《 无人驾驶原理与实践》一2.9.3TF坐标转换系统

2.9.3TF坐标转换系统

       TF是一个坐标转换工具包，它可以随时间跟踪ROS下的多个参考系。借助TF，我们可以在任意时间将数据的点、向量坐标在两个参考系中完成坐标变换。一个机器人系统通常有很多三维参考系，而且会随着时间的推移发生变化，如全局参考系（World Frame）、机器人中心参考系（Base Frame）、机械手参考系（Gripper Frame）、机器人头参考系（Head Frame）等。TF也可以以时间为轴，跟踪这些参考系，并且允许用户提出如下请求：
     ◆    5秒之前，机器人头参考系相对于全局参考系的关系是什么样的？
     ◆    机器人夹取的物体相对于机器人中心参考系的位置在哪里？
     ◆    机器人中心参考系相对于全局参考系的位置在哪里？
       TF实际是通过发布者/订阅者机制在主题tf和tf_static上实现的，如图215所示。
总体来讲TF的使用方法分为以下两类：

       1）监听TF变换，接收并缓存系统中发布的所有参考系变换，并从中查询所需要的参考系变换。
       2）广播TF变换，向系统中广播参考系之间的坐标变换关系。系统中更可能存在多个不同部分的TF变换广播，每个广播都可以直接将参考系变换关系直接插入一个树状结构中（我们称之为tf树），可以使用rosrun tf view_frames将TF转换树数据以PDF的形式导出并可视化。图216是导出后的Husky机器人的TF数据。

       此外，Rviz也提供了TF转换的3D显示插件。图217是Husky机器人的各个参考系可视化结果。
图217Rviz下机器人的各个参考系可视化结果

2.9.4URDF和SDF
       URDF全称为Unified Robot Description Format（统一机器人描述格式），是一种用于描述机器人模型的XML语法，具体来说这里的机器人模型包含：
     ▲    运动学模型和动力学模型
     ▲    可视化表示
     ▲    碰撞模型
       URDF的生成通过ROS自带的宏语言xacro来完成，它被存储在/robot_description参数服务器中，通过查看Husky机器人的launch文件，在husky_empty_worldlaunch文件中引用了spawn_huskylaunch启动文件，它赋予Husky机器人3个参数（其中kinect_enabled参数的作用是启用Husky机器人的URDF中的运动学模型）。在spawn_huskylaunch启动文件中，通过如下参数启用机器人模型（URDF）。

       同样，URDF也可以通过Rviz进行可视化，其显示插件为RobotModel。根据实际应用可以自定义机器人模型，在无人车研发中即为车辆模型。这些车辆模型还需要符合一些运动学和动力学要求，并具备碰撞特征等。
       除了能够自定义车辆模型的描述（即URDF）以外，ROS还提供了模拟描述格式（Simulation Description Format, SDF）。该描述格式也采用了XML语法进行描述定义，包含环境的描述（光线、引力等），以及环境中的静态和动态对象、传感器、机器人等。SDF是Gazebo模拟器的标准描述语法。此外，Gazebo能够自动将URDF转换成SDF。

2.10本章参考文献

［1］ROS［EB/OL］. http://wwwrosorg/

［2］机器人操作系统［EB/OL］. https://zhwikipediaorg/wiki/%E6%A9%9F%E5%99%A8%E4%BA%BA%E4%BD%9C%E6%A5%AD%E7%B3%BB%E7%B5%B1

［3］机器人操作系统［EB/OL］. https://baikebaiducom/item/ros/4710560?fr=aladdin

［4］ROS ［EB/OL］. http://wikirosorg/ROS

［5］Husky机器人［EB/OL］. https://wwwclearpathroboticscom/huskyunmannedgroundvehiclerobot/

［6］About ROS ［EB/OL］.  http://wwwrosorg/aboutros/

［7］远程过程调用［EB/OL］. https://enwikipediaorg/wiki/Remote_procedure_call

［8］OMGData Distribution Service for Realtime systems［EB/OL］.https://download.csdn.net/download/u013708469/6938295.2007.
［9］Gazebo模拟器［EB/OL］. http://gazebosimorg/