08 · TF2 坐标变换

目标

发布静态外参 base_link → sensor_link，并用 listener 查询相对位姿。

概念

机器人上每个传感器、连杆都有坐标系（frame）。TF2 维护这些坐标系之间的变换树。

base_link ──(固定外参)──► sensor_link

名词	含义
frame_id	父坐标系
child_frame_id	子坐标系
Static TF	相对位姿不变（如传感器安装位置）
Dynamic TF	随时间变（如轮式里程计）

本课：传感器在车体前方 0.2 m、上方 0.1 m。

通俗理解

TF 回答的是：“这个零件相对那个零件，在空间里偏了多少、转了多少？”

车上每个传感器、轮子、雷达都有自己的坐标系。若不知道激光相对车体装在哪，就无法把激光点变到地图上。TF2 维护这棵“坐标系树”。

本课是静态外参（螺丝拧死的安装位置）：base_link → sensor_link 固定为前方 0.2 m、上方 0.1 m。轮子滚动带来的位姿变化属于动态 TF，以后里程计/定位会发。

逐步推导：静态外参怎样写成齐次变换，lookup 在求什么（点击展开）

传感器相对车体：沿车头 $x=0.2\mathrm{m}$、向上 $z=0.1\mathrm{m}$，无旋转。齐次变换（与 运动学 同一套）

$$T_{\mathrm{base}}^{\mathrm{sensor}}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0.2\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0.1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right).$$

点在传感器系是 $p_s$，变到车体系 $p_b=R{p}_s+t$。TF2 存的是带时间戳的树：lookup base_link←sensor_link 就是查这条边（或链上多边连乘）。静态 TF 走 /tf_static，不随时间变。动态里程计每拍更新 odom→base_link。名字写错或 broadcaster 未起，lookup 就说 frame 不存在——不是数学错了，是树没接上。

常见疑问

Q：TF 是一种 Topic 吗？
底层会通过 /tf、/tf_static 等话题传，但你通常用 TF API（broadcast/lookup），而不是自己解析原始消息。

Q：和 URDF 什么关系？
URDF 描述机器人结构；robot_state_publisher 会根据 URDF（和关节角）自动发很多 TF。本课是手写静态 TF，帮助先建立直觉。

Q：lookup 报 frame 不存在？
多半是 broadcaster 还没起来，或父子坐标系名字写错。先让 broadcaster 稳定跑着再 lookup。

Q：为什么要学这个？
几乎所有导航、感知、标定都依赖 TF。不懂 TF，后面仿真和 Nav2 会很懵。

动手

source /opt/ros/humble/setup.bash
source $ROS_WS/install/setup.bash

终端 A：

ros2 run py_learning tf_broadcaster

终端 B：

ros2 run py_learning tf_listener

应看到：x=0.20 y=0.00 z=0.10。

也可：

ros2 run tf2_ros tf2_echo base_link sensor_link
ros2 run tf2_tools view_frames   # 生成 frames.pdf（需 graphviz）

关键命令

ros2 run tf2_ros tf2_echo base_link sensor_link
ros2 topic echo /tf_static --once

对照代码

文件	作用
tf_broadcaster.py	静态 TF 发布
tf_listener.py	查询变换

小练习

1. 把传感器改到左侧（y=0.15），重新 build 观察 listener。
2. 在 RViz 里加 TF 显示（Fixed Frame = base_link）。

验证标准（给学员与 AI）

• [ ] tf_broadcaster 显示已发布静态 TF
• [ ] tf_listener 打印约 x=0.20 y=0.00 z=0.10
• [ ] 或 ros2 run tf2_ros tf2_echo base_link sensor_link 有输出

失败时：broadcaster 需先于 listener 稳定运行。

小结

• TF = 机器人的“空间关系说明书”。
• 先搞懂静态外参，再学动态里程计 TF。
• 下一课：09 · cmd_vel