012.TF系统与里程计在激光雷达的应用

1. TF系统

TF（Transform Framework）系统是ROS（机器人操作系统）中的一个库，用于处理和管理机器人坐标系之间的变换关系。它允许用户在不同的坐标框架中进行位置和姿态的转换，支持实时的坐标变换查询。TF系统通过维护变换树，确保可以在任意时间查询任意两个坐标系之间的关系，从而简化了多传感器数据融合、导航和控制等任务的实现。

roslaunch wpr_simulation wpb_hector.launch

##container##

包: https://index.ros.org/p/tf2_msgs/github-ros-geometry2/#noetic

1.1 消息包格式

TF消息通常使用以下数据包格式来表示坐标变换。主要的数据类型是 geometry_msgs/TransformStamped 和 tf2_msgs/TFMessage。

geometry_msgs/TransformStamped:
- header: 消息的时间戳和坐标框架ID。
  - seq: 消息序列号。
  - stamp: 时间戳。
  - frame_id: 父坐标系的ID。
- child_frame_id: 子坐标系的ID。
- transform: 包含变换信息的结构体。
  - translation: 表示平移的向量。
    - x: x轴的平移量。
    - y: y轴的平移量。
    - z: z轴的平移量。
  - rotation: 表示旋转的四元数。
    - x: 四元数x分量。
    - y: 四元数y分量。
    - z: 四元数z分量。
    - w: 四元数w分量。
tf2_msgs/TFMessage:
- transforms: 由多个TransformStamped组成的数组，表示一系列的坐标变换。

以下是一个简单的TF消息示例：

header:
  seq: 1
  stamp: 
    secs: 1633641000
    nsecs: 0
  frame_id: "base_link"
child_frame_id: "camera_link"
transform:
  translation:
    x: 0.1
    y: 0.0
    z: 0.5
  rotation:
    x: 0.0
    y: 0.0
    z: 0.0
    w: 1.0
plaintext

这种格式使得机器人能够实时地维护和查询不同坐标系之间的关系。

1.2 查看TF树

rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

##container##

TF树

2. 里程计

运行这个:

roslaunch wpr_simulation wpb_corridor_hector.launch

##container##

因为墙壁过于平滑(没有特征), 因此这种建图方式无法正确运用

现在我们尝试一种新的建图方式:

roslaunch wpr_simulation wpb_corridor_gmapping.launch

发现这样就正常了!

这是因为Gmapping使用了里程计, 虽然四周的内容没有发生变化(没有特别的参照物), 但是我们可以确定我们的轮子是在动的! 这样就可以通过一些数学上的算法 (时间 / 轮子转速 / 轮子周长) 来计算出移动的距离, 以辅助雷达扫描. (为什么是辅助呢? 是因为轮子也会由于某些不可抗力因素打滑什么的)

更深层次的, 从TF上讨论它们的区别的, 请看 https://www.bilibili.com/video/BV1ih4y177QK/ (后半)

3. 如何使用Gmapping进行SLAM建图

包: https://index.ros.org/p/gmapping/github-ros-perception-slam_gmapping/#noetic

使用Gmappin的先决条件:

雷达坐标系名称 -> base_link
base_link -> odom
/scan (话题)

3.1 确认是否满足使用Gmapping的条件

启动一个新的环境:

roslaunch wpr_simulation wpb_stage_robocup.launch

输入:

rostopic list 

# 发现存在 `/scan`
sh

查看/scan内容, 确认雷达坐标系名称:

rostopic echo /scan --noarray

header:
  seq: 2485
  stamp:
    secs: 516
    nsecs: 807000000
  frame_id: "laser" # 发现 雷达坐标系名称
angle_min: -3.141590118408203
angle_max: 3.141590118408203
angle_increment: 0.017501894384622574
time_increment: 0.0
scan_time: 0.0
range_min: 0.23999999463558197
range_max: 6.0
sh

rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree查看:

##container##

ok:

雷达坐标系名称("laser") -> base_link
base_link -> odom

3.2 启动Gmapping

rosrun gmapping slam_gmapping

启动 rviz:

rviz rviz

使用键盘控制机器人:

rosrun wpr_simulation keyboard_vel_ctrl

##container##

完成

4. 编写launch文件, 一键启动Gmapping建图

在之前的slam_pkg包下, 继续创建gmapping.launch配置文件:

<launch>
    <include file="$(find wpr_simulation)/launch/wpb_stage_robocup.launch"/>

    <node pkg="gmapping" type="slam_gmapping" name="slam_gmapping" output="screen"/>
    
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find slam_pkg)/rviz/slam.rviz"/>
    
    <node pkg="wpr_simulation" type="keyboard_vel_ctrl" name="keyboard_vel_ctrl"/>
</launch>
xml