Coordinate Frame

又稱: Reference Frame, TF Frame
類別: Foundations & spatial maths › Frames & transforms
標籤: fundamentals, mathematics, transforms, ros

定義原點與方向、用來描述 3D 空間中位置的參考系統，用於建立機器人元件、感測器與物體之間的相對關係。

定義

座標系（又稱參考座標系）定義了在 3D 空間中描述位置與姿態所用的原點與方向。每個機器人零件、感測器與物體都有對應的座標系。常見的座標系包括世界座標系（固定的全域參考）、基座座標系（機器人基座）、末端執行器座標系與感測器座標系。座標系之間的轉換以齊次轉換矩陣或四元數-平移對表示。在 ROS 中，TF2 函式庫以樹狀結構管理座標系之間的關係，讓你能查詢像「相機相對於機器人基座在哪裡？」這樣的問題。

為何重要

座標系說明的是量測從哪裡量起，而機器人領域同時運作著數十個座標系：每個關節一個、每個感測器一個、地圖一個、工具一個。在機器人系統中，幾乎任何東西不知道其座標系就沒有意義：一個位於 (0.3, 0, 0.5) 的點，依它是相對於基座、攝影機還是世界來表示，會是完全不同的地方。機器人領域有很大比例的錯誤是座標系錯誤，而不是演算法錯誤。

主要應用

把感測器資料轉換到共同的座標系，以進行融合或規劃
以物體而非機器人基座為參考來表示抓取姿態
導航，其中 map、odom 與 base 座標系各自扮演不同的角色
手眼校正，建立攝影機與手臂之間的座標轉換
多機器人協調，把每台機器人的局部座標系與共用座標系建立關係
視覺化，每個顯示的項目都需要一個座標系才能繪製

實際應用

ROS 2 以 tf2 處理這件事，它是一棵座標轉換樹，任何節點都可以查詢，把一個點從一個座標系轉換到另一個座標系。慣例很重要：base_link 代表機器人本體，odom 代表會漂移的局部座標系，map 代表經過修正的全域座標系，另外每個感測器各有一個座標系。出問題時，症狀相當有辨識度：點雲浮在地板上方、機器人在視覺化工具中看起來側著穿牆而過，或手臂總是以固定的偏移錯過物體。每一種通常都是某個座標轉換遺失、過時，或從錯誤的原點量起。

常見誤解

座標系只是標籤：每個座標系都帶有原點與方向，用錯一個會悄悄產生看似合理但不正確的數字
軸的慣例是通用的：有些函式庫與感測器使用不同的左右手規則或軸順序，混用時符號會翻轉
座標轉換是固定的：大多數座標轉換每個週期都會改變，使用過時的座標轉換是間歇性錯誤的常見來源
平移正確就夠了：錯誤的旋轉所產生的誤差會隨著與原點的距離而增大

誰需要了解

任何把感測器整合進既有機器人的人
排查資料在視覺化工具中出現在錯誤位置的開發者
進行手眼校正或外部參數校正的工程師
第一次接觸 tf2 或同類座標轉換函式庫的學生
任何結合來自兩個安裝在不同位置之裝置之量測的人

影片

[ROS in 5 mins] 023 - Understanding ROS Coordinate Frame (Part 1): The Construct Robotics Institute

Open Source Robotics

Coordinate Frame

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為何重要

主要應用

實際應用

常見誤解

誰需要了解

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