系列文章目录

第一章 ROS空间创建、helloworld的实现、开启多个节点
第二章 话题通信
第三章 服务通信
第四章 参数服务器
第五章 常用指令
第六章 通信机制实操
第七章 ROS通信机制进阶（常用API、Python模块的导入)
第八章 元功能包、节点运行管理launch文件（teleop_twist安装方法）
第九章 重名问题、分布式通信
第十章-第一节 TF坐标变换（内含PyKDL 和PyInit__tf2功能缺失等解决）

前言

现在大二，之前大一有幸参加了2021的国赛，很壮烈的拿了个江苏赛区的二等奖。但发现无人机这个题，真的是往堆钱上走了。不上ROS不行，现在来记录一下一个纯小白学习ROS的过程和遇到的问题。防止学弟、学妹们再走我走过的弯路。板子用的是学长给的Jetson Nano（4GB），版本是Ubuntu18.04（已配置好基础ROS所需配置）

一、ROS常用组件

在ROS中内置一些比较实用的工具，通过这些工具可以方便快捷的实现某个功能或调试程序，从而提高开发效率，本章主要介绍ROS中内置的如下组件:

• TF坐标变换，实现不同类型的坐标系之间的转换；
• rosbag 用于录制ROS节点的执行过程并可以重放该过程；
• rqt 工具箱，集成了多款图形化的调试工具。

二、TF坐标变换

当然，根据我们高中学习的知识，在明确了不同坐标系之间的的相对关系，就可以实现任何坐标点在不同坐标系之间的转换，但是该计算实现是较为常用的，且算法也有点复杂，因此在 ROS 中直接封装了相关的模块: 坐标变换(TF)。

• tf:TransForm Frame,坐标变换
• 坐标系:ROS 中是通过坐标系统开标定物体的，确切的将是通过右手坐标系来标定的。 作用在 ROS 中用于实现不同坐标系之间的点或向量的转换。

1. 坐标msg消息

订阅发布模型中数据载体 msg 是一个重要实现，首先需要了解一下，在坐标转换实现中常用的 msg:geometry_msgs/TransformStamped和geometry_msgs/PointStamped
前者用于传输坐标系相关位置信息，后者用于传输某个坐标系内坐标点的信息。在坐标变换中，频繁的需要使用到坐标系的相对关系以及坐标点信息。

1. 命令行键入:rosmsg info geometry_msgs/PointStamped
   输出

std_msgs/Header header   #头信息
  uint32 seq	#序列号
  time stamp	#时间戳
  string frame_id  #我的坐标点是以哪个参考系为参考物的 所属坐标系的 id
geometry_msgs/Point point	#坐标点的坐标值
  float64 x
  float64 y
  float64 z

2. 命令行键入:rosmsg info geometry_msgs/PointStamped
   此命令是描述两个坐标系相关位置信息
   输出

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id    #参考系坐标id
string child_frame_id  #子坐标系的 id  B相对于A坐标系的关系。即B是child
geometry_msgs/Transform transform	#坐标信息
  geometry_msgs/Vector3 translation	 #偏移量
    float64 x		 #X 方向的偏移量
    float64 y		 #y 方向的偏移量
    float64 z		 #z 方向的偏移量
  geometry_msgs/Quaternion rotation	#四元数 欧拉角的另一种表现形式
    float64 x
    float64 y
    float64 z
    float64 w

2.静态坐标变换

所谓静态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是固定的。

需求描述:
现有一机器人模型，核心构成包含主体与雷达，各对应一坐标系，坐标系的原点分别位于主体与雷达的物理中心，已知雷达原点相对于主体原点位移关系如下: x 0.2 y0.0 z0.5。当前雷达检测到一障碍物，在雷达坐标系中障碍物的坐标为 (2.0 3.0 5.0),请问，该障碍物相对于主体的坐标是多少？

实现分析:
坐标系相对关系，可以通过发布方发布
订阅方，订阅到发布的坐标系相对关系，再传入坐标点信息(可以写死)，然后借助于 tf 实现坐标变换，并将结果输出

实现流程:

• 新建功能包，添加依赖
• 编写发布方实现
• 编写订阅方实现
• 执行并查看结果

1. 创建功能包
   依赖: tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs
   给予权限
   修改cmakelists
2. 发布方
   代码如下：

#! /usr/bin/env python2.7
#encoding:utf-8
from platform import python_version
print(python_version())
import rospy
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
from tf.transformations import quaternion_from_euler

"""
    发布方实现:发布两个坐标系的相对关系(车辆底盘———base_link和雷达——laser)
    流程:
        1.导包
        2.初始化ros节点
        3.创建发布对象
        4.组织被发布的数据
        5.发布数据
        6.spin()回旋函数 不使用的话,发布后就结束了
"""


if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化ros节点
    rospy.init_node("static_pub_p")

    # 3.创建发布对象
    pub = tf2_ros.StaticTransformBroadcaster()

    # 4.组织被发布的数据 描述两个坐标系相关位置信息rosmsg info geometry_msgs/TransformStamped
    ts = TransformStamped()
    # header
    ts.header.stamp = rospy.Time.now () #时间戳
    ts.header.frame_id = "base_link"#参考系坐标id，即小车底盘id
    #child frame
    ts.child_frame_id = "laser"
    #相对关系（偏移与四元数）
    ts.transform.translation.x = 2.0
    ts.transform.translation.y = 0.0
    ts.transform.translation.z = 0.5
    #先从欧拉角转换成四元数
    qtn = quaternion_from_euler(0,0,0)#雷达相对于小车的欧拉角
    #再设置四元数
    ts.transform.rotation.x = qtn[0]
    ts.transform.rotation.y = qtn[1]
    ts.transform.rotation.z = qtn[2]
    ts.transform.rotation.w = qtn[3]

    # 5.发布数据
    pub.sendTransform(ts)
    # 6.spin（）#回旋函数 不使用的话，发布后就结束了
    rospy.spin()

这里很有可能出现问题
1：ImportError: dynamic module does not define module export function (PyInit__tf2)

2：ModuleNotFoundError: No module named ‘defusedxml
3：no modle named PyKDL 等问题

其实这里是python2与3环境混乱的原因
在ros官网上有给回答：


GitHub上也给了解答，上面的解决方式是重建python，利用虚拟环境

另外也可以使用博主的方法，设置python3的软链接。
以上均为我试过，然后失败的方法。我使用的硬件是Jetson Nano，版本为Ubuntu18.04。经过尝试，也有一部分凑巧的原因，我发现导入tf_conversions是我问题的源头，于是我直接导入from tf.transformations import quaternion_from_euler并将编译环境指定成python2.7：#! /usr/bin/env python2.7
成功了，且roslaunch turtle_tf2 turtle_tf2_demo.launch亦正常运行。

3. 打开一个命令行：roscore
   再开一个命令行

cd 工作空间
source ./devel/setup.bash
rosrun tf01_static demo01_static_pub_p.py

检验方式：
第一种方式：
再开一个命令行：rostopic list
输出：

/rosout
/rosout_agg
/tf_static

rostopic echo /tf_static

输出：

transforms: 
 1. 
    header: 
      seq: 0
      stamp: 
        secs: 1656506787
        nsecs: 767760992
      frame_id: "base_link"
    child_frame_id: "laser"
    transform: 
      translation: 
        x: 2.0
        y: 0.0
        z: 0.5
      rotation: 
        x: 0.0
        y: 0.0
        z: 0.0
        w: 1.0
---

第二种方式：
打开一个命令行：rviz
选择base——link
add TF

4. 订阅方

代码如下：

#! /usr/bin/env python2.7
#encoding:utf-8
import rospy
import tf2_ros
import tf2_geometry_msgs
"""
    订阅方：订阅坐标变换消息，传输被转换的坐标点，调用转换算法

    流程：
        1.导包
        2.初始化
        3.创建订阅对象
        4.组织被转换的坐标点
        5.转换逻辑实现，调用tf封装的算法
        6.输出结果
        7.spin()

"""
if __name__ == "__main__":

    # 2.初始化
    rospy.init_node("static_sub_p")
    # 3.创建订阅对象
    #3-1创建缓存对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    #3-2创建订阅对象（将缓存存入）
    sub = tf2_ros.TransformListener(buffer)

    # 4.组织被转换的坐标点 不要使用 geometry_msgs,需要使用 tf2 内置的消息类型
    ps = tf2_geometry_msgs.PointStamped()
    ps.header.stamp = rospy.Time.now()
    ps.header.frame_id = "laser" #坐标系是雷达坐标系
    ps.point.x = 2.0
    ps.point.y = 3.0
    ps.point.z = 5.0 #障碍物在雷达坐标系下的坐标

    # 5.转换逻辑实现，调用tf封装的算法
    rate = rospy.Rate(10)#循环发送 频率是10
    while not rospy.is_shutdown():
        try:
            #转换实现
            ps_out = buffer.transform(ps,"base_link") #第一个参数：被转换的坐标点；第二个参数：转换到的坐标系
            #输出结果
            rospy.loginfo("转换后的坐标(%.2f,%.2f,%.2f),参考的坐标系:%s",
                                        ps_out.point.x,
                                        ps_out.point.y,
                                        ps_out.point.z,
                                        ps_out.header.frame_id
                                        )
        except Exception as e:
            rospy.logwarn("错误提示：%s",e)

        rate.sleep()

这里顺便记录一下玄学问题，在vscode里我的rospy.loginfo一直显示无效，在循环里。

5. 新开一个命令行：roscore

新开一个命令行：

cd workspace
source ./devel/setup.bash
rosrun tf01_static demo01_static_pub_p.py

新开一个命令行：

cd workspace
source ./devel/setup.bash
rosrun tf01_static demo02_static_sub_p.py

6. 补充
   当坐标系之间的相对位置固定时，那么所需参数也是固定的: 父系坐标名称、子级坐标系名称、x偏移量、y偏移量、z偏移量、x 翻滚角度、y俯仰角度、z偏航角度，实现逻辑相同，参数不同，那么 ROS 系统就已经封装好了专门的节点，使用方式如下:

rosrun tf2_ros static_transform_publisher x偏移量 y偏移量 z偏移量 z偏航角度 y俯仰角度 x翻滚角度 父级坐标系 子级坐标系

示例:rosrun tf2_ros static_transform_publisher 0.2 0 0.5 0 0 0 /baselink /laser

也建议使用该种方式直接实现静态坐标系相对信息发布。

3.动态坐标变换

所谓动态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是变化的。

需求描述:
启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布。

实现分析:

• 乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
• 订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
• 将 pose 信息转换成 坐标系相对信息并发布

实现流程:

• 新建功能包，添加依赖
• 创建坐标相对关系发布方(同时需要订阅乌龟位姿信息)
• 创建坐标相对关系订阅方
• 执行

1. 创建功能包
   创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim
2. 发布方
   代码如下：

#! /usr/bin/env python2.7
#encoding:utf-8
import rospy
from turtlesim.msg import Pose
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
from tf.transformations import quaternion_from_euler
"""
    发布方：订阅乌龟的位姿信息，转换成坐标系的相对关系，再发布
    准备
            话题:/turtle/pose
            类型:/turtlesim/Pose

    流程：
            1.导包
            2.初始化ROS节点
            3.创建订阅对象
            4.回调函数处理订阅到的消息（核心）
            5.spin()

"""

#回调函数：
def doPose(pose):   #参数是订阅到的消息
    #创建发布坐标系相对关系的对象
    pub = tf2_ros.TransformBroadcaster()

    #将pose转换成坐标系相对关系消息
    ts = TransformStamped()
    ts.header.frame_id = "world"    #被参考的坐标系是世界坐标系 父级坐标系
    ts.header.stamp = rospy.Time.now()
    ts.child_frame_id = "turtle1"
    
    #子级坐标系相对于父级坐标系的偏移量
    ts.transform.translation.x = pose.x
    ts.transform.translation.y = pose.y
    ts.transform.translation.z = 0 #2D 没有z轴

    # 四元数
    #从欧拉角转换四元数
    """
        乌龟是2D的，不存在x上的翻滚，y上的俯仰，只有z上的偏航
        欧拉角：0 0 pose.theta
    """
    qtn = quaternion_from_euler(0,0,pose.theta)
    ts.transform.rotation.x = qtn[0]
    ts.transform.rotation.y = qtn[1]
    ts.transform.rotation.z = qtn[2]
    ts.transform.rotation.w = qtn[3]

    #发布
    pub.sendTransform(ts)

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化ROS节点
    rospy.init_node("dynamic_pub_p")

    # 3.创建订阅对象
    sub = rospy.Subscriber("/turtle1/pose",Pose,doPose,queue_size=100)    #name话题名称, data_class消息类型, callback=None回调函数, queue_size=None队列长度

    # 4.回调函数处理订阅到的消息（核心）
    # 5.spin()
    rospy.spin()

打开一个命令行：roscore
打开一个命令行：rosrun turtlesim turtlesim_node
打开一个命令行：rosrun turtlesim turtle_teleop_key
打开一个命令行：

cd工作空间
source ./devel/setup.bash 
rosrun tf02_dynamic demo01_dynamic_pub_p.py 

打开一个命令行：rviz

3. 订阅方
   代码如下：

#! /usr/bin/env python2.7
#encoding:utf-8
import rospy
import tf2_ros
import tf2_geometry_msgs
"""
    订阅方：订阅坐标变换消息，传输被转换的坐标点，调用转换算法

    流程：
        1.导包
        2.初始化
        3.创建订阅对象
        4.组织被转换的坐标点
        5.转换逻辑实现，调用tf封装的算法
        6.输出结果

"""
if __name__ == "__main__":

    # 2.初始化
    rospy.init_node("static_sub_p")
    # 3.创建订阅对象
    #3-1创建缓存对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    #3-2创建订阅对象（将缓存存入）
    sub = tf2_ros.TransformListener(buffer)

    # 4.组织被转换的坐标点 不要使用 geometry_msgs,需要使用 tf2 内置的消息类型
    ps = tf2_geometry_msgs.PointStamped()
    #时间戳 --0
    ps.header.stamp = rospy.Time()  #不设置时间
    ps.header.frame_id = "turtle1" #坐标系是乌龟坐标系
    ps.point.x = 2.0
    ps.point.y = 3.0
    ps.point.z = 5.0 #障碍物在雷达坐标系下的坐标

    # 5.转换逻辑实现，调用tf封装的算法
    rate = rospy.Rate(10)#循环发送 频率是10
    while not rospy.is_shutdown():
        try:
            #转换实现
            ps_out = buffer.transform(ps,"world") #第一个参数：被转换的坐标点；第二个参数：转换到的坐标系
            #输出结果
            rospy.loginfo("转换后的坐标(%.2f,%.2f,%.2f),参考的坐标系:%s",
                                        ps_out.point.x,
                                        ps_out.point.y,
                                        ps_out.point.z,
                                        ps_out.header.frame_id
                                        )
        except Exception as e:
            rospy.logwarn("错误提示：%s",e)

        rate.sleep()

这里需要注意，不设置now时间，以免时间异常报错
打开一个命令行：roscore
打开一个命令行：rosrun turtlesim turtlesim_node
打开一个命令行：rosrun turtlesim turtle_teleop_key
打开一个命令行：

cd工作空间
source ./devel/setup.bash 
rosrun tf02_dynamic demo01_dynamic_pub_p.py 

打开一个命令行：

cd工作空间
source ./devel/setup.bash
rosrun tf02_dynamic demo02_dynamic_sub_p.py

4.多坐标变换

需求描述:
现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，求 son1原点在 son2中的坐标，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标

实现分析:

• 首先，需要发布 son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的坐标消息
• 然后，需要订阅坐标发布消息，并取出订阅的消息，借助于 tf2 实现 son1 和 son2 的转换
• 最后，还要实现坐标点的转换

实现流程:

• 新建功能包，添加依赖
• 创建坐标相对关系发布方(需要发布两个坐标相对关系)
• 创建坐标相对关系订阅方
• 执行

1. 创建功能包
   创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs
2. 发布方
   为了方便，使用静态坐标变换发布，采用launch文件
   代码如下：

<launch>
    
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="son1" args="5 0 0 0 0 0 /world /son1" output = "screen" />
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="son2" args="3 0 0 0 0 0 /world /son2" output = "screen" />

launch>

打开一个命令行：

cd workspace
source ./devel/setup.bash
roslaunch tf03_tfs tfs_c.launch

打开一个命令行：rviz

3. 订阅方
   代码如下：

#! /usr/bin/env python2.7
#encoding:utf-8
from gettext import translation
from cv2 import transform
import rospy
import tf2_ros
import tf2_geometry_msgs
from geometry_msgs.msg import TransformStamped

if __name__ == "__main__":

    # 2.初始化
    rospy.init_node("frame_sub_p")
    # 3.创建订阅对象
    #3-1创建缓存对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    #3-2创建订阅对象（将缓存存入）
    sub = tf2_ros.TransformListener(buffer)

    # 4.组织被转换的坐标点 不要使用 geometry_msgs,需要使用 tf2 内置的消息类型
    ps = tf2_geometry_msgs.PointStamped()
    #时间戳 --0
    ps.header.stamp = rospy.Time()  #不设置时间
    ps.header.frame_id = "son1" #坐标系是son1坐标系
    ps.point.x = 1.0
    ps.point.y = 2.0
    ps.point.z = 3.0 #障碍物在son1坐标系下的坐标

    # 5.转换逻辑实现，调用tf封装的算法
    rate = rospy.Rate(10)#循环发送 频率是10
    while not rospy.is_shutdown():
        try:
            #核心：计算son1相对于son2的坐标关系
            ts = buffer.lookup_transform("son2","son1",rospy.Time(0))   #target_frame: 目标坐标系, source_frame: 原坐标系, time: 0 即时间间隔最近的关系 返回值：son1与son2的坐标系关系
            rospy.loginfo("父级坐标系:%s,子级坐标系:%s,偏移量(%.2f,%.2f,%.2f)",
                                        ts.header.frame_id,
                                        ts.child_frame_id,
                                        ts.transform.translation.x,
                                        ts.transform.translation.y,
                                        ts.transform.translation.z
                                        )
            #转换实现
            ps_out = buffer.transform(ps,"son2") #第一个参数：被转换的坐标点；第二个参数：转换到的坐标系
            #输出结果
            rospy.loginfo("转换后的坐标(%.2f,%.2f,%.2f),参考的坐标系:%s",
                                        ps_out.point.x,
                                        ps_out.point.y,
                                        ps_out.point.z,
                                        ps_out.header.frame_id
                                        )
        except Exception as e:
            rospy.logwarn("错误提示：%s",e)

        rate.sleep()

打开一个命令行：

cd workspace
source ./devel/setup.bash
roslaunch tf03_tfs tfs_c.launch

打开一个命令行：rviz

打开一个命令行：

cd workspace
source ./devel/setup.bash
rosrun tf03_tfs demo01_tfs_p.py

5.坐标系关系查看

在机器人系统中，涉及的坐标系有多个，为了方便查看，ros 提供了专门的工具，可以用于生成显示坐标系关系的 pdf 文件，该文件包含树形结构的坐标系图谱。

首先调用rospack find tf2_tools查看是否包含该功能包，如果没有，请使用如下命令安装:
注意我的版本是ubuntu18.04，ros版本是melodic
采用以下命令安装：sudo apt install ros-melodic-tf2-tools

打开一个命令行：

cd workspace
source ./devel/setup.bash
roslaunch tf03_tfs tfs_c.launch

打开一个命令行：rosrun tf2_tools view_frames.py
输出

[INFO] [1656589364.526404]: Listening to tf data during 5 seconds...
[INFO] [1656589369.567883]: Generating graph in frames.pdf file...

会在当前路径下生成pdf文件
输入evince frames.pdf即可查看

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单记录了TF坐标变换，如果有问题请在博客下留言或者咨询邮箱：layraliu@foxmail.com。