【总结学习】ROS——TF tree

原创已于 2023-02-10 10:09:38 修改 · 1.6k 阅读

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#c++ #人工智能

于 2023-02-09 18:59:03 首次发布

本文主要介绍了ROS中的TF框架，讲解了如何进行坐标系转化，特别是TransformStamped消息中的父节点和子节点关系。重点在于理解TransformStamped用于将子坐标系下的点转换到父坐标系，并提供了转换函数transformPose的使用方法。同时，文章还提到了四元数与欧拉角的转化，并给出了相关参考资料。

【总结学习】ROS——TF tree

最重要的关键点
四元数的相关转化
四元数转化欧拉角——可视化
参考文献

近期进行了机器人相关的项目，其中涉及了TF tree的概念，查阅浏览了相关材料，准备把相关知识总结一下，到时候也方便自己查看，若有侵权，实在抱歉，请联系我进行删除，感谢～

最重要的关键点

坐标系转化

通常来说 geometry_msgs/TransformStamped.msg 定义了两个坐标系的转换关系，在 TransformStamped 下Header 中的 frame_id 表示的是父节点，与 Header 同一级别的 child_frame_id 表示的子节点。父节点与子节点在 TF tree 关系图中表示为，父节点——箭头指向——子节点 ，这也有助于根据 rqt_graph 中出现的节点图来判断节点之间的关系。

那么在 TransformStamped 中另外一个重要的部分是 transform ，官方对其描述为 # This represents the transform between two coordinate frames in free space，也就是说在这一部分中定义了两个坐标系的转换关系，具体地 transform 由 translation 以及 rotation 组成，分别代表了平移和旋转，因为任意两个坐标系都可以通过有限的平移和转旋所重合。

重点！！那么上面所说的 TransformStamped 描述的是父节点中的坐标系向子节点坐标系转换呢，还是子节点内坐标系向父节点所代表的坐标系转化呢。答案是，其作用是将在子坐标系下的A点的坐标，转换到A点在父坐标系下的新坐标。所以在使用该msgs时一定要区分清楚，想要将某一点的坐标转换到哪一个坐标系下，这个想要转换到的坐标系就是你的父节点所代表的坐标系。同时， transform 部分如何赋值呢，具体地为，针对子结点所代表的坐标系的原点，得到这个原点在父坐标系下的位置，以及旋转角度，然后将其坐标和转旋直接填入到 transform 内对应的 translation.x/y/z 以及 rotation.x/y/z/w 即可。

坐标转化 TransformPose

void transformPose(const std::string &target_frame, const geometry_msgs::PoseStamped &stamped_in, geometry_msgs::PoseStamped &stamped_out) const

target_frame 为目标坐标系。假如原始 pose 的 frame_id 为 “odom”，想要转化到 "map"上，则 target_frame 为“map” 。stamped_in 为源pose，而stamped_out就是输出目标数据了，即转换完成的数据。

需要注意的是，在参数输入中，是不需要指定源frame_id的，这是因为在原 pose 当中是会包含自己的frame_id 的，换句话说，就是TransformPose 函数一个隐含的使用条件是，stamped_in 必须带有自己的 frame_id。

cppgeometry_msgs::PoseStamped pose_odom;
pose_odom.header = odom->header;
pose_odom.pose = odom->pose.pose;
 
geometry_msgs::PoseStamped pose_map;

将其放入到整个代码当中

#include <tf/transform_listener.h>
#include <nav_msgs/Odometry.h>
#include <ros/ros.h>void odomReceived(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr& odom)
{
    // transform from "odom" to "map"    tf::TransformListener listener;
    geometry_msgs::PoseStamped pose_odom;
    pose_odom.header = odom->header;
    pose_odom.pose = odom->pose.pose;
 
    geometry_msgs::PoseStamped pose_map;
 
    try{
        listener.transformPose("map", pose_odom, pose_map);
    }
    catch( tf::TransformException ex)
    {
        ROS_WARN("transfrom exception : %s",ex.what());
        return;
    }
 
    ROS_INFO_STREAM(pose_map);
}

描述规范：

source、target frame是在进行坐标变换时的概念，source是坐标变换的源坐标系，target是目标坐标系。这个时候，这个变换代表的是坐标变换。
parent、child frame是在描述坐标系变换时的概念，parent是原坐标系，child是变换后的坐标系，这个时候这个变换描述的是坐标系变换，也是child坐标系在parent坐标系下的描述。
a frame到b frame的坐标系变换（frame transform），也表示了b frame在a frame的描述，也代表了把一个点在b frame里坐标变换成在a frame里坐标的坐标变换。
从parent到child的坐标系变换（frame transform）等同于把一个点从child坐标系向parent坐标系的坐标变换，等于child坐标系在parent frame坐标系的姿态描述。

四元数的相关转化

参考这篇文章，很详细
https://blog.youkuaiyun.com/sunqin_csdn/article/details/108045463

四元数转化欧拉角——可视化

https://quaternions.online/

参考文献

[1] https://www.guyuehome.com/355
[2] https://chanchanchan97.github.io/2020/03/26/TF%E5%9D%90%E6%A0%87%E7%B3%BB%E5%8F%98%E6%8D%A2%E7%9A%84%E7%BC%96%E7%A8%8B%E5%AE%9E%E7%8E%B0/
[3] https://blog.youkuaiyun.com/u012706484/article/details/108070293
[4] https://zhuanlan.zhihu.com/p/442775614
[5] https://www.cnblogs.com/sxy370921/p/11726691.html
[6] https://sychaichangkun.gitbooks.io/ros-tutorial-icourse163/content/chapter8/8.2.html
[7] https://blog.youkuaiyun.com/kalenee/article/details/107593033
[8] https://blog.youkuaiyun.com/liuzubing/article/details/81014240
[9] https://blog.youkuaiyun.com/weixin_45590473/article/details/122908060?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2_defaultbaidujs_baidulandingword~default-1-122908060-blog-106680103.pc_relevant_default&spm=1001.2101.3001.4242.2&utm_relevant_index=4