ROS實踐手冊（八）RoboWare實現tf座標系廣播與監聽編程實驗

筆者根據 古月居 · ROS入門21講 學習整理，並參考《ROS機器人開發實踐》一書。
相關課件及源碼可參考 Github/huchunxu/ros_21_tutorials

tf座標變換入門

• 安裝功能包：$ sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf
• 啓動小海龜座標變換文件：$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
• 打開新終端，啓動小海龜鍵盤控制：$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
• 鍵盤控制小海龜移動，發現另一隻小海龜與其座標綁定，跟隨移動。
• 打開新終端，在當前路徑生成座標變換關係圖：$ rosrun tf view_frames
• 雙擊打開“frames.pdf”文件查看關係圖。
• 其他工具
  • 實時座標顯示：$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
  • 可視化工具：$ rosrun rviz rviz -d 'rospack find turtle_tf' /rviz/turtle_tviz.rviz
    • 修改“Fixed Frame”爲“world”
    • 左下角“Add”添加“Tf”

tf廣播編程實現

• 右鍵點擊 ROS 工作區下的 “catkin_ws/src” ，選擇 “新建ROS包” ，輸入包名稱及其依賴包的名稱 learning_tf roscpp rospy tf turtlesim ，回車後，會創建名爲 “learning_tf” 、以 “roscpp” 、“rospy”、“tf”、“turtlesim”爲依賴的 ROS 包。
• 右鍵點擊 catkin_ws/src/learning_tf/src 文件夾，點擊 “新建CPP源文件” 輸入文件名turtle_tf_broadcaster ，點擊回車鍵彈出列表，選擇 “加入到新的可執行文件中” ，則會創建一個與cpp文件同名的可執行文件（ROS節點）。
• 編輯 turtle_tf_broadcaster.cpp 文件如下。

/**
 * 該例程產生tf數據，並計算、發佈turtle2的速度指令
 */
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>
std::string turtle_name;

void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
    // 創建tf的廣播器
    static tf::TransformBroadcaster br;

    // 初始化tf數據
    tf::Transform transform;
    transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) );
    tf::Quaternion q;
    q.setRPY(0, 0, msg->theta);
    transform.setRotation(q);

    // 廣播world與海龜座標系之間的tf數據
    br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}

int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化ROS節點
    ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");

    // 輸入參數作爲海龜的名字
    if (argc != 2)
    {
        ROS_ERROR("need turtle name as argument"); 
        return -1;
    }
    turtle_name = argv[1];

    // 訂閱海龜的位姿話題
    ros::NodeHandle node;
    ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);

    // 循環等待回調函數
    ros::spin();
    return 0;
};

tf監聽編程實現

• 右鍵點擊 catkin_ws/src/learning_tf/src 文件夾，點擊 “新建CPP源文件” 輸入文件名turtle_tf_listener ，點擊回車鍵彈出列表，選擇 “加入到新的可執行文件中” ，則會創建一個與cpp文件同名的可執行文件（ROS節點）。
• 編輯 turtle_tf_listener.cpp 文件如下。

/**
 * 該例程監聽tf數據，並計算、發佈turtle2的速度指令
 */
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化ROS節點
    ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");

    // 創建節點句柄
    ros::NodeHandle node;

    // 請求產生turtle2
    ros::service::waitForService("/spawn");
    ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
    turtlesim::Spawn srv;
    add_turtle.call(srv);

    // 創建發佈turtle2速度控制指令的發佈者
    ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);

    // 創建tf的監聽器
    tf::TransformListener listener;
    ros::Rate rate(10.0);
    while (node.ok())
    {
        // 獲取turtle1與turtle2座標系之間的tf數據
        tf::StampedTransform transform;
        try
        {
            listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));
            listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform);
        }
        catch (tf::TransformException &ex) 
        {
            ROS_ERROR("%s",ex.what());
            ros::Duration(1.0).sleep();
            continue;
        }

        // 根據turtle1與turtle2座標系之間的位置關係，發佈turtle2的速度控制指令
        geometry_msgs::Twist vel_msg;
        vel_msg.angular.z = 4.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),
                                        transform.getOrigin().x());
        vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +
                                      pow(transform.getOrigin().y(), 2));
        turtle_vel.publish(vel_msg);
        rate.sleep();
    }
    return 0;
};

運行測試

• 右鍵點擊“learning_tf”功能包將其設置爲活動狀態。
• 在主界面左上角，修改資源管理器旁的構建方式爲“Debug”，並點擊小錘子進行構建。
• 點擊主界面上方“ROS-運行roscore”。
• 在主界面右側下方點擊“+”創建新終端，輸入$ source devel/setup.bash。輸入$ rosrun turtlesim turtlesim_node運行小海龜仿真器。
• 創建新終端，輸入$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1運行turtle1的廣播。
• 創建新終端，輸入$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle2運行turtle2的廣播。
• 創建新終端，輸入$ rosrun learning_tf turtle_tf_listener運行tf監聽器。
• 創建新終端，輸入$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key啓動小海龜鍵盤控制。
• 鍵盤控制小海龜移動，發現另一隻小海龜與其座標綁定，跟隨移動。