SLAM+語音機器人DIY系列：（二）ROS入門——7.理解tf的原理

這些坐標系之間的關系有些是靜態的、有些是動態的。比如當機器人底盤移動的過程中，機器人底盤與世界的相對關系map->base_footprint就會隨之變化；而安裝在機器人底盤上的激光雷達、imu這些傳感器與機器人底盤的相對關系base_footprint->base_laser_link、base_footprint->imu_link就不會隨之變化。其實，這個很好理解。

如圖25中，map->base_footprint會隨着底盤的移動而變化，即動態坐標系關系。

（圖25）動態坐標系關系

如圖26中，base_footprint->base_laser_link、base_footprint->imu_link不會隨着底盤的移動而變化，即靜態坐標系關系。

（圖26）靜態坐標系關系

（2）機器人坐標關系工具tf

由於坐標及坐標轉換在機器人系統中非常重要，特別是機器人在環境地圖中自主定位和導航、機械手臂對物體進行復雜的抓取任務，都需要精確的知道機器人各部件之間的相對位置及機器人在工作環境中的相對位置。因此ROS專門提供了tf這個工具用於簡化這些工作。

tf可以讓用戶隨時跟蹤多個坐標系的關系，機器人各個坐標系之間的關系是通過一種樹型數據結構來存儲和維護的，即tf tree。借助這個tf tree，用戶可以在任意時間將點、向量等數據的坐標在兩個坐標系中完成坐標值變換。

如圖27，為一個自主導航機器人的tf tree結構圖。圓圈中是坐標系的名稱，箭頭表示兩個坐標系之間的關系，箭頭上會顯示該坐標關系的發布者、發布速率、時間戳等信息。

（圖27）一個自主導航機器人的tf tree結構圖

（3）使用tf

使用tf分為兩個部分，廣播tf變換、監聽tf變換。

廣播tf變換：

ROS網絡中的節點可以向系統廣播坐標系之間的變換關系。比如負責機器人全局定位的amcl節點會廣播map->odom的變換關系，負責機器人局部定位的輪式里程計計算節點會廣播odom->base_footprint的變換關系，機器人底盤上安裝的傳感器與底盤的變換關系可以通過urdf機器人模型進行廣播（urdf將在后面實際機器人中進行講解）。每個節點的廣播都可以直接將變換關系插入tf tree，不需要進行同步。通過多個節點廣播坐標變換的關系，便可以實現tf tree的動態維護。

關於廣播tf變換的具體程序實現，請直接參考ROS官方教程http://wiki.ros.org/tf/Tutorials

監聽tf變換：

ROS網絡中的節點可以從系統監聽坐標系之間的變換關系，並從中查詢所需要的坐標變換。比如要知道機器人底盤當前在柵格地圖坐標系下的什么地方，就可以通過監聽map->base_footprint來實現，比如要知道機器人底盤坐標系上的某個坐標點在世界坐標系下的坐標是多少，就可以通過監聽map->base_footprint，並通過map->base_footprint這個變換查詢出變換后的坐標點取值。

關於監聽tf變換的具體程序實現，請直接參考ROS官方教程http://wiki.ros.org/tf/Tutorials