ROS中TF(坐标系转换)原理与使用

ROS中的TF(TransForm)用于处理坐标转换,包括位置和姿态变换。TF树是一个树状数据结构,用于维护机器人各部件之间的坐标关系。TF包含发布器(broadcaster)和订阅器(tflisener),通过 Topic `/tf` 通信,确保所有坐标系的连通性。TF库简化了坐标变换的接口,并考虑了时间相关的变换,支持多机器人场景。尽管TF有搜索效率和实时性等问题,但它为开发者提供了便利。

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官网建议新工作直接使用tf2,因为它有一个更清洁的界面,和更好的使用体验。(自ROS Hydro以来,tf第一代已被“弃用”,转而支持tf2)。

TF介绍

TF(TransForm),就是坐标转换,包括了位置和姿态两个方面的变换。注意区分坐标转换和坐标系转换。

坐标转换是一个坐标在不同坐标系下的表示,而坐标系转换不同坐标系的相对位姿关系。

ROS中机器人模型包含大量的部件,每一个部件统称之为link(比如手部、头部、某个关节、某个连杆),每一个link上面对应着一个frame(坐标系), 用frame表示该部件的坐标系,frame和link是绑定在一起的。
TF是一个通俗的名称,实际上它有很多含义:

  1. 可以被当做是一种标准规范,这套标准定义了坐标转换的数据格式和数据结构.tf本质是树状的数据结构,即"tf tree"。

  2. tf也可以看成是一个话题/tf,话题中的消息保存的就是tf tree的数据结构格式。维护了整个机器人的甚至是地图的坐标转换关系。维持并更新机器人整个坐标系的话题是/tf,/tf话题表示的内容是整个机器人的tf树,而非仅仅是某两个坐标系的转换关系,这样的话,/tf话题是需要很多的节点来维护的,每一个节点维护两个frame之间的关系。

  3. tf还可以看成是一个package,它当中包含了很多的工具.比如可视化,查看关节间的tf,debug tf等等.

  4. tf含有一部分的API接口,用来节点程序中的编程。TF对发布器与订阅器进行了封装,使开发者通过TF的接口更加简单地建立

### ROS2 中坐标系的概念 tf2 的使用 #### 一、ROS2 坐标系的基础概念 在 ROS2 中,`tf2` 是用于处理坐标变换的核心工具。它继承并改进了 ROS1 中 `tf` 的功能,在性能和易用性上都有显著提升。`tf2` 提供了一种灵活的方式来管理不同坐标系之间的转换关系,并支持复杂的树状结构来表示这些坐标系的关系。 - **坐标系定义** 每个机器人通常由多个部件组成,例如底盘、机械臂、传感器等。为了描述这些部件的空间位置和姿态,需要为其分配独立的坐标系。通过 `tf2`,可以方便地建立各坐标系间的相对关系[^2]。 - **TF 树结构** 所有坐标系被组织成一棵逻辑上的树形结构(TF Tree),其中根节点通常是固定的全局参考系(如 `world` 或 `map`)。其他子节点则代表各个局部坐标系及其相对于父节点的位置和方向变化[^3]。 --- #### 二、tf2 的核心组件及工作原理 ##### 1. TransformBroadcaster `tf2_ros::TransformBroadcaster` 类负责发布动态坐标变换消息到 `/tf` 主题下。这使得其他订阅者能够实时获取最新的坐标映射数据。 ```cpp // 示例代码:C++ 发布一个简单的坐标变换 #include <tf2/LinearMath/Quaternion.h> #include <tf2_ros/transform_broadcaster.h> void broadcast_tf(tf2_ros::TransformBroadcaster &br, geometry_msgs::msg::TransformStamped t) { br.sendTransform(t); } ``` ##### 2. TransformListener `tf2_ros::TransformListener` 则允许程序监听已发布的坐标变换信息,并查询任意时刻某两点间的位置偏移量或旋转角度差值。 ```python import rclpy from tf2_ros import Buffer, TransformListener def setup_listener(node): buffer = Buffer() listener = TransformListener(buffer, node) return buffer ``` ##### 3. StaticTransformBroadcaster 对于那些不会随时间改变的固定型态连接部分,则推荐采用专门设计用来简化操作流程的静态版本——即 `StaticTransformBroadcaster` 来代替常规方式完成初始化设置过程即可满足需求。 --- #### 三、实际应用案例分析 假设我们正在构建一款移动平台搭载激光雷达扫描仪的应用场景: 1. 定义三个主要参照物:“base_link”作为车体中心;“laser_frame”对应LiDAR安装位点;最后再额外增加一个虚拟目标对象叫做“target_point”。 2. 创建相应的发射器实例分别向系统报告上述两组关联参数的具体数值情况。 3. 结合高级算法模块计算得出最终结果反馈给控制端执行相应动作指令序列实现预期效果展示出来让用户体验更加直观生动形象具体可感化程度更高一些吧! --- ### 总结 综上所述,掌握好如何正确运用ros2内置提供的强大功能包之一-tf2之后就可以轻松应对各种复杂多样的三维空间几何运算挑战啦!希望本文对你有所帮助哦😊
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