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TF坐标变换的学习

2023-05-16

官方教程：http://wiki.ros.org/tf/

ROS中的很多软件包都需要机器人发布tf变换树，那么什么是tf变换树呢？抽象的来讲，一棵tf变换树定义了不同坐标系之间的平移与旋转变换关系。具体来说，我们假设有一个机器人，包括一个机器人移动平台和一个安装在平台之上的激光雷达，以这个机器人为例，定义两个坐标系，一个坐标系以机器人移动平台的中心为原点，称为base_link参考系，另一个坐标系以激光雷达的中心为原点，称为base_laser参考系。

        假设在机器人运行过程中，激光雷达可以采集到距离前方障碍物的数据，这些数据当然是以激光雷达为原点的测量值，换句话说，也就是base_laser参考系下的测量值。现在，如果我们想使用这些数据帮助机器人完成避障功能，当然，由于激光雷达在机器人之上，直接使用这些数据不会产生太大的问题，但是激光雷达并不在机器人的中心之上，在极度要求较高的系统中，会始终存在一个雷达与机器人中心的偏差值。这个时候，如果我们采用一种坐标变换，将及激光数据从base_laser参考系变换到base_link参考下，问题不就解决了么。这里我们就需要定义这两个坐标系之间的变换关系。

         为了定义这个变换关系，假设我们已知激光雷达安装的位置在机器人的中心点上方20cm，前方10cm处。这就根据这些数据，就足以定义这两个参考系之间的变换关系：当我们获取激光数据后，采用(x: 0.1m, y: 0.0m, z: 0.2m)的坐标变换，就可以将数据从base_laser参考系变换到base_link参考系了。当然，如果要方向变化，采用(x: -0.1m, y: 0.0m, z: -0.20m)的变换即可。

        从上边的示例看来，参考系之间的坐标变换好像并不复杂，但是在复杂的系统中，存在的参考系可能远远大于两个，如果我们都使用这种手动的方式进行变换，估计很快你就会被繁杂的坐标关系搞蒙了。ROS提供的tf变换就是为解决这个问题而生的，tf功能包提供了存储、计算不同数据在不同参考系之间变换的功能，我们只需要告诉tf树这些参考系之间的变换公式即可，这颗tf树就可以树的数据结构，管理我们所需要的参考系变换。

image

       还是以上边的示例为基础，为了定义和存储base_link和base_laser两个参考系之间的关系，我们需要将他们添加到tf树中。从树的概念上来讲，tf树中的每个节点都对应一个参考系，而节点之间的边对应于参考系之间的变换关系。tf就是使用这样的树结构，保证每两个参考系之间只有一种遍历方式，而且所有变换关系，都是母节点到子节点的变换。

        为了定义上边示例中的参考系，我们需要定义两个节点，一个对应于base_link参考系，一个对应于base_laser参考系。为了创建两个节点之间的边，我们首先需要决定哪一个节点作为母节点，哪一个节点作为子节点，这一点在tf树中是非常重要的。这里我们选择base_link作为母节点，这样会方便后边为机器人添加更多的传感器作为子节点。所以，根据之前的分析，从base_link节点到base_laser节点的变换关系为(x: 0.1m, y: 0.0m, z: 0.2m)。设置完毕后，我们就可以通过调用tf库，直接完成base_laser参考系到base_link参考系的数据坐标变换了。


为什么机器人运动需要进行坐标变换？

举个简单的例子：我们每一个人都是机器人，然后我们每一个机器人所处的坐标系称之为大世界坐标系，也就是world坐标系。在world坐标系下有许许多多的物体，它们都具有相对坐标系。

我是机器人，我有自己的坐标系，我以自己的视觉去感知这个世界！机器人的坐标系即base_link坐标系(机器人的基体坐标系)，odom坐标系即里程计坐标系(可以粗俗的理解为机器人的双腿坐标系)，map坐标系即固定坐标系(一般为机器人所处的大世界为同一个坐标系),base_laser坐标系即为传感器坐标系(激光雷达坐标系/深度相机等)，因为在这里我只是采用了激光雷达这唯一传感器。以此类推仿人机器人全身上下有很多个坐标系，头有他自己的坐标系，手，肘，双脚也有独立的坐标系等等，所以，轮式机器人可以说是应用相对比较简单，广泛的。

base_link :寓意为机器人的基体坐标系，与机器人的中心点重合，即市面上轮式机器人，那么它的坐标系原点就与中心点重合。

base_laser :粗略称为传感器坐标系，例如激光雷达传感器摆放在机器人中心点的上方，那么它的TF变化就会相对于随意摆放时更简单，只需要对Z进行变换就可以得到base_laser坐标系。

odme:里程计坐标系，机器人的双腿，因为是轮式机器人，所以我把机器人的两个轮子装在与机器人基座上，使其odme = base_link，这样在我们进行TF变换时会方便许多。

map:地图坐标系，顾名思义，一般设该坐标系为固定坐标系（fixed frame），一般与机器人所在的世界坐标系一致。
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作者：zhu751191958 
来源：CSDN 
原文：https://blog.csdn.net/zhu751191958/article/details/79005557 
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