大家好，本节我们来解释ROS2中的TF坐标变换的知识点。

1.导言-嵌入式的传感器到机器人的传感器

机器人需要建图和导航，建图和导航就需要“感知”，学过嵌入式的你知道，感知我们采用传感器来实现，比如红外、温度、湿度、光敏……同样的，对于机器人而言也需要传感器，而且通常而言的传感器包括：雷达、IMU、里程计……

我们在此简单地介绍一下这几个重要的部分。

1.雷达

雷达的分类有很多中，激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等。重点放在激光雷达（LiDAR）上。激光雷达的基本原理很简单，对于学习过嵌入式的同学而言红外测距传感器并不陌生，模块发送红外出去，在外界经过边界时反弹回来，然后传感器接收到这个刚刚发出的红外或者超声波，通过时间差测算得到距离，这就是ToF测距法。同样的，激光雷达中也有使用这种方法来扫描周围的情况。

激光雷达的构造包括：激光发射器、激光接收器、核心板、电机、传动装置。原理就是通过电机传动使激光收发装置高速旋转扫描周围，然后通过测距方法得到结果。

2.IMU

IMU，惯性测量单元，这个模块主要由陀螺仪、加速度计组成，有的时候还包括磁力计。

加速度计自然是测算物体的加速度，对加速度的积分可以得到速度，再积分一次得到位移。陀螺仪在嵌入式中也经常见到，主要功能是对于三维方向的角度进行测量，可以获取当前的姿态，涉及的知识点常常包含欧拉角（偏航角、俯仰角、滚转角）、四元数转换等。

3.（轮式）里程计

里程计本质上说就是编码器，嵌入式的同学对此应该比较了解，对于测算车轮速度什么的就常常使用编码器。

在机器人的世界中，编码器对轮子的转圈计数，外加轮子的半径等其他的数据就可以得到自己大概行驶了多远（尽管这是理想的画面，实际中常常包含打滑等因素）。

2.TF坐标变换

1.简介

TF 是 ROS 中管理多个坐标系之间平移 + 旋转变换的工具库，能够随时查询任意时刻两个坐标系之间的位置姿态关系，实现不同传感器、机器人本体之间的数据坐标换算。

在此之前，各位请记住以下英文对应：对于机器人的各部件，一般使用link，对于坐标系，一般使用frame。

坐标变换分为父坐标系和子坐标系，所有坐标变换组成一棵有向无环树（常说TF树），一个子坐标系只能有唯一父坐标系，不能形成环路。

2.静态变换和动态变换

机器人组装好了之后，里程计、雷达、IMU的位置对于机器人而言都是固定的，就像你行走的时候，你的大脑和心脏的相对位置是不变的，为相对位置不变的两个部分做坐标变换，这就叫做静态变换。

同样的，你现在过红绿灯，你走的时候，你会和红绿灯的相对位置发生变化，这就叫动态变化。

聪明的你肯定想到了，静态坐标变换的相对位置不变，只需要测算一次就好了，而事实也确实如此，两坐标系相对位置永不改变（底盘与雷达、相机）时，仅发布一次，通过/tf_static传输。

而动态变换中，相对位置是实时发生变化的，所以对于动态坐标变换，程序持续高频发布，通过/tf传输。

3.常见例子详解（map → odom → base_footprint → base_link → laser /imu_link）

首先，我有必要为各位介绍一下这些分别代表着什么。

1.map：全局静态世界坐标系

如果你玩过我的世界，你知道的，我的世界中有三维坐标，其中有一个（0,0,0）坐标，map就是这样一个建图世界的一个固定的，作为基准的坐标系。

2.odom：里程计坐标系

odom，里程计。这个坐标系诞生于机器人开机之后的起始位置。如果类比我的世界，那就是玩家的世界重生点，在没有绑定床的时候，玩家死亡就会回到这个世界重生点，也就是你第一次开游戏的重生点。

3.base_footprint:机器人位置坐标系

不同于其他的坐标系，该坐标系是虚拟的，他是机器人底盘垂直投影于地面的一个坐标，他的Z=0。他的主要作用是为了和odom坐标系进行测算，是导航框架约定代表机器人位置的基准。这个坐标系比较难以理解，但是他的作用是计算水平的距离，水平的距离不需Z轴。

4.base_link：机器人底盘坐标系

底盘是机器人的一个部件，在本章开始时强调过了link代表部件。既然是部件，那么他是实际存在的，和base_footprint是不同的。

5.laser_link / imu_link：雷达/IMU坐标系

这两个同样属于部件，原理相同，在机器人本体上的位置也是相对不变的。

6.原理过程详解

map和odom之间的关系是：动态变换，你可能会疑问：map是地图创建就固定的基准、odom里程计是开机就固定的了，二者都不变，不应该是静态变换吗？odom里程计获取的机器人的位置和实际物理位置是有偏差的，而且随着时间变化越来越大，这个误差叫做漂移。为了消除误差，通过其他的方法得到实际位置之后（SLAM等手段），代码会矫正map和odom的位置变换，以消除漂移。

odom和base_footprint之间的关系是：动态变换，odom和base_footprint之间的坐标变换可以获取机器人相对于odom坐标系的的实际位置和朝向。

base_footprint和base_link之间的关系是：静态变换，这就像影子和你的脚底板一样（光源一直在头顶），base_footprint是垂直投影，是虚拟的，而base_link是真实的底盘，这条变换只有 Z 轴偏移，数值永远不变，完成 “地面虚拟点” 到 “车身本体” 坐标转换。

base_link和laser /imu_link之间的关系是，静态变换，描述传感器相对于底盘的机械安装位置与角度；硬件装配完成后相对位置固定。