在机器人系统中，有许多运动机构和传感器，为了描述他们之间的相对位姿关系，分别为他们定义了各自的坐标系，通过坐标系转换，就可以知道每个时刻各个组件的位姿。

ROS中通过TF包封装了常用的坐标系转换工具，目前ROS使用的是TF2，早在ROS Hydro以前，ROS使用的是TF。TF2相对TF，更加易用，效率更高，功能更加丰富。

ROS中通过类似topic的形式发布（广播）与订阅（监听）各组件间的位姿关系，接下来我们介绍这一机制。

一、位姿描述

位姿，即位置和姿态角。在二维空间中，使用二维点和相对于x轴正向的夹角（弧度）描述一个位姿：
$$Pos{e}_{2D}=(x,y;{\theta }_x)$$
类似的，在三维空间中，应该使用三维点和相对于xyz三个轴的夹角（弧度）描述一个位姿：
$$Pos{e}_{3D}=(x,y,z;{\theta }_x,{\theta }_y,{\theta }_z)$$
但在执行三维位姿变换时，这种表示会有一些问题。其中相对三轴的角度表示方法我们称为欧拉角（该方法是数学家欧拉提出的），欧拉角变换，需要相对XYZ轴进行三次变换，如果第二次变换角为 $\pm 90^{\circ }$ 时，第一次变换和第三次变换使用同一个轴，这就是欧拉角的万向锁问题。

所以欧拉角并不适用于三维变换计算，但由于其直观性，通常出现在人机交互场景，内部计算通常使用四元数。

四元数是复数空间的定义，即我们升了一个维度来表示三维旋转，一个四元数由一个实部和三个虚部组成：
$$q=q_0+q_{1}i+q_{2}j+q_{3}k$$
其中 $i,j,k$ 满足：
$$\{\begin{array}{l}{i}^2=j^2=k^2=-1\\ ij=-ji=k\\ jk=-kj=i\\ ki=-ik=j\end{array}$$
ROS的TF2中提供了相关的消息体格式与计算接口。

二、位姿相关消息体类型

常用的消息体有：geometry_msgs/TransformStamped 和 geometry_msgs/PoseStamped

geometry_msgs/TransformStamped 用于表示变换的信息（平移+旋转）

geometry_msgs/PoseStamped 用于表示坐标点的位姿（位置+姿态角）

2.1 geometry_msgs/TransformStamped

geometry_msgs/TransformStamped.msg 的内容如下：

Header header
string child_frame_id # the frame id of the child frame
Transform transform

说明：

它由三部分组成，header、child_frame_id 和 transform ，

其中，header 是 std_msgs/Header 类型，通常用于记录时间戳和坐标系id，结构如下：

uint32 seq      # 序列号
time stamp      # 时间戳
string frame_id # 父坐标系id

child_frame_id 用于表示变换中的子坐标系id

transform 是该变换的信息，结构如下：

Vector3 translation # 一个三维向量，表示平移
Quaternion rotation # 一个四元数，表示旋转

使用 rosmsg info geometry_msgs/TransformStamped 可以查看 geometry_msgs/TransformStamped 的全部信息，如下：

2.2 geometry_msgs/PoseStamped

geometry_msgs/PoseStamped 的内容如下：

Header header
Pose pose

说明：

它由两部分组成，header 和 pose ，

同样，header 用于记录时间戳和坐标系id，

pose 是坐标点的位姿，结构如下：

Point position         # 一个三维坐标，表示位置
Quaternion orientation # 一个四元数，表示姿态角

同样，使用 rosmsg info geometry_msgs/PoseStamped 可以查看 geometry_msgs/PoseStamped 的全部信息，如下：