ROS与Navigation之0--TF基础知识

如下图所示，在机器人身上各关节，转轮中心都有一个坐标系，在机器人外部应该还会有其他的坐标系，如地图坐标系，全局坐标系。tf库的目的是实现系统中任一个点在所有坐标系之间的坐标变换，也就是说，只要给定一个坐标系下的一个点的坐标，就能获得这个点在其他坐标系的坐标。

          为了达到这个目的，就需要确定各个坐标系之间的关系，也就是获得任一坐标系在其他任一个坐标系下的描述。
假设有n个坐标系，那么他们之间的组合关系有c(n,2)个，如果n=4，那就是6种，如果n=100，那就是4950个，好多呀。不过，世界没那么复杂，我们可以给这些坐标系之间构建一个结构，比如单叉树或者单层多叉树，那么100个坐标系之间的关系，就可以用99个树杈搞定。tf里的选择则是多层多叉树。
        维护一颗树，需要先设计一个树的结构，也就是一定要在树被风吹来吹去变换的时候，让小树杈找个大树杈依附，让大树杈找个树干依附，让树干有个根固定(所谓变换，就是找到俩树枝变换之间的通路，这个通路很可能要先找到根，再从根找到目标树枝)。（如果打算用tf解决你的坐标变换问题，请一定要先清晰的画出这棵树的结构，再开始写程序；因为这个结构是维护和使用的基础）。
        那么该如何使用这棵树呢？如，坐标系a到坐标系b的变换是什么呢？很简单，用tf的tflisener监听某一个指定的从一个a frame到b frame的变换即可，当然前提是树上的树杈们能把a，b联通，并已经准备好。再重复一次，这个变换是a frame到b frame的变换，也表示了b frame在a frame的描述，也代表了把一个点在b frame里的坐标变换成在a frame里的坐标的坐标变换。有了这个变换，你就可以尽情的变换了。
        这个结构的建立和维护靠的是tf提供的tfbroadcastor类的sendtransform接口。在tb第一次发布一个从已有的parent frame到新的child frame的坐标系变换时，这棵树就会添加一个树枝，之后就是维护。这里，提醒一下，在用tf时，一定要细心照料整棵大树，时刻保持这棵大树能够描述整个外部世界里的关系，不能有断裂。这样才能保证在风吹时，整个树都摆来摆去还保持稳定。

        TF的实现的基本原理是，tb的类(broadcastor)里有个publisher，tl的类(listener)里有个subscriber，前者发布名为/tf的topic，后者订阅该topic，传送的消息tfmessage里包含了parent frameid和child frameid的信息。这个机制意味着，所有的tb会发布某一特定的parent到child的变换，而所有tl会收到所有的这些变换，然后tl利用一个tfbuffercore的数据结构维护一个完整的树结构及其状态。也就是说每一个tb都会广播一个变换，而tl会接收到所有这些变换，而每接收到一个，就要更新自己维护的这个树。基于此，tl在使用这棵树时，会用lookuptransform或waitfortransform来获得任意坐标系之间的变换。非常简单，对吧，但粗暴的也非常显然。那就是只要是一个tl，就要跟所有tb建立连接，就要收取所有的/tf消息，来维护一棵完整的树，并且，还要负责搜索这棵树，找到一条变换的路径，然后乘呀乘，并且每次都要如此。

        上图例子描述了三个参考系之间的联系。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乌龟坐标在第一只乌龟坐标系的关系：

上图是在前一个图的基础上增加了一个坐标系，这个坐标系是在turtle1下面的，也就是说，carrot1坐标系是建立在turtle1坐标系基础上的，或者说tb发布的是一个turtle1坐标系到carrot1坐标系的变换。

tf库的优点，能用且易上手，主要如下：
a、各种数值计算的细节，你不用考虑，tf库可以帮你；
b、接口很简洁，会广播和监听就ok；
c、问题找的很准，那就是需要维护坐标系之间的关系；
d、提供了很多工具程序；
e、考虑了与时间相关的变换；
f、支持tf-prefix，可以在多机器人上用

g、基本能用，且不需要深入理解，死搬硬套就能用起来。

tf库的缺点还是那句话，简单粗暴！

a、树的结构很简单，但有时候很笨拙。举个例子吧。有部电影叫手机，葛优扮演的叫石头，范伟演的叫砖头，两个人是叔伯兄弟，从小到大的小伙伴，应该很熟悉，关系也很明确，但要放到树的结构下，就需要从下到上找共同先辈，然后从这个先辈再往下找，进而确定二者的关系，这个比较笨拙（这是因为tb广播的一般都是一个父坐标系和子坐标系的关系）。于是有了范伟坐在门槛上的一句台词：恁这是弄啥勒，恁奶不是俺奶？！
b、每个tl都要维护同一颗树，这样的开销太大，主要是网络传输的负荷比较大。这一点，tf的设计者是完全承认的。举个例子吧，北方的有些地方的农村过年时要拜年，拜年要磕头，磕头的对象是写有逝去的先辈名字的树状图，一个同姓大家族里有很多小家庭，每个家里都有那么一张图，挨家拜年，街上人来人往，每个人都磕了很多头，磕的其实是同一张。如果有个祠堂，集中处理，维护一张图，就不用看到早早起床、满街跑的情况，效率也会高多了。
c、很难满足实时性的要求，这一点比较显然。要不tf也不会每个变换存10秒钟的数据，不过源码里好像是开了一个存100个消息的队列。

d、还有很多细节不易理解。比如，now()和time(0);比如，技术文档里的一些术语名词；比如，采用了机器人里的习惯，与飞行器，惯导，车辆里的习惯区别较大，使用时不能想当然。

参考来源：

http://blog.youkuaiyun.com/hcx25909/article/details/9255001

http://blog.exbot.net/archives/1686

https://www.ncnynl.com/archives/201708/1881.html

http://blog.youkuaiyun.com/start_from_scratch/article/details/50762293

https://www.cnblogs.com/xialuobo/p/6097806.html

http://www.sohu.com/a/201994780_715754（重要）