为什么 base_link, laser, imu_link 始终在一起?
这三个坐标系代表了机器人的本地(Local)和物理 结构。它们之间的转换关系(Transform)是静态的 (Static) ,由机器人配置中的 URDF/XACRO 文件 定义,并通过 static_transform_publisher 或 robot_state_publisher 节点发布。
| 坐标系 | 作用 | 转换发布者 | 关系 |
|---|---|---|---|
base_link |
机器人几何中心(原点) | 静态(URDF) | 机器人的运动基准。 |
laser |
雷达传感器中心 | 静态(URDF) | 相对于 base_link 的固定偏移。 |
imu_link |
IMU 传感器中心 | 静态(URDF) | 相对于 base_link 的固定偏移。 |
由于这些关系是预先定义 且不变的,无论机器人如何移动,这三个坐标系始终会像被胶水粘在一起一样,保持相对位置不变。
2. 为什么 odom 会产生偏差(漂移)?
odom 坐标系(全称:Odometry Frame,里程计坐标系)代表了机器人对自身位姿的局部、相对、实时 的估计,通常来源于轮式里程计 或您代码中实现的 EKF 融合。
| 坐标系 | 作用 | 转换发布者 | 关系特性 |
|---|---|---|---|
odom |
局部运动参考系 | 动态(您的 EKF 节点) | 相对于起始位置是准确的,但会随时间积累误差。 |
odom 和 base_link 之间的偏差(漂移)是里程计误差的直接体现。
里程计漂移的原因
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轮式里程计的固有缺陷:
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车轮打滑、地面不平、机械尺寸误差都会导致轮式里程计(即使经过 EKF 融合)随着时间推移产生累计误差。
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您的 EKF 节点通过
/odom话题发布的 TF 变换就是odom\\rightarrowbase_link的变换,这个变换中的 X, Y, \\text{Yaw} 就是您的 EKF 估计出的位姿。
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IMU 漂移:
- 即使引入了 IMU,但角速度的积分也会随时间产生漂移(虽然比纯轮速计慢得多)。您的 EKF 算法无法完全消除这种累积误差。
因此,odom 坐标系的作用就是提供一个平滑、高频、没有突然跳变的局部运动参考,但它会慢慢偏离机器人的真实世界位置。
3. SLAM 如何解决这个偏差(Map \\rightarrow Odom)?
在 SLAM 方案中,例如 slam_toolbox,引入了第三个也是最核心的坐标系:map。
| 坐标系 | 作用 | 转换发布者 | 关系特性 |
|---|---|---|---|
map |
全局运动参考系 | 动态(SLAM 节点) | 修正后的、低漂移的全局位姿。 |
SLAM 算法(如 GMapping 或 SLAM Toolbox)的工作就是不断进行闭环检测(Loop Closure)和扫描匹配(Scan Matching),将 LiDAR 测量到的特征与之前构建的地图进行对比。
您看到的偏差就是 SLAM 成功运行的标志:
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odom\\rightarrowbase_link:您的 EKF 节点根据轮速和 IMU 估计的本地运动,会漂移。 -
map\\rightarrowodom:SLAM 节点实时计算出的修正量。
如果 odom 和 base_link 之间的距离在地图中保持不变,那说明您的 EKF 没有误差,这是不可能的。它们之间存在偏差是正常且必要的,这个偏差由 \\text{map} \\rightarrow \\text{odom} 来弥补。
如果 odom 始终与 map 贴合,那说明您的 SLAM 在起作用,它不断在校准您的 EKF 里程计。