[ROS] tf란?

• tf는 Transformation의 약자로, 로봇상의 다수의 서로 다른 3D Coordinate Frames를 추적할 수 있도록 하는 package이다

• 위의 사진과 같이 로봇에는 수많은 3D coordinate frames가 있으며, 각 frames은 시간이 지남에 따라 변화한다
• tf는 이러한 frame들을 계속 추적하여 각 frame들간의 상대적인 위치를 기록한다
• tf는 분리된 system에서 동작이 가능하다 : robot의 모든 coordinate frames에 관한 정보는 다른 모든 ROS components에서도 사용 가능하다
  
  • transform information에는 central server가 없다
• tf tree는 서로 다른 coordinate frame간의 변환 및 회전 측면에서 offset을 추상적인 수준으로 정의한다

 

- 예제

• 로봇의 중심점에 위치하는 coordinate frame을 base_link라 하고 laser sensor의 중심점에 위치하는 coordinate frame을 base_laser라고 하자
  
  • Navigation을 위해선 base_link가 로봇의 회전 중심에 위치하는 것이 중요하다)
• Robot 구동시 laser sensor를 통해 얻은 data를 바탕으로 장애물을 회피하고자 하면 base_laser 위치에서 받은 data를 base_link frame으로 변환시켜야 한다. 즉 두 frame간의 relationship을 정의해야 한다
• 위 사진에서 볼 수 있듯 두 frame 사이에는 x축 방향으로 10cm, z축 방향으로 20cm의 거리 차이가 있다
• 이 값들이 두 frame간의 translational offset이 된다
  • offset에는 각 frame들간의 회전과 평행이동에 대한 정보들이 있다 (위 사진의 경우 회전은 X)

tf tree

• 위처럼 'base_link'에 해당하는 node와 'base_laser'에 해당하는 node를 생성한다
• 그리고 둘 중 어떤 node가 parent가 되고 child가 될 지 결정한다. tf는 모든 transform이 parent에서 child로 간다고 가정한다
• 위의 경우는 'base_link' node를 parent로 정하였다
  • 다른 sensor가 robot에 추가되면 base_link frame을 통해 base_laser frame과 연관되는 것이 가장 합리적이다

 

 

 

- 코드 작성

• 우선 transform을 publish할 node와, 그 node에서 publish된 transform data를 listen하고 transform point에 적용시킬 node를 만들어야 한다
• roscpp, tf, geometry_msgs의 dependency들을 가지는 'robot_setup_tf'라는 이름의 package를 생성한다

$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_create_pkg robot_setup_tf roscpp tf geometry_msgs

 

• ROS를 통해 base_laser -> base_link로의 transform을 broadcast할 node를 만든다

$ cd robot_setup_tf/src
$ gedit tf_broadcaster.cpp

• 해당 file에 아래의 내용을 입력한다

#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>	// tf package에서 제공하는 보다 편한 tf를 위한 header file 사용

int main(int argc, char** argv){
ros::init(argc, argv, "robot_tf_publisher");	// node 이름 : robot_tf_publisher
ros::NodeHandle n;				// ROS 시스템과의 통신을 위한 node handle 선언

ros::Rate r(100);

tf::TransformBroadcaster broadcaster;	
// base_link -> base_laser로 tf를 보낼 때 사용할 broadcaster라는 이름의 TFBroadcaster object 선언
 
while(n.ok()){	// 실제로 tf가 수행되는 부분
	broadcaster.sendTransform(
	tf::StampedTransform(
	tf::Transform(tf::Quaternion(0, 0, 0, 1), tf::Vector3(0.1, 0.0, 0.2)),
    	// Quaternion의 parameter는 순서대로 ptich, roll, yaw, 
    	// Vector3의 parameter는 meter단위
	ros::Time::now(),"base_link", "base_laser"));	
    	// TF에 timestamp, parent node와 child node의 이름 전달
	r.sleep();
	}
}

• TransformBroadcaster로 transform을 보낼 땐 아래의 5가지 argument들이 필요하다
  1. 두 coordinate frame 간의 Quaternion으로 지정되는 Rotation Transform. 지금은 회전이 없으므로 Quaternion 함수에 pitch, roll, yaw값을 0을 준다
  2. 우리가 적용할 모든 translation을 위한 btVerctor3. 현재 robot의 base에 대한 laser의 x, y, z offset을 입력한다
  3. Publish되는 transform에 전달할 timestamp(특정 시간을 기록하는 문자열). ros::Time::now()를 통해 준다
  4. 생성한 link에 전달할 parent node의 이름(base_link)
  5. 생성한 link에 전달할 child node의 이름(base_laser)

• ROS를 통해 base_laser -> base_link 를 publish할 node 생성 완료
• base_laser frame에 점을 찍고 base_link로 transform 하기 위해 위의 transform을 사용할 node 생성

$ gedit tf_listener.cpp

• 아래 내용 입력

#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/PointStamped.h>
#include <tf/transform_listener.h>  // TransformListener 생성을 위한 header file

// TransformListener가 주어지면 "base_laser" frame의 한 지점을 가져와 "base_link" frame으로 변환하는 함수 생성
// 이 함수는 프로그램의 main()에서 생성된 ros::Timer에 대한 callback 역할을 하여 매초마다 실행됨
void transformPoint (const tf::TransformListener& listener){    

    // base_link frame으로 transform할 base_laser frame내의 point 생성
    // 'Stamped'라는 단어는 단지 message에 header가 포함되어 있어 timestamp와 frame_id를 message와 연결할 수 있음을 의미
    geometry_msgs::PointStamped laser_point;

    // base_laser frame내의 점을 생성하므로  header의 frame_id를 base_laser로 설정
    laser_point.header.frame_id = "base_laser";

    // 예제를 위해 가장 최근의 사용 가능한 transform 사용 
    // laser_point의 stamp filed가 TramsfprmListener에게 최신의 이용 가능한 transform을 요청할 수 있게 해주는 
    // 특별한 시간 값인 ros::Time()이 되도록 설정함. 
    laser_point.header.stamp = ros::Time();

    // base_laser frame 내의 point (laser의 base_link에 대한 상대적 거리값)
    laser_point.point.x = 1.0;
    laser_point.point.y = 0.2;
    laser_point.point.z = 0.0;

    try{
        geometry_msgs::PointStamped base_point;
        listener.transformPoint("base_link", laser_point, base_point);

        ROS_INFO("base_laser: (%.2f, %.2f. %.2f) -----> base_link: (%.2f, %.2f, %.2f) at time %.2f", 
        laser_point.point.x, laser_point.point.y, laser_point.point.z, 
        base_point.point.x, base_point.point.y, base_point.point.z, base_point.header.stamp.toSec());
    }
    // transform 오류 확인용. transform이 제대로 되지 않았을 경우 TransformListener는 아래의 exception을 실행시킴
    catch(tf::TransformException& ex){
        ROS_ERROR("Received an exception trying to transform a point from \"base_laser\"to \"base_link\": %s", ex.what());
    }
}

int main(int argc, char** argv){
    ros::init(argc, argv, "robot_tf_listener");
    ros::NodeHandle n;

    tf::TransformListener listener(ros::Duration(10));

    // 1초마다 한 점을 transform
    ros::Timer timer = n.createTimer(ros::Duration(1.0), boost::bind(&transformPoint, boost::ref(listener)));

    ros::spin();
}

• TransformListener object는 자동적으로 ROS로부터의 transform message topic을 subscribe하고 전해지는 모든 transform data를 관리함
• transformPoint의 argument는 아래와 같음
  1. target_frame : point를 transform할 frame의 이름(여기선 base_link)
  2. stamped_in : tranform하고 있는 point의 frame
  3. stamped_out : transform된 point의 storage. 함수 호출 이후에는 base_link frame 내에서만 이전의 laser_point와 동일한 값을 가짐

transform.listener.h 에 정의되어있는 transformPoint 함수

 

• 위의 source code 작성 완료 후, build를 위해 CMakeLists.txt를 염

$ cd ..
$ gedit CMakeLists.txt

• 아래 내용을 맨 아랫 부분에 추가

add_executable(tf_broadcaster src/tf_broadcaster.cpp)
add_executable(tf_listener src/tf_listener.cpp)
target_link_libraries(tf_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(tf_listener ${catkin_LIBRARIES})

 

$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make

• Package compile

 

 

- 코드 실행

 

$ roscore
$ rosrun robot_setup_tf tf_broadcaster
$ rosrun robot_setup_tf tf_listener

• 각각 다른 terminal 창에서 위의 명령어들 실행
• 아래와 같은 출력이 나오면 정상

[ INFO] 1248138528.200823000: base_laser: (1.00, 0.20. 0.00) -----> base_link: (1.10, 0.20, 0.20) at time 1248138528.19
[ INFO] 1248138529.200820000: base_laser: (1.00, 0.20. 0.00) -----> base_link: (1.10, 0.20, 0.20) at time 1248138529.19
[ INFO] 1248138530.200821000: base_laser: (1.00, 0.20. 0.00) -----> base_link: (1.10, 0.20, 0.20) at time 1248138530.19
[ INFO] 1248138531.200835000: base_laser: (1.00, 0.20. 0.00) -----> base_link: (1.10, 0.20, 0.20) at time 1248138531.19
[ INFO] 1248138532.200849000: base_laser: (1.00, 0.20. 0.00) -----> base_link: (1.10, 0.20, 0.20) at time 1248138532.19

• 1초마다 transform이 되고 있다

 

 

• 위처럼 tf를 이용해 서로 다른 두 frame들간의 관계를 정의할 수 있다
• tf는 tree구조를 이용해 서로 다른 frame들 사이의 관계를 일방통행 방식으로 정의한다
• tf tree가 한번 형성되면, tf library 호출을 통해 간단하게 laser sensor의 data를 base_link frame으로 변환할 수 있다
• 로봇에 다른 센서들을 부착하여 사용해야 하므로 보통 base_link frame같은 로봇의 중심에 위치하는 frame을 부모로 많이 사용한다

 

 

 

 

 

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참고 자료 : 

http://wiki.ros.org/tf

tf - ROS Wiki

https://velog.io/@richard7714/ROS-Navigation-tf

ROS Navigation - tf