ROS 2 từ A đến Z (P4): TF2, URDF và RViz2

Một robot là tập hợp nhiều bộ phận chuyển động: bánh xe, cánh tay, camera, LiDAR. Câu hỏi cốt lõi luôn là: vật mà camera nhìn thấy đang ở đâu so với tâm robot? So với bánh xe? Để trả lời, ROS 2 cần biết quan hệ toạ độ giữa mọi bộ phận. Đó là ba công cụ của bài này: URDF (mô tả hình dạng), TF2 (theo dõi quan hệ toạ độ), và RViz2 (nhìn thấy tất cả).

Bài này nối tiếp Phần 3: Parameters, Launch, Lifecycle.

Phiên bản (6/2026): ROS 2 Jazzy (Ubuntu 24.04). Ví dụ có cả C++ và Python. RViz2 là công cụ visualize chính. Trên Humble đổi jazzy → humble.

1. TF2 — cây quan hệ toạ độ

Mỗi bộ phận robot có một frame (hệ toạ độ riêng): base_link (tâm robot), laser (LiDAR), camera_link, left_wheel… TF2 duy trì một cây transform mô tả vị trí + hướng (translation + rotation) của frame con so với frame cha, theo thời gian thực.

            map
             │
            odom
             │
         base_link
        ┌────┼─────────┐
     laser  camera   left_wheel

Nhờ cây này, bạn hỏi "điểm trong frame laser nằm ở đâu trong frame map?" và TF2 tự tính chuỗi phép biến đổi — bạn không phải nhân ma trận bằng tay.

Static transform — frame gắn cứng

LiDAR bắt vít cố định lên thân robot → quan hệ base_link → laser không đổi. Đó là static transform.

# Cách nhanh nhất: phát static TF bằng CLI
# args: x y z yaw pitch roll  frame_cha  frame_con
ros2 run tf2_ros static_transform_publisher \
  0.1 0 0.2 0 0 0 base_link laser

Trong launch file (cách thực tế):

from launch_ros.actions import Node

Node(
    package='tf2_ros',
    executable='static_transform_publisher',
    arguments=['0.1', '0', '0.2', '0', '0', '0', 'base_link', 'laser'],
)

Dynamic transform — frame chuyển động (code)

Quan hệ odom → base_link thay đổi liên tục khi robot di chuyển → cần broadcast transform trong code.

Python:

import rclpy
from rclpy.node import Node
from tf2_ros import TransformBroadcaster
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
import math


class OdomBroadcaster(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('odom_broadcaster')
        self.br = TransformBroadcaster(self)
        self.timer = self.create_timer(0.05, self.tick)  # 20 Hz
        self.x = 0.0

    def tick(self):
        self.x += 0.01  # giả lập robot tiến lên
        t = TransformStamped()
        t.header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()
        t.header.frame_id = 'odom'
        t.child_frame_id = 'base_link'
        t.transform.translation.x = self.x
        # Quaternion cho yaw = 0
        t.transform.rotation.w = 1.0
        self.br.sendTransform(t)

C++:

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/msg/transform_stamped.hpp"

class OdomBroadcaster : public rclcpp::Node
{
public:
  OdomBroadcaster() : Node("odom_broadcaster")
  {
    br_ = std::make_unique<tf2_ros::TransformBroadcaster>(*this);
    timer_ = create_wall_timer(std::chrono::milliseconds(50),
                               std::bind(&OdomBroadcaster::tick, this));
  }
private:
  void tick()
  {
    x_ += 0.01;
    geometry_msgs::msg::TransformStamped t;
    t.header.stamp = now();
    t.header.frame_id = "odom";
    t.child_frame_id = "base_link";
    t.transform.translation.x = x_;
    t.transform.rotation.w = 1.0;
    br_->sendTransform(t);
  }
  std::unique_ptr<tf2_ros::TransformBroadcaster> br_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
  double x_ = 0.0;
};

Tra cứu transform — frame A so với frame B

Python (lookup):

from tf2_ros import TransformException
from tf2_ros.buffer import Buffer
from tf2_ros.transform_listener import TransformListener

class FrameLookup(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('frame_lookup')
        self.buffer = Buffer()
        self.listener = TransformListener(self.buffer, self)
        self.create_timer(1.0, self.lookup)

    def lookup(self):
        try:
            tf = self.buffer.lookup_transform('map', 'laser', rclpy.time.Time())
            self.get_logger().info(
                f'laser trong map: x={tf.transform.translation.x:.2f}')
        except TransformException as e:
            self.get_logger().warn(f'Chưa có transform: {e}')

Công cụ debug TF2

# Vẽ cây frame ra file PDF
ros2 run tf2_tools view_frames

# In ra transform giữa 2 frame liên tục
ros2 run tf2_ros tf2_echo base_link laser

Lỗi kinh điển: "lookup would require extrapolation into the future". Nghĩa là bạn hỏi transform ở thời điểm chưa có dữ liệu. Dùng rclpy.time.Time() (rỗng = "mới nhất") thay vì timestamp cụ thể khi mới học.

2. URDF — mô tả hình dạng robot

URDF (Unified Robot Description Format) là file XML mô tả robot gồm links (bộ phận cứng) nối với nhau qua joints (khớp).

<!-- robot.urdf -->
<?xml version="1.0"?>
<robot name="my_robot">

  <!-- Thân robot -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry><box size="0.3 0.2 0.1"/></geometry>
      <material name="blue"><color rgba="0 0 0.8 1"/></material>
    </visual>
  </link>

  <!-- LiDAR -->
  <link name="laser">
    <visual>
      <geometry><cylinder radius="0.03" length="0.04"/></geometry>
    </visual>
  </link>

  <!-- Khớp gắn LiDAR lên thân (cố định) -->
  <joint name="laser_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="laser"/>
    <origin xyz="0.1 0 0.1" rpy="0 0 0"/>
  </joint>

</robot>

Các loại joint quan trọng:

Xacro — URDF gọn hơn

URDF thật rất dài và lặp. Xacro thêm biến và macro:

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="my_robot">
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05"/>

  <xacro:macro name="wheel" params="prefix y_pos">
    <link name="${prefix}_wheel">
      <visual><geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="0.04"/>
      </geometry></visual>
    </link>
    <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="${prefix}_wheel"/>
      <origin xyz="0 ${y_pos} 0" rpy="${-pi/2} 0 0"/>
      <axis xyz="0 0 1"/>
    </joint>
  </xacro:macro>

  <xacro:wheel prefix="left"  y_pos="0.12"/>
  <xacro:wheel prefix="right" y_pos="-0.12"/>
</robot>

robot_state_publisher — biến URDF thành TF2

Đây là cầu nối quan trọng: robot_state_publisher đọc URDF + trạng thái khớp (/joint_states) rồi tự phát toàn bộ TF2 cho mọi link. Bạn không phải viết broadcaster cho từng frame.

# launch/display.launch.py
import os
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
import xacro

def generate_launch_description():
    pkg = get_package_share_directory('my_robot_desc')
    urdf = os.path.join(pkg, 'urdf', 'robot.urdf.xacro')
    robot_desc = xacro.process_file(urdf).toxml()

    return LaunchDescription([
        Node(
            package='robot_state_publisher',
            executable='robot_state_publisher',
            parameters=[{'robot_description': robot_desc}],
        ),
        # GUI kéo thanh trượt để quay khớp (chỉ để test)
        Node(
            package='joint_state_publisher_gui',
            executable='joint_state_publisher_gui',
        ),
        Node(package='rviz2', executable='rviz2'),
    ])

3. RViz2 — nhìn thấy robot và dữ liệu

RViz2 là công cụ visualize 3D của ROS 2. Sau khi chạy launch trên:

ros2 launch my_robot_desc display.launch.py

Trong RViz2:

1. Đặt Fixed Frame = base_link (góc trên trái).
2. Bấm Add → thêm display RobotModel → thấy robot dựng từ URDF.
3. Add → TF → thấy các trục toạ độ của mọi frame.
4. Kéo thanh trượt trong joint_state_publisher_gui → bánh xe quay trong RViz2.

Các display hữu ích khác: LaserScan (/scan từ LiDAR), PointCloud2, Image (camera), Path (đường đi Nav2). Đây là cách bạn "nhìn thấy" robot nghĩ gì — cực kỳ quan trọng khi debug.

Mẹo: Lưu cấu hình RViz2 (File → Save Config As) thành file .rviz, rồi nạp tự động trong launch: arguments=['-d', rviz_config_path]. Đỡ phải add lại display mỗi lần.

Pitfalls thường gặp

1. RobotModel không hiện — Fixed Frame sai, hoặc robot_state_publisher chưa chạy, hoặc URDF có link không nối vào cây joint.
2. TF "không liền" — thiếu một transform trong chuỗi (vd thiếu odom → base_link). Chạy ros2 run tf2_tools view_frames để thấy cây bị đứt ở đâu.
3. Xacro lỗi parse — quên xmlns:xacro, hoặc dùng ${} mà không khai báo property.
4. Bánh xe quay sai trục — sai axis hoặc rpy trong joint. Dựng từng link trong RViz2 để kiểm tra trực quan.

Tổng kết

• URDF/Xacro mô tả hình dạng robot bằng links + joints.
• robot_state_publisher biến URDF thành cây TF2 tự động.
• TF2 trả lời mọi câu hỏi "frame A ở đâu so với frame B".
• RViz2 cho bạn nhìn thấy robot, các frame, và dữ liệu sensor.

Có URDF và TF2 rồi, ta sẵn sàng điều khiển phần cứng thật. Phần 5: ros2_control sẽ dùng chính URDF này để khai báo hardware interface và lái motor.

Bài viết liên quan

• ROS 2 từ A đến Z (P3): Parameters, Launch, Lifecycle — Khởi động hệ thống display
• ROS 2 từ A đến Z (P5): ros2_control và Hardware — Dùng URDF để điều khiển motor
• ROS 2 từ A đến Z (P6): Nav2 — Robot tự hành — TF2 là nền tảng của navigation