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ROS 學習系列 -- RViz中移動機器人來學習 URDF,TF,base_link, map,odom和odom 主題的關系

 海漩渦 2016-10-09

轉：http://blog.csdn.net/akunainiannian/article/details/45103519

2015-04-17 23:08 4417人閱讀 評論(2) 收藏 舉報
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前面已經(jīng)介紹了如何使用URDF建造機器人小車并顯示在Rviz的仿真環(huán)境里面，但是小車是靜止的。下面介紹如何讓它在Rviz里面動起來,，并理清URDF,TF 和 odom 的關系,。

1. ROS中base_link, odom, fixed_frame, target_frame和虛擬大地圖map的關系

一般在urdf文件中都要定義base_link，它代表了機器人的主干,，其它所有的frame都是相對于base_link定義并粘在一起的,。它們一起相對于大地圖map移動，讓機器人移動就是向tf發(fā)布 geometry_msgs::TransformStamped 消息通知ros  base_linke相對于map的tf轉換關系,。先看一下這幾個概念在ros中的定義：

map

map是虛擬世界中的固定frame, 它的Z軸指向正上方,，也就是天空。一個時間點上移動機器人的姿態(tài)相對于map不應該出現(xiàn)明顯的漂移,。如果一個map是不連續(xù)穩(wěn)定的那就意味著機器人的位置在任何一個時間點上都會是變化的,。

一般激光地位儀等設備會連續(xù)的計算map的位置因而造成它的不穩(wěn)定性，這也使它不能成為一個好的參照體frame.


odom

odom是一個很好的固定世界參照frame.機器人的姿態(tài)相對odom而言是隨時間是經(jīng)?？勺?，所以在長遠中它不是一個好的全局參照系。但在某一時間點而言它相對機器人的位置是不變的,。

典型的 odom frame 是通過運動源來計算出來的, 例如輪子運動,，視覺偏移等.

odom frame 的準確性使它在局部參照系中是很有用的。但是不適合作全局參照frame.

base_link

base_link參照系緊緊粘在移動機器人基座上的任何一個位置和角度,。

各個Frames的關系

frame之間是按樹狀結構組織的,。所以每個frame只有一個父節(jié)點和任意多個子節(jié)點。 上述幾個frame的關系:

map --> odom --> base_link

Frame Authorities

odom到base_link的坐標轉換是從運動源計算出來廣播的,。

map到base_link的坐標轉換是被定位模塊計算出來的. 但定位模塊并不發(fā)布map到base_link的轉換. 相反它先接受從odom到base_link的轉換, 再計算并廣播map到odom的位置轉換關系,。

fixed_frame

RViz中認定的大世界就是fixed_frame

target_frame

Rviz中視覺跟蹤的frame是 target_frame


2. RViz如何動態(tài)確定各個frame之間的坐標轉換

先看一下啟動RViz的launch文件，里面定要了服務于RViz的參數(shù)和node

  1. <launch>  
  2.     <arg name="model" />  
  3.     <arg name="gui" default="False" />  
  4.     <param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />  
  5.     <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>  
  6.     <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />  
  7.     <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />  
  8.     <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find sp1s)/urdf.rviz" required="true" />  
  9. </launch>  
"robot_description" 參數(shù)定義了urdf文件的路徑,，它被 robot_state_publisher節(jié)點使用,。該節(jié)點解析urdf文件后將各個frame的狀態(tài)發(fā)布給tf. 因此在rviz里面就看到各個frame(link)之間的tf轉換顯示OK.否則會顯示warning.


"joint_state_publisher"節(jié)點獲取urdf里面定義的rotate link并發(fā)布坐標轉換給tf.否則會顯示warning. 注意:"joint_state_publisher" 是Python寫的，只支持ascii編碼,，不支持Unicode,，如果發(fā)現(xiàn)RViz報告下面錯誤：

"No transform from [front_left] to [base_link]"

那就是因為urdf文件是Unicode編碼的。

3. geometry_msgs/TransformStamped 消息的作用和機構

geometry_msgs/TransformStamped  就是通知ROS 兩個frame之間的tf轉換關系,。當兩個frame之間關系經(jīng)常變化,，如輪子移動，手臂關節(jié)移動等,，則需要編寫node來實時發(fā)布,。查看該消息結構：

  1. <span style="font-size:18px;">rosmsg show -r geometry_msgs/TransformStamped  
  2. # This expresses a transform from coordinate frame header.frame_id  
  3. # to the coordinate frame child_frame_id  
  4. #  
  5. # This message is mostly used by the   
  6. # <a href="http://www./wiki/tf">tf</a> package.   
  7. # See its documentation for more information.  
  8.   
  9. Header header  
  10. string child_frame_id # the frame id of the child frame  
  11. Transform <strong><span style="color:#FF0000;">transform</span></strong>  
  12.   
  13. </span>  
Transform其中transform就是我們關心的 tf 轉換關系，child_frame_id是"base_link", header.frame_id 則是'odom'. 查看geometry_msgs/transform：

  1. rosmsg show -r geometry_msgs/Transform  
  2. # This represents the transform between two coordinate frames in free space.  
  3.   
  4. Vector3 <strong><span style="color:#FF0000;">translation</span></strong>  
  5. Quaternion rotation  
  6.   
  7. rosmsg show -r Vector3  
  8. [geometry_msgs/Vector3]:  
  9. # This represents a vector in free space.   
  10.   
  11. float64 x  
  12. float64 y  
  13. float64 z   
這里的x, y, z 就定義了兩個frame的tf轉換關系,。

4. RViz中如何定義 base_link 和 odom 之間的 tf 坐標轉換

要移動機器人,，就需要向tf發(fā)布geometry_msgs/TransformStamped 消息通知ros  base_linke相對于map的tf轉換關系，也就是說告訴ROS運動的base_link相對于不動的odom位置偏移,。這里的odom frame并不能定義在urdf文件里面,，它是一個虛擬的,。我們只需要RViz知道fixed_frame就是odom就可以了。所以在urdf.rviz文件中這樣定義虛擬odom：

  1. <span style="font-size:18px;">Global Options:  
  2.     Background Color: 48; 48; 48  
  3.     Fixed Frame: <strong><span style="color:#FF0000;">/odom</span></strong>  
  4.     Target Frame: <Fixed Frame>  
  5.     Frame Rate: 30</span>  

如果現(xiàn)在啟動 ＲＶiz來觀察機器人：

  1. <span style="font-size:18px;">roslaunch sp1s display.launch model:=urdf/sp1s.urdf </span>  
肯定會得到錯誤警告,，而且RViz中無法顯示完整的機器人：

"No transform from [odom] to [base_link]"

這個錯誤很容易理解,，沒有任何地方定義odom和base_link之間的tf關系，他們之間是連續(xù)變化的,，我們當然不能在任何地方寫固定偏移量定義tf transform.


但是我們可以寫一個node來不斷的發(fā)送geometry_msgs/TransformStamped消息,。被發(fā)送對象就是tf。 ROS官方有個實例完整代碼如何發(fā)布odom到base_link的變換,，代碼實例直接拷貝并在本地編譯,。這個例子不斷向odom主題發(fā)送消息更改odom與base_link之間的位移，位移的軌跡就是一個圓周,。這個node名字叫 odom_publisher. 它其實做了兩件事情：

1. 向 tf 發(fā)送geometry_msgs/TransformStamped 消息, 就是讓機器人運動起來,。

2. 向odom主題發(fā)送nav_msgs/Odometry導航消息，報告角速度,，線速度和巡航角度,。這部分代碼相對本文來講不是必須的。


同"joint_state_publisher" node一樣,，“ odom_publisher”需要在RViz啟動之前啟動，添加它的啟動項,。修改后的dispaly.launch文件：

  1. <launch>  
  2. <arg name="model" />  
  3. <arg name="gui" default="False" />  
  4. <param name="robot_description" textfile="$(arg model)" />  
  5. <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>  
  6.        <strong><span style="color:#FF0000;"><node name="odom_publisher" pkg="sp1s" type="odom_publisher" /></span></strong>  
  7.        <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />  
  8. <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />  
  9. <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz"  args="-d  $(find sp1s)/urdf.rviz" required="true"/>  
  10. lt;/launch></span>  

再次打開RViz:
  1. roslaunch sp1s display.launch model:=urdf/sp1s.urdf   

這次就看到機器人在地圖空間中做規(guī)則的圓周運動了! 因為RViz收到了odom_publisher向tf發(fā)送的坐標轉換內(nèi)容,。


4. RViz中觀察移動軌跡

“ odom_publisher”中還向 odom主題發(fā)布了nav_msgs/Odometry導航消息，這樣就可以在RViz中顯示運動軌跡了,。在RViz中點擊 'add',，選中Odometry,配置該dispaly的topic為 "odom" 就可以看到不斷變化的運動軌跡了。這是因為nav_msgs/Odometry中包含了線速度,，角速度和巡航角度,，所以RViz可以顯示出來。


5.odom frame和 odom  topic

這兩個完全是不同的東西,，很容易混淆,。一個是地圖上的一個參照系，一個是topic用來接收導航輸入的,。名字一樣,，純屬巧合！

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