本書是內容全面、偏重基礎的ROS 機器人開發(fā)入門書籍，是作者總結多年科研教學成果并在吸收國內外理論、方法和技術的基礎上完成的。本書詳細介紹了ROS 機器人基礎和ROS 常用開發(fā)工具，詳細講解了ROS系統(tǒng)架構、ROS 客戶端庫和機器人建模與仿真；以工程開發(fā)為重心，詳細講解機器視覺、機器語音、SLAM 和導航等多方面ROS 應用的實現原理和方法。本書結合大量實例，幫助讀者在實現ROS 基礎功能的同時深入理解基于ROS 的機器人開發(fā)技術，將書中的內容用于實踐。本書注重運用CDIO 工程教育理念，立足培養(yǎng)實際動手能力、綜合應用能力、創(chuàng)新思維能力。
本書配有免費教學軟件包，幫助讀者更好理解和實踐書中內容；配有免費電子課件，歡迎選用本書作教材的師生下載使用。
本書可作為普通高等院校機器人工程、自動化、人工智能、電子信息工程、軟件工程等相關專業(yè)的教材，也可供廣大科技工作者和工程技術人員參考使用。
隨著科學技術的發(fā)展以及人們對機器人的逐漸認知，機器人的應用規(guī)模和范圍日益擴大，不僅制造環(huán)境下的工業(yè)機器人應用逐漸普及，非制造環(huán)境下的服務與仿人機器人應用也蓬勃發(fā)展。機器人應用環(huán)境的日益廣泛和任務復雜度的日益增強，提高了機器人開發(fā)的時效性和困難度，對機器人硬件和軟件技術都提出了更高的要求。而相比硬件的開發(fā)，軟件開發(fā)明顯力不從心。為迎接這個挑戰(zhàn)，全球各地的開發(fā)者與研究機構紛紛投入機器人通用軟件框架的研發(fā)工作中。在近些年里，產生了多種優(yōu)秀的機器人軟件框架，為軟件開發(fā)工作提供了極大的便利，其中為優(yōu)秀的軟件框架之一就是機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）。ROS 是一個適用于機器人的通用軟件框架。它提供了操作系統(tǒng)應有的服務，包括硬件抽象、底層設備控制、常用函數的實現、進程間消息傳遞以及包管理；它也提供用于獲取、編譯、編寫和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。
編者來自重慶郵電大學自動化學院和江蘇中科重德智能科技有限公司，本書偏重于ROS 機器人軟件開發(fā)技術，是編者在學校多年從事教學、科研，在企業(yè)多年從事研發(fā)、培訓的基礎上，經多次試用，反復修改提高而成。本書將有關教學和研發(fā)成果加以總結提高，并吸收國內外理論、方法和技術，注重運用CDIO工程教育理念，立足培養(yǎng)實際動手能力、綜合應用能力和創(chuàng)新思維能力。本書注重知識內容的系統(tǒng)性、先進性與實踐性，強調實踐內容的應用性、工程性。為此，書中大量選用了編者所在團隊的研發(fā)成果、學生參加科技競賽作品、學生實驗實踐項目作為實例。
本書共分10 章：第1 章介紹ROS 的誕生、發(fā)展、特點和安裝方法，并提供教學實踐所需的源代碼包，介紹二進制包與源代碼包的區(qū)別；第2 章介紹ROS 的系統(tǒng)架構，包括典型的catkin 編譯系統(tǒng)的工作原理及其工作空間結構、工作空間中包含的常見文件類型以及這些文件的編寫規(guī)則等，并介紹ROS 的通信架構，包括ROS 的節(jié)點、節(jié)點管理器、launch 啟動文件和四種通信方式（話題、服務、參數服務器、動作庫）；第3 章介紹ROS 的常用組件和開發(fā)工具，包括Gazebo 仿真工具、Rviz 可視化平臺、rqt 可視化工具、rosbag 功能包、RoboWare Studio集成開發(fā)環(huán)境、Git 分布式版本控制系統(tǒng)；第4 章介紹ROS 客戶端庫的概念，目前常用的roscpp 和rospy 客戶端庫中函數的定義、用法，以及幾種通信方式的具體格式和實現方法；第5 章介紹TF 基本原理、TF 的通信方式和TF 編程基礎，TF 在C 和Python 接口中的實現原理以及相關用法，TF 相關工具命令；第6章說明如何使用urdf 文件創(chuàng)建一個機器人模型，然后使用xacro 文件優(yōu)化該模型，添加傳感器模型，通過ArbotiX 或者ros_control 控制器讓機器人動起來，并且放置到Rviz 或Gazebo 環(huán)境中實現可視化或仿真；第7 章討論ROS 中的圖像數據以及點云的查看方式，攝像頭的標定方法，OpenCV 庫和人臉識別的方法，使用攝像頭進行二維碼識別、物體姿態(tài)估計和AR 標記檢測、物體檢測；第8 章探討機器語音是如何實現的，如何通過語音控制機器人、語音播放和與機器人實現對話交流，并且了解和認識PocketSphinx 功能包、科大訊飛SDK 和圖靈語義；第9 章介紹SLAM 建圖和自主導航的方法，分析常用的Gmapping 算法、Hector 算法、Cartographer 算法和AMCL 定位算法；第10 章介紹多種支持ROS的機器人系統(tǒng)實例，包括流行的機器人平臺TurtleBot、科研教學機器人平臺XBot-U 和教育酷玩四足機器人Unitree A1。
本書第1～4 章由羅云翔、王琴編寫；第5～6 章由蔣暢江編寫；第7～9 章由張宇航、羅云翔、常先明編寫；第10 章由蔣暢江、王琴編寫。方洋、譚力、趙常昊、羅曉明、鄒術杰、林桐、黃子軒等參與了相關章節(jié)的資料收集和案例編寫測試，全書由蔣暢江統(tǒng)稿。
本書配有免費的教學軟件包和電子課件供選用本書的師生使用，如有需要可登錄化工教育平臺www. cipedu. com. cn 注冊后下載使用。
鑒于ROS 機器人開發(fā)技術的飛速發(fā)展，盡管編寫過程中盡心盡力，但由于編者水平有限，書中難免有疏漏或不妥之處，懇請讀者批評指正。
編著者
2021 年12 月
第1 章 ROS 機器人基礎
1.1 機器人時代與ROS 的誕生 001
1.2 初識ROS 002
1.3 ROS 的安裝及測試 003
1.3.1 選擇操作系統(tǒng)與ROS 版本 003
1.3.2 ROS 的安裝步驟 004
1.3.3 測試ROS 007
1.4 安裝教學包 008
1.5 二進制包與源代碼包 010
1.6 本章小結 010
習題一 011
第2 章 ROS 系統(tǒng)架構
2.1 ROS 文件系統(tǒng) 012
2.1.1 catkin 工作空間 012
2.1.2 catkin 編譯系統(tǒng) 013
2.1.3 package 功能包 015
2.1.4 CMakeLists.txt 文件 017
2.1.5 package.xml 文件 019
2.1.6 其他常見文件類型 022
2.1.7 Metapackage 元功能包 023
2.2 ROS 通信架構 024
2.2.1 Node 與Node Master 024
2.2.2 launch 啟動文件 026
2.2.3 話題 028
2.2.4 服務 032
2.2.5 參數服務器 035
2.2.6 動作庫 037
2.3 本章小結 039
習題二 039
第3 章 ROS 常用組件和開發(fā)工具
3.1 Gazebo 仿真工具 041
3.1.1 認識Gazebo 041
3.1.2 操作演示 042
3.2 Rviz 可視化平臺 044
3.2.1 認識Rviz 044
3.2.2 操作演示 044
3.3 rqt 可視化工具 046
3.3.1 認識rqt 046
3.3.2 操作演示 046
3.4 rosbag 功能包 048
3.4.1 認識rosbag 048
3.4.2 操作演示 049
3.5 RoboWare Studio 集成開發(fā)環(huán)境 051
3.5.1 安裝RoboWare Studio 051
3.5.2 操作演示 052
3.6 代碼管理Git 058
3.6.1 認識Git 058
3.6.2 操作演示 058
3.7 本章小結 060
習題三 060
第4 章 ROS 客戶端庫
4.1 Client Library 簡介 061
4.2 roscpp 062
4.2.1 節(jié)點 063
4.2.2 topic 065
4.2.3 service 068
4.2.4 param 070
4.2.5 時鐘 073
4.2.6 日志和異常 075
4.3 rospy 075
4.3.1 rospy 與roscpp 的比較 075
4.3.2 rospy 結構 076
4.3.3 rospy API 076
4.3.4 topic 078
4.3.5 service 080
4.3.6 param 與Time 082
4.4 本章小結 084
習題四 084
第5 章 坐標變換TF 及編程
5.1 認識TF 086
5.1.1 簡介 086
5.1.2 ROS 中的TF 086
5.1.3 ROS 中TF 坐標的基本規(guī)則 088
5.2 TF 原理和TF 消息 090
5.2.1 TF 基本原理 090
5.2.2 TF 數據類型 092
5.2.3 TF 特點 093
5.2.4 TF 消息 093
5.3 TF 編程基礎 095
5.3.1 TF 功能包及官方實例 095
5.3.2 TF 編程基礎 096
5.4 TF in C 097
5.4.1 簡介 097
5.4.2 數據類型 097
5.4.3 數據轉換 097
5.4.4 TF 類 100
5.5 TF in Python 101
5.5.1 簡介 101
5.5.2 數據類型 101
5.5.3 TF 庫 101
5.5.4 TF 類 102
5.6 TF 相關工具命令 103
5.7 本章小結 104
習題五 104
第6 章 機器人建模與仿真
6.1 機器人URDF 模型 105
6.2 創(chuàng)建與顯示URDF 模型 108
6.2.1 機器人描述功能包 108
6.2.2 創(chuàng)建URDF 模型 108
6.2.3 解析URDF 模型 109
6.2.4 在Rviz 中顯示模型 111
6.2.5 讓機器人動起來 112
6.3 添加碰撞和物理屬性 114
6.4 xacro 文件簡化URDF 模型 115
6.5 添加傳感器模型 118
6.5.1 添加攝像頭 118
6.5.2 添加Kinect 120
6.5.3 添加激光雷達 121
6.6 ArbotiX Rviz 機器人運動仿真 121
6.6.1 安裝ArbotiX 122
6.6.2 配置ArbotiX 控制器 122
6.6.3 運行仿真環(huán)境 123
6.7 ros_control 125
6.7.1 ros_control 框架 125
6.7.2 ros_control 安裝 127
6.7.3 控制器 127
6.7.4 硬件接口 127
6.7.5 傳動裝置 128
6.7.6 關節(jié)約束 129
6.7.7 控制器管理器 130
6.8 機器人Gazebo 仿真 131
6.8.1 在Gazebo 中顯示機器人模型 131
6.8.2 Gazebo 插件 132
6.8.3 Gazebo 傳動裝置 134
6.8.4 攝像頭仿真 136
6.8.5 Kinect 仿真 139
6.8.6 激光雷達仿真 140
6.9 本章小結 143
習題六 143
第7 章 機器視覺開發(fā)技術
7.1 ROS 圖像數據 145
7.1.1 二維圖像數據 145
7.1.2 三維點云和深度圖像 147
7.1.3 查看點云圖像 149
7.1.4 ROS-PCL 開發(fā)接口 151
7.2 攝像頭標定 152
7.2.1 camera_calibration 功能包 153
7.2.2 啟動標定程序 153
7.2.3 標定攝像頭 153
7.2.4 Kinect 相機的標定 155
7.2.5 加載標定參數的配置文件 155
7.2.6 校正圖像 156
7.3 OpenCV 庫和人臉識別 157
7.3.1 安裝OpenCV 庫 157
7.3.2 使用OpenCV 庫 157
7.3.3 使用OpenCV 實現人臉識別 162
7.4 二維碼識別 167
7.4.1 ar_track_alvar 功能包 167
7.4.2 創(chuàng)建二維碼 168
7.4.3 攝像頭識別二維碼 169
7.4.4 物體姿態(tài)估計與AR 標記檢測 171
7.5 物體檢測 174
7.5.1 find_object_2d 功能包 174
7.5.2 物體檢測實例 175
7.5.3 話題和參數 178
7.6 本章小結 178
習題七 179
第8 章 機器語音開發(fā)技術
8.1 語音識別 180
8.1.1 PocketSphinx 功能包 180
8.1.2 PocketSphinx 功能包測試 182
8.1.3 添加語音庫 183
8.1.4 創(chuàng)建PocketSphinx 的launch 文件 185
8.2 語音播放 185
8.2.1 播放指定文件 185
8.2.2 將輸入的文字轉化為語音 186
8.3 通過語音控制機器人 186
8.3.1 語音控制小海龜 186
8.3.2 XBot 對話和語音控制 187
8.3.3 自定義對話內容 188
8.3.4 監(jiān)控talker 功能包的運行狀態(tài) 189
8.4 在ROS 上使用科大訊飛 190
8.4.1 下載科大訊飛SDK 190
8.4.2 SDK 包測試 191
8.4.3 ROS 結合科大訊飛進行語音聽寫 193
8.5 智能語音對話 195
8.5.1 tts 語音合成實現對話 195
8.5.2 通過圖靈進行語義理解 202
8.5.3 與機器人對話 206
8.6 本章小結 208
習題八 208
第9 章 機器人SLAM 與自主導航開發(fā)技術
9.1 理論基礎 210
9.1.1 傳感器 210
9.1.2 地圖 213
9.2 Gmapping 算法 215
9.2.1 Gmapping 功能包 215
9.2.2 Gmapping 計算圖 218
9.2.3 話題和服務 219
9.2.4 參數 220
9.2.5 里程計誤差及修正 221
9.3 Hector 算法 221
9.3.1 Hector 功能包 221
9.3.2 Hector 計算圖 223
9.3.3 話題和服務 224
9.3.4 參數 224
9.4 Cartographer 算法 225
9.4.1 Cartographer 功能包 225
9.4.2 Cartographer 總體框架 226
9.4.3 Cartographer 測試 226
9.4.4 Cartographer 節(jié)點的配置與運行 228
9.5 自主導航 231
9.5.1 導航功能包 231
9.5.2 工作框架 232
9.5.3 move_base 233
9.5.4 move_base 的service 234
9.5.5 導航案例 234
9.6 costmap 和map_server 237
9.6.1 代價地圖 238
9.6.2 地圖插件的選擇 238
9.6.3 map_server 239
9.7 AMCL 定位算法 240
9.7.1 AMCL 計算圖 240
9.7.2 話題和服務 241
9.7.3 參數 242
9.7.4 AMCL 測試 243
9.8 本章小結 245
習題九 245
第10 章 ROS 機器人開發(fā)實例
10.1 TurtleBot 246
10.1.1 TurtleBot 的配置與使用 247
10.1.2 Gazebo 中的TurtleBot3 249
10.1.3 使用TurtleBot 實現導航功能 249
10.2 XBot-U 251
10.2.1 XBot-U 特點 251
10.2.2 初步上手XBot-U 機器人 252
10.2.3 智能交互 254
10.2.4 自主導航 254
10.2.5 XBot 仿真與教學 255
10.3 Unitree A1 257
10.3.1 Unitree A1 的功能與結構 257
10.3.2 Unitree A1 關節(jié)電機的配置 258
10.3.3 讓Unitree A1 機器人站起來 260
10.4 本章小結 263
參考文獻
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