ROS实践手册（八）RoboWare实现tf座标系广播与监听编程实验

笔者根据 古月居 · ROS入门21讲 学习整理，并参考《ROS机器人开发实践》一书。
相关课件及源码可参考 Github/huchunxu/ros_21_tutorials

tf座标变换入门

• 安装功能包：$ sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf
• 启动小海龟座标变换文件：$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
• 打开新终端，启动小海龟键盘控制：$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
• 键盘控制小海龟移动，发现另一只小海龟与其座标绑定，跟随移动。
• 打开新终端，在当前路径生成座标变换关系图：$ rosrun tf view_frames
• 双击打开“frames.pdf”文件查看关系图。
• 其他工具
  • 实时座标显示：$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
  • 可视化工具：$ rosrun rviz rviz -d 'rospack find turtle_tf' /rviz/turtle_tviz.rviz
    • 修改“Fixed Frame”为“world”
    • 左下角“Add”添加“Tf”

tf广播编程实现

• 右键点击 ROS 工作区下的 “catkin_ws/src” ，选择 “新建ROS包” ，输入包名称及其依赖包的名称 learning_tf roscpp rospy tf turtlesim ，回车后，会创建名为 “learning_tf” 、以 “roscpp” 、“rospy”、“tf”、“turtlesim”为依赖的 ROS 包。
• 右键点击 catkin_ws/src/learning_tf/src 文件夹，点击 “新建CPP源文件” 输入文件名turtle_tf_broadcaster ，点击回车键弹出列表，选择 “加入到新的可执行文件中” ，则会创建一个与cpp文件同名的可执行文件（ROS节点）。
• 编辑 turtle_tf_broadcaster.cpp 文件如下。

/**
 * 该例程产生tf数据，并计算、发布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)
{
    // 创建tf的广播器
    static tf::TransformBroadcaster br;

    // 初始化tf数据
    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);

    // 广播world与海龟座标系之间的tf数据
    br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}

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

    // 输入参数作为海龟的名字
    if (argc != 2)
    {
        ROS_ERROR("need turtle name as argument"); 
        return -1;
    }
    turtle_name = argv[1];

    // 订阅海龟的位姿话题
    ros::NodeHandle node;
    ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);

    // 循环等待回调函数
    ros::spin();
    return 0;
};

tf监听编程实现

• 右键点击 catkin_ws/src/learning_tf/src 文件夹，点击 “新建CPP源文件” 输入文件名turtle_tf_listener ，点击回车键弹出列表，选择 “加入到新的可执行文件中” ，则会创建一个与cpp文件同名的可执行文件（ROS节点）。
• 编辑 turtle_tf_listener.cpp 文件如下。

/**
 * 该例程监听tf数据，并计算、发布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节点
    ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle node;

    // 请求产生turtle2
    ros::service::waitForService("/spawn");
    ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
    turtlesim::Spawn srv;
    add_turtle.call(srv);

    // 创建发布turtle2速度控制指令的发布者
    ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);

    // 创建tf的监听器
    tf::TransformListener listener;
    ros::Rate rate(10.0);
    while (node.ok())
    {
        // 获取turtle1与turtle2座标系之间的tf数据
        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;
        }

        // 根据turtle1与turtle2座标系之间的位置关系，发布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;
};

运行测试

• 右键点击“learning_tf”功能包将其设置为活动状态。
• 在主界面左上角，修改资源管理器旁的构建方式为“Debug”，并点击小锤子进行构建。
• 点击主界面上方“ROS-运行roscore”。
• 在主界面右侧下方点击“+”创建新终端，输入$ source devel/setup.bash。输入$ rosrun turtlesim turtlesim_node运行小海龟仿真器。
• 创建新终端，输入$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1运行turtle1的广播。
• 创建新终端，输入$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle2运行turtle2的广播。
• 创建新终端，输入$ rosrun learning_tf turtle_tf_listener运行tf监听器。
• 创建新终端，输入$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key启动小海龟键盘控制。
• 键盘控制小海龟移动，发现另一只小海龟与其座标绑定，跟随移动。