ROS中的坐标变换

机器人系统上，有多个传感器，如激光雷达、摄像头等，有的传感器是可以感知机器人周边的物体方位(或者称之为:坐标，横向、纵向、高度的距离信息)的，以协助机器人定位障碍物，可以直接将物体相对该传感器的方位信息，等价于物体相对于机器人系统或机器人其它组件的方位信息吗？显示是不行的，这中间需要一个转换过程。

**tf:**TransForm Frame,坐标变换，可以实现在不同坐标系下点或者向量之间的转换

**坐标系:**ROS 中是通过坐标系统开标定物体的，确切的将是通过右手坐标系来标定的。

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在ROS中坐标变换最初对应的是tf，不过在 hydro 版本开始, tf 被弃用，迁移到 tf2,后者更为简洁高效，tf2对应的常用功能包有:

tf2_geometry_msgs:  可以将ROS消息转换成tf2消息。
tf2:                封装了坐标变换的常用消息。
tf2_ros:            为tf2提供了roscpp和rospy绑定，封装了坐标变换常用的API。
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一、msg消息

订阅发布模型中数据载体 msg 是一个重要实现，首先需要了解一下，在坐标转换实现中常用的 msg:geometry_msgs/TransformStamped和geometry_msgs/PointStamped

1.1、geometry_msgs/TransformStamped

首先我们rosmsg info 一下

rosmsg info geometry_msgs/TransformStamped

得到结果为

std_msgs/Header header                        # 头信息
  uint32 seq                                  # 序列号，用于序列化和反序列化
  time stamp						          # 时间戳
  string frame_id                             # 坐标ID
string child_frame_id                         # 子坐标系的坐标ID
geometry_msgs/Transform transform             # 坐标信息
  geometry_msgs/Vector3 translation           # 偏移量
    float64 x                                 # x轴偏移量
    float64 y                                 # y轴偏移量
    float64 z                                 # z轴偏移量
  geometry_msgs/Quaternion rotation           # 四元数
    float64 x
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    float64 z
    float64 w
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四元数用于表示坐标的相对姿态，四元数可以解算为欧拉角，这里为什么不用欧拉角呢，首先是欧拉角的每一次变换都涉及到很多的三角函数计算，三角函数计算较为复杂，其次是欧拉角直接转换会产生万向死锁现象，万向死锁和欧拉角转换的先后顺序相关，所以不适合在这里使用。

1.2、geometry_msgs/PointStamped

rosmsg info geometry_msgs/PointStamped

std_msgs/Header header                    #头
  uint32 seq                              #|-- 序号
  time stamp                              #|-- 时间戳
  string frame_id                         #|-- 所属坐标系的 id
geometry_msgs/Point point                 #点坐标
  float64 x                               #|-- x y z 坐标
  float64 y
  float64 z
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二、静坐标变换

所谓静态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是固定的。

需求描述：

现有一机器人模型，核心构成包含主体与雷达，各对应一坐标系，坐标系的原点分别位于主体与雷达的物理中心，已知雷达原点相对于主体原点位移关系如下: x 0.2 y0.0 z0.5。当前雷达检测到一障碍物，在雷达坐标系中障碍物的坐标为 (2.0 3.0 5.0),请问，该障碍物相对于主体的坐标是多少？

其实静坐标系下我们甚至可以直接口算出结果，(2.2,3.0,5.5)，但是如果坐标系很多，很复杂的情况下，我们就不能在自己进行简单的相加来运算了。

建立发布者

#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/static_transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"static_brocast");
    // 3.创建静态坐标转换广播器
    tf2_ros::StaticTransformBroadcaster broadcaster;
    // 4.创建坐标系信息
    geometry_msgs::TransformStamped ts;
    //----设置头信息
    ts.header.seq = 100;
    ts.header.stamp = ros::Time::now();
    ts.header.frame_id = "base_link";
    //----设置子级坐标系
    ts.child_frame_id = "laser";
    //----设置子级相对于父级的偏移量
    ts.transform.translation.x = 0.2;
    ts.transform.translation.y = 0.0;
    ts.transform.translation.z = 0.5;
    //----设置四元数:将 欧拉角数据转换成四元数
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,0);
    ts.transform.rotation.x = qtn.getX();
    ts.transform.rotation.y = qtn.getY();
    ts.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    ts.transform.rotation.w = qtn.getW();
    // 5.广播器发布坐标系信息
    broadcaster.sendTransform(ts);
    ros::spin();
    return 0;
}
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建立接受者

#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h" //注意: 调用 transform 必须包含该头文件

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"tf_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    // 3.创建 TF 订阅节点
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
    // 4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        geometry_msgs::PointStamped point_laser;
        point_laser.header.frame_id = "laser";
        point_laser.header.stamp = ros::Time::now();
        point_laser.point.x = 1;
        point_laser.point.y = 2;
        point_laser.point.z = 7.3;
        // 5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        // 新建一个坐标点，用于接收转换结果  
        //--------------使用 try 语句或休眠，否则可能由于缓存接收延迟而导致坐标转换失败------------------------
        try
        {
            geometry_msgs::PointStamped point_base;
            point_base = buffer.transform(point_laser,"base_link");
            ROS_INFO("转换后的数据:(%.2f,%.2f,%.2f),参考的坐标系是:%s",point_base.point.x,point_base.point.y,point_base.point.z,point_base.header.frame_id.c_str());

        }
        catch(const std::exception& e)
        {
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("程序异常.....");
        }

        r.sleep();  
        ros::spinOnce();
    }
    return 0;
}
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这样就能输出每个相对与子坐标系的坐标现在在父坐标系下的坐标了。

三、动态坐标变换

所谓动态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是变化的。举个例子，我们上面的激光雷达，在坐标系中的安装位置是确定不变的，但是要是有一个机械臂，机械臂的关节之间是相互运动的。这个示例中包含了turtlesim的依赖，所以我们需要在package的设置文件中添加这个依赖项

需求：启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布

发布者

// 发布者就是收到话题/turtle1/pose的数据后将数据处理并发出去
// 1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose){
    //  5-1.创建 TF 广播器
    static tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;
    //  5-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
    geometry_msgs::TransformStamped tfs;
    //  |----头设置
    tfs.header.frame_id = "world";
    tfs.header.stamp = ros::Time::now();

    //  |----坐标系 ID
    tfs.child_frame_id = "turtle1";

    //  |----坐标系相对信息设置
    tfs.transform.translation.x = pose->x;
    tfs.transform.translation.y = pose->y;
    tfs.transform.translation.z = 0.0; // 二维实现，pose 中没有z，z 是 0
    //  |--------- 四元数设置
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,pose->theta);
    tfs.transform.rotation.x = qtn.getX();
    tfs.transform.rotation.y = qtn.getY();
    tfs.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    tfs.transform.rotation.w = qtn.getW();

    //  5-3.广播器发布数据
    broadcaster.sendTransform(tfs);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"dynamic_tf_pub");
    // 3.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建订阅对象,订阅发布小乌龟节点信息的话题
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<turtlesim::Pose>("/turtle1/pose",1000,doPose);
    // 5.回调函数处理订阅到的数据(实现TF广播)   
    // 6.spin
    ros::spin();
    return 0;
}
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接受者

//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h" //注意: 调用 transform 必须包含该头文件

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"dynamic_tf_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    // 3.创建 TF 订阅节点
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
    // 4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        geometry_msgs::PointStamped point_laser;
        point_laser.header.frame_id = "turtle1";
        point_laser.header.stamp = ros::Time();
        point_laser.point.x = 1;
        point_laser.point.y = 1;
        point_laser.point.z = 0;
    // 5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
    //新建一个坐标点，用于接收转换结果  
        //--------------使用 try 语句或休眠，否则可能由于缓存接收延迟而导致坐标转换失败------------------------
        try
        {
            geometry_msgs::PointStamped point_base;
            point_base = buffer.transform(point_laser,"world");
            ROS_INFO("坐标点相对于 world 的坐标为:(%.2f,%.2f,%.2f)",point_base.point.x,point_base.point.y,point_base.point.z);

        }
        catch(const std::exception& e)
        {
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_ERROR("程序异常:%s",e.what());
        }
        r.sleep();  
        ros::spinOnce();
    }
    return 0;
}
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需要注意的是，我们需要调用turtlesim_node这个节点来生成/turtle1/pose话题信息。

四、多坐标变换

需求：现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，求 son1原点在 son2中的坐标，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标

这里为了方便，我们用静态坐标，也就是son1和son2相对于world是静态的

我们首先写一下发布节点

static_pub.cpp

#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/static_transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

float char2float(const char* s) {
    return (float)atof(s);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"static_brocast");
    // 3.创建静态坐标转换广播器
    tf2_ros::StaticTransformBroadcaster broadcaster;
    // 4.创建坐标系信息
    geometry_msgs::TransformStamped ts;
    //----设置头信息
    ts.header.seq = 100;
    ts.header.stamp = ros::Time::now();
    ts.header.frame_id = argv[7];
    //----设置子级坐标系
    ts.child_frame_id = argv[8];
    //----设置子级相对于父级的偏移量
    ts.transform.translation.x = char2float(argv[1]);
    ts.transform.translation.y = char2float(argv[2]);
    ts.transform.translation.z = char2float(argv[3]);
    //----设置四元数:将 欧拉角数据转换成四元数
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(char2float(argv[4]),char2float(argv[5]),char2float(argv[6]));
    ts.transform.rotation.x = qtn.getX();
    ts.transform.rotation.y = qtn.getY();
    ts.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    ts.transform.rotation.w = qtn.getW();
    // 5.广播器发布坐标系信息
    broadcaster.sendTransform(ts);
    ros::spin();
    return 0;
}
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然后我们写一下转换和接受节点

static_lis.cpp

//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"

int main(int argc, char *argv[])
{   setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ros 节点
    ros::init(argc,argv,"sub_frames");
    // 3.创建 ros 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建 TF 订阅对象
    tf2_ros::Buffer buffer; 
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);
    // 5.解析订阅信息中获取 son1 坐标系原点在 son2 中的坐标
    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
        try
        {
        //   解析 son1 中的点相对于 son2 的坐标
            geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("son2","son1",ros::Time(0));
            ROS_INFO("Son1 相对于 Son2 的坐标关系:父坐标系ID=%s",tfs.header.frame_id.c_str());
            ROS_INFO("Son1 相对于 Son2 的坐标关系:子坐标系ID=%s",tfs.child_frame_id.c_str());
            ROS_INFO("Son1 相对于 Son2 的坐标关系:x=%.2f,y=%.2f,z=%.2f",
                    tfs.transform.translation.x,
                    tfs.transform.translation.y,
                    tfs.transform.translation.z
                    );

            // 坐标点解析
            geometry_msgs::PointStamped ps;
            ps.header.frame_id = "son1";
            ps.header.stamp = ros::Time::now();
            ps.point.x = 1.0;
            ps.point.y = 2.0;
            ps.point.z = 3.0;

            geometry_msgs::PointStamped psAtSon2;
            psAtSon2 = buffer.transform(ps,"son2");
            ROS_INFO("在 Son2 中的坐标:x=%.2f,y=%.2f,z=%.2f",
                    psAtSon2.point.x,
                    psAtSon2.point.y,
                    psAtSon2.point.z
                    );
        }
        catch(const std::exception& e)
        {
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("异常信息:%s",e.what());
        }

        r.sleep();
        // 6.spin
        ros::spinOnce();
    }
    return 0;
}

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我们写一下启动的launch文件

<launch>
    <node pkg="tf2_test" type="static_pub" name="son1" args="0.2 0.8 0.3 0 0 0 /world /son1" output="screen" />
    <node pkg="tf2_test" type="static_pub" name="son2" args="0.5 0 0 0 0 0 /world /son2" output="screen" />
    <node pkg="tf2_test" type="static_lis" name="lis" output="screen"/>
launch>
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我们启动这个launch文件就能看到两个坐标系之间的转换了。

五、坐标系关系查看

安装一个文件

sudo apt install ros-noetic-tf2-tools
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生成当前的坐标系之间关系的pdf文件

rosrun tf2_tools view_frames.py
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可以直接进入目录打开文件，或者调用命令查看文件:

evince frames.pdf
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六、实践

需求：程序启动之初: 产生两只乌龟，中间的乌龟(A) 和 左下乌龟(B), B 会自动运行至A的位置，并且键盘控制时，只是控制 A 的运动，但是 B 可以跟随 A 运行

6.1、准备

创建第二只乌龟需要使用rosservice,话题使用的是 spawn

rosservice call /spawn "x: 1.0
y: 1.0
theta: 1.0
name: 'turtle_flow'" 
name: "turtle_flow"
Copy
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键盘是无法控制第二只乌龟运动的，因为使用的话题: /第二只乌龟名称/cmd_vel,对应的要控制乌龟运动必须发布对应的话题消息

是通过话题 /乌龟名称/pose 来获取的乌龟的坐标和姿态信息

x: 1.0 //x坐标
y: 1.0 //y坐标
theta: -1.21437060833 //角度
linear_velocity: 0.0 //线速度
angular_velocity: 1.0 //角速度
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6.2、服务客户端（生成乌龟）

/* 
    创建第二只小乌龟
 */
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Spawn.h"

int main(int argc, char *argv[])
{

    setlocale(LC_ALL,"");

    //执行初始化
    ros::init(argc,argv,"create_turtle");
    //创建节点
    ros::NodeHandle nh;
    //创建服务客户端
    ros::ServiceClient client = nh.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");

    ros::service::waitForService("/spawn");
    turtlesim::Spawn spawn;
    spawn.request.name = "turtle2";
    spawn.request.x = 1.0;
    spawn.request.y = 2.0;
    spawn.request.theta = 3.12415926;
    bool flag = client.call(spawn);
    if (flag)
    {
        ROS_INFO("乌龟%s创建成功!",spawn.response.name.c_str());
    }
    else
    {
        ROS_INFO("乌龟2创建失败!");
    }

    ros::spin();

    return 0;
}
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6.3、发布者（发布两只乌龟的坐标信息）

test_pub.cpp

// 需要发布两只乌龟的坐标信息，所以该节点需要启动两次

//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
//保存乌龟名称
std::string turtle_name;

void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose){
    //  6-1.创建 TF 广播器 ---------------------------------------- 注意 static
    static tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;
    //  6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
    geometry_msgs::TransformStamped tfs;
    tfs.header.frame_id = "world";
    tfs.header.stamp = ros::Time::now();
    tfs.child_frame_id = turtle_name;
    tfs.transform.translation.x = pose->x;
    tfs.transform.translation.y = pose->y;
    tfs.transform.translation.z = 0.0;
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,pose->theta);
    tfs.transform.rotation.x = qtn.getX();
    tfs.transform.rotation.y = qtn.getY();
    tfs.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    tfs.transform.rotation.w = qtn.getW();
    //  6-3.发布
    broadcaster.sendTransform(tfs);

} 

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ros 节点
    ros::init(argc,argv,"pub_tf");
    // 3.解析传入的命名空间
    if (argc != 2)
    {
        ROS_ERROR("请传入正确的参数");
    } else {
        turtle_name = argv[1];
        ROS_INFO("乌龟 %s 坐标发送启动",turtle_name.c_str());
    }

    // 4.创建 ros 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 5.创建订阅对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<turtlesim::Pose>(turtle_name + "/pose",1000,doPose);
    // 6.回调函数处理订阅的 pose 信息
    //  6-1.创建 TF 广播器
    //  6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped
    //  6-3.发布
    // 7.spin
    ros::spin();
    return 0;
}
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6.4、订阅者（订阅并生成第二只乌龟的移动信息）

test_lis.cpp

//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "geometry_msgs/Twist.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ros 节点
    ros::init(argc,argv,"sub_TF");
    // 3.创建 ros 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建 TF 订阅对象
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);
    // 5.处理订阅到的 TF
    // 这里其实我们是在编写我们的控制器，但是我们就简单的使用了一下跟随就好

    // 需要创建发布 /turtle2/cmd_vel 的 publisher 对象

    ros::Publisher pub = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel",1000);

    ros::Rate rate(10);
    while (ros::ok())
    {
        try
        {
            //5-1.先获取 turtle1 相对 turtle2 的坐标信息
            geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("turtle2","turtle1",ros::Time(0));

            //5-2.根据坐标信息生成速度信息 -- geometry_msgs/Twist.h
            geometry_msgs::Twist twist;
            twist.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(tfs.transform.translation.x,2) + pow(tfs.transform.translation.y,2));
            twist.angular.z = 4 * atan2(tfs.transform.translation.y,tfs.transform.translation.x);

            //5-3.发布速度信息 -- 需要提前创建 publish 对象
            pub.publish(twist);
        }
        catch(const std::exception& e)
        {
            // std::cerr << e.what() << '\n';
            ROS_INFO("错误提示:%s",e.what());
        }

        rate.sleep();
        // 6.spin
        ros::spinOnce();
    }

    return 0;
}
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6.5、编写launch文件

<launch>
    
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtlesim_node" output="screen"/>
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="turtle_teleop_key" output="screen"/>

    <node pkg="tf2_test" type="test_get_turtle" name="" output="screen"/>
    <node pkg="tf2_test" type="test_pub" name="test_pub_turtle1" args="turtle1" output="screen"/>
    <node pkg="tf2_test" type="test_pub" name="test_pub_turtle2" args="turtle2" output="screen"/>
    <node pkg="tf2_test" type="test_lis" name="test_lis" output="screen"/>
launch>
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七、TF2与TF

• TF2已经替换了TF，TF2是TF的超集，建议学习 TF2 而非 TF
• TF2 功能包的增强了内聚性，TF 与 TF2 所依赖的功能包是不同的，TF 对应的是tf包，TF2 对应的是tf2和tf2_ros包，在 TF2 中不同类型的 API 实现做了分包处理。
• TF2 实现效率更高，比如在:TF2 的静态坐标实现、TF2 坐标变换监听器中的 Buffer 实现等

简而言之，我们基本上不怎么需要理会tf包了