的命令即可运行演示：

$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch

这时你会看到下面的结果：

demo

将光标定位在刚刚运行命令的终端，然后通过键盘方向键控制中间的小乌龟移动。这时，你会发现另一只乌龟会跟着你控制的那个乌龟移动，无论如何也甩不掉。

control

基本原理

这个例子其实只是简单地使用tf软件库创建了三个坐标：世界坐标系、turtle1坐标系、turtle2坐标系，并使用tf广播器(tf broadcaster)发布了它们之间的转换关系，然后使用tf监听器(tf listener)捕捉发布的转换关系，最后根据转换关系计算相应的速度信息，并将结果发给另一个小乌龟。

查看坐标变换树

在tf中，我们可以使用view frames查看坐标变换树：

NOTE:不要关闭前面运行的演示！

rosrun tf view_frames

然后你就会看到下面的信息：

Transform Listener initing
Listening to /tf for 5.000000 seconds
Done Listening
dot - Graphviz version 2.16 (Fri Feb 8 12:52:03 UTC 2008)

Detected dot version 2.16
frames.pdf generated

通过ubuntu下的pdf阅读器evince即可查看结果：

$ evince frames.pdf

当然你也可以直接手动打开文件frames.pdf。

view-frames-result

我们可以看到三个被tf发布的坐标系：世界坐标系、turtle1坐标系以及turtle2坐标系。我们也可以看到世界坐标系是turtle1坐标系和turtle2坐标系的父坐标系。另外，view frames也会产生一些用于调试的诊断信息，这些信息会告诉我们什么时候收到最旧的和最新的转换，以及tf坐标系被发布到tf的频率。

当然，借助万能的rqt，我们也可以查看坐标变换树。你可以使用下面的命令：

rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

或者直接启动rqt

rqt

然后再菜单栏中找到plugins>Visualization>TF Tree即可显示坐标变换树：

rqt

查看转换信息

使用tf的tf_monitor工具可以查看目前坐标转换树的详细信息，包括目前已存在的坐标，以及发布者、发布频率等信息：

Frames:
Frame: turtle1 published by unknown_publisher Average Delay: 0.000928401 Max Delay: 0.00398851
Frame: turtle2 published by unknown_publisher Average Delay: 0.000914138 Max Delay: 0.00386878

All Broadcasters:
Node: unknown_publisher 125.211 Hz, Average Delay: 0.000942602 Max Delay: 0.00386878

通过tf的tf_echo可以查看发布到ROS网络中的两个坐标之间的转换信息：

rosrun tf tf_echo [reference_frame] [target_frame]

假如我们想查看turtle2的坐标系相对turtle1坐标系的转换信息的话可以使用下面的命令：

$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

你会得到类似于下面的结果：

At time 1494299988.380
- Translation: [0.000, 0.000, 0.000]
- Rotation: in Quaternion [0.000, 0.000, -0.714, 0.700]
            in RPY (radian) [0.000, 0.000, -1.591]
            in RPY (degree) [0.000, 0.000, -91.163]
At time 1494299989.148
- Translation: [0.000, 0.000, 0.000]
- Rotation: in Quaternion [0.000, 0.000, -0.714, 0.700]
            in RPY (radian) [0.000, 0.000, -1.591]
            in RPY (degree) [0.000, 0.000, -91.163]
At time 1494299990.156
- Translation: [0.000, 0.000, 0.000]
- Rotation: in Quaternion [0.000, 0.000, -0.714, 0.700]
            in RPY (radian) [0.000, 0.000, -1.591]
            in RPY (degree) [0.000, 0.000, -91.163]

这里简单介绍下输出结果，后面我会详细介绍。输出结果是一个时间戳和一个6或者7自由度的相对位姿信息：平移量(Translation)和旋转量(Rotation)。

At time 1494299990.156

上面是该转换信息的时间戳，你可能会问为什么这个时间表示得这么奇怪。其实，这个时间是从系统获取到的的时间，即我们在ROS中经常看到的挂钟时间(Wall-Time or Wall-clock)。对Unix比较熟悉的应该知道，计算机内部的时间是从1970年1月1日开始的，所以这里给出的时间就是从这个时间点开始到现在的时间，单位是秒。