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修改时间:2026.1.26

参与者:刘志钰

ROS2 常用开发工具

在机器人的开发过程中，坐标变换非常重要且不好处理，ROS 2 就基于话题通信设计了一套库和工具，用于管理机器人坐标变换。

1. 坐标变换工具介绍（TF)

(1) 通过命令行使用 TF

我们可以使用 static_transform_publisher 来发布两个坐标系之间的静态变换：

ros2 run tf2_ros static_transform_publisher --x 0.1 --y 0.0 --z 0.2 --roll 0.0 --pitch 0.0 --yaw 0.0 --frame-id base_link --child-frame-id base_laser

参数详解：

  • --x 0.1 --y 0.0 --z 0.2：指定 base_link 到 base_laser 的平移量。其中 x、y、z 分别代表子坐标系在父坐标系下的 x、y、z 坐标轴上的平移距离，单位为 m。
  • --roll 0.0 --pitch 0.0 --yaw 0.0：指定子坐标系相对于父坐标系的旋转量。roll、pitch、yaw 分别代表绕子坐标系的 x、y、z 轴旋转的欧拉角，单位为 rad。
  • --frame-id 和 --child-frame-id：分别用于指定父坐标系和子坐标系的名称。

除了四元数和欧拉角，还有其他用于表示姿态的方式，通过 ROS 2 中的 mrpt2 工具，可以方便地获取不同姿态表示之间的对应关系和可视化。

四元数 (Quaternion)

四元数是一种用于标识三维空间中姿态的数学工具，在 ROS2 中经常被用于机器人的姿态描述等方面。

四元数由一个实部和三个虚部组成，通常表示为 \(q = w + xi + yj + zk\)。

安装与使用姿态转换工具：

# 下载工具
sudo apt install ros-humble-mrpt-*

# 打开工具
3d-rotation-converter

四元数在 TF 中的应用示例：

ros2 run tf2_ros static_transform_publisher --x 0.3 --y 0.0 --z 0.0 --roll 0.0 --pitch 0.0 --yaw 0.0 --frame-id base_laser --child-frame-id wall_point

输出结果示例：

rotation: ('0.000000', '0.000000', '0.000000', '1.000000')
  • 最后一个 1.000000 是四元数的实部。
  • 前面三个是虚部。

注意：

在真实的机器人中，固定不变的坐标关系才会使用静态坐标变换，而对于障碍物信息应该使用动态的坐标变换。

改变实部会改变四元素所代表的旋转状态：实部与旋转角度有关，虚部与旋转轴有关。

查看坐标关系 (tf2_echo):

tf2_echo 用于输入两个坐标之间的平移和旋转关系，第一个参数是父坐标系名称，第二个参数是子坐标系名称。

ros2 run tf2_ros tf2_echo base_link wall_point

可视化坐标系连接关系 (view_frames):

除了可以通过命令行计算坐标之间的关系外，还可以使用工具查看所有坐标系之间的连接关系。

# 需要将坐标转换的代码一直开着才能看到
ros2 run tf2_tools view_frames

该命令会将当前所有广播的坐标关系通过图形的方式表示出来，并在当前目录生成一个 PDF 文件和 GV 格式文件。

注意： 统一参考系，统一以机器人的基坐标系为标准。

(2) 对 TF 原理的简单探究

当发布静态广播时，广播的数据就会通过话题通信发布到 /tf_static 话题上。

# 查看话题列表
ros2 topic list

# 查看话题具体信息
ros2 topic info /tf_static

# 查看该话题的消息接口类型 (是 tf2_msgs/msg/TFMessage)
ros2 interface show tf2_msgs/msg/TFMessage

原理总结：

需要注意当发布动态 TF 时，数据将发布到名称为 /tf 的话题上。当需要查询坐标变换关系时，则会订阅 /tf 和 /tf_static 话题，通过数据中坐标之间的关系计算要查询的坐标之间的关系，这就是 TF 的工作原理。

(3) C++ 中的地图坐标系变换

创建功能包：

ros2 pkg create demo_cpp_tf --build-type ament_cmake --dependencies rclcpp tf2 tf2_ros geometry_msgs tf2_geometry_msgs --license Apache-2.0

通过 C++ 发布静态 TF:

可以使用 tf2_echo 来查看坐标关系：

ros2 run tf2_ros tf2_echo map target_point

通过 C++ 发布动态 TF:

发布动态 TF 和发布静态 TF 相比，最大的不同在于动态 TF 需要不断向外发布。

通过 C++ 查询 TF 关系:

需要三个节点都开启才有结果。

2. 常用可视化工具 rqt 与 RViz

(1) GUI 框架 rqt

我们在前面章节中使用过 rqt，比如使用它查看节点关系、请求服务等。在任意终端输入 rqt 命令就可以启动 rqt。

rqt 是一个 GUI 框架，可以将各种插件工具加载为可停靠的窗口。目前没有选择插件，要添加插件，请从 Plugins 菜单中选择项目。

安装 rqt 插件 (以 rqt-tf-tree 为例):

# 安装插件
sudo apt install ros-humble-rqt-tf-tree -y

该工具将安装到 ROS 2 的默认安装目录下，安装完成后需要删除 rqt 的默认配置文件，才能让 rqt 重新扫描和加载到这个工具。

# 删除配置文件
rm -rf ~/.config/ros.org/rqt_gui.ini

执行所有操作后，可能没有任何响应（需要重启电脑，然后重新执行一次）。

使用插件：

重新启动 rqt，然后选择 Plugins → Visualization → TF Tree 选项，即可打开 TF Tree 插件。运行 TF 发布节点，单击左上角的 Refresh 按钮。

如果需要安装 rqt 所有相关组件：

sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-rqt-*

(2) 数据可视化工具 RViz

在学习 TF 时，虽然可以通过 tf2_tools 或 rqt-tf-tree 查看 TF 数据帧之间的关系，但并不能直观地看到它们在空间中的关系。RViz 不仅可以帮助我们实现坐标变换可视化，还可以实现机器人的传感器数据、3D 模型、点云、激光雷达数据等数据的可视化与交互。

启动 RViz:

在任意终端输入以下命令即可打开：

rviz2

配置步骤：

  1. RViz 窗口左侧的 Displays 部分用于控制显示的数据。当需要显示某个数据时，可以单击 Displays 窗口下方的 Add 按钮添加要显示的视图。
  2. 在 By display type 选项卡中选择 TF，然后单击右下方的 OK 按钮。
  3. 接着观察中间的网格，即可看到 TF 的显示结果，此时可以使用鼠标拖动显示视图，调整观察角度。
  4. 选中 TF 视图选项下的 Show Names，在坐标系中添加对应的坐标系名称，接着修改 Marker Scale 选项为 6，放大坐标轴和名字。

设置观察视角：

如果想从机器人的视角 base_link 来观察目标点 target_point，只需要将机器人固定在原点即可。Displays 窗口中全局选项 Global Options 下的 Fixed Frame 就是用于显示右侧视图原点的坐标系名称的，我们修改为 base_link。

  • 修改网格： 默认的宽度为 1m，修改 Grid 下 Cell Size 的值，就可以修改网格宽度。

保存与加载配置：

RViz 还支持将当前的配置保存到文件中，方便下次直接加载使用。

  • 保存： 单击标题栏的 File → Save Config As 或者直接按 Ctrl+Shift+S 键。

  • 加载： 启动 RViz 并指定配置文件：

    rviz2 -d ~/chapt5/rviz_tf.rviz

(3) 数据记录工具 ros2 bag

录制数据：

首先在新的终端运行海龟模拟器，接着再打开新的终端，启动海龟键盘控制节点。

# 录制特定话题
ros2 bag record /turtle1/cmd_vel

建议： 如果直接使用 ros2 bag record 将录制所有的话题数据，不过我并不推荐这样做，有些数据并不是必需的，我们只需要将自己关心的话题名称依次放到命令后，进行录制即可。

接着在键盘控制节点窗口使用方向箭头移动海龟，然后在话题录制终端按 Ctrl+C 键打断录制，ros2 bag record 在收到打断指令后就会停止录制并将数据保存到文件中。

查看录制文件：

在终端 bags 目录下使用 ls 命令，可以看到录制数据存放的目录名。这个文件夹是按照时间命名的，文件夹中存放了两个文件：

  • .db3 结尾：存储话题数据的数据库文件。
  • metadata.yaml：记录的描述文件。

使用 cat 查看描述文件内容，该文件中描述了被记录的话题名称和类型等信息，还保存了开始记录时间、持续时间、消息的数量等信息。

回放数据：

关闭键盘控制节点，然后重启海龟模拟器，现在来重新播放海龟的控制命令，对话题数据进行重播。

# 播放数据 (请替换为实际的绝对路径)
ros2 bag play /home/user/rosbag2_2023_12_11-01_57_18/

bag play 加文件夹名称，用于播放对应文件夹里的话题数据。运行完命令观察海龟窗口，海龟按照刚刚的控制轨迹移动。

回放控制操作：

在重新播放话题时还有很多其他操作，例如：

  • 空格键：暂停和继续播放。
  • 上下键：加快和减慢播放速度。
  • 右键：播放下一个消息。
  • 可以使用 --help 来查看更多选项。