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本書(shū)是內(nèi)容全面、偏重基礎(chǔ)的ROS 機(jī)器人開(kāi)發(fā)入門(mén)書(shū)籍，是作者總結(jié)多年科研教學(xué)成果并在吸收國(guó)內(nèi)外理論、方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上完成的。本書(shū)詳細(xì)介紹了ROS 機(jī)器人基礎(chǔ)和ROS 常用開(kāi)發(fā)工具，詳細(xì)講解了ROS系統(tǒng)架構(gòu)、ROS 客戶端庫(kù)和機(jī)器人建模與仿真；以工程開(kāi)發(fā)為重心，詳細(xì)講解機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器語(yǔ)音、SLAM 和導(dǎo)航等多方面ROS 應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)原理和方法。本書(shū)結(jié)合大量實(shí)例，幫助讀者在實(shí)現(xiàn)ROS 基礎(chǔ)功能的同時(shí)深入理解基于ROS 的機(jī)器人開(kāi)發(fā)技術(shù)，將書(shū)中的內(nèi)容用于實(shí)踐。本書(shū)注重運(yùn)用CDIO 工程教育理念，立足培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維能力。

本書(shū)配有免費(fèi)教學(xué)軟件包，幫助讀者更好理解和實(shí)踐書(shū)中內(nèi)容；配有免費(fèi)電子課件，歡迎選用本書(shū)作教材的師生下載使用。

本書(shū)可作為普通高等院校機(jī)器人工程、自動(dòng)化、人工智能、電子信息工程、軟件工程等相關(guān)專業(yè)的教材，也可供廣大科技工作者和工程技術(shù)人員參考使用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)機(jī)器人的逐漸認(rèn)知，機(jī)器人的應(yīng)用規(guī)模和范圍日益擴(kuò)大，不僅制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用逐漸普及，非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人機(jī)器人應(yīng)用也蓬勃發(fā)展。機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境的日益廣泛和任務(wù)復(fù)雜度的日益增強(qiáng)，提高了機(jī)器人開(kāi)發(fā)的時(shí)效性和困難度，對(duì)機(jī)器人硬件和軟件技術(shù)都提出了更高的要求。而相比硬件的開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)明顯力不從心。為迎接這個(gè)挑戰(zhàn)，全球各地的開(kāi)發(fā)者與研究機(jī)構(gòu)紛紛投入機(jī)器人通用軟件框架的研發(fā)工作中。在近些年里，產(chǎn)生了多種優(yōu)秀的機(jī)器人軟件框架，為軟件開(kāi)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(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）。ROS 是一個(gè)適用于機(jī)器人的通用軟件框架。它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞以及包管理；它也提供用于獲取、編譯、編寫(xiě)和跨計(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫(kù)函數(shù)。

編者來(lái)自重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院和江蘇中科重德智能科技有限公司，本書(shū)偏重于ROS 機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，是編者在學(xué)校多年從事教學(xué)、科研，在企業(yè)多年從事研發(fā)、培訓(xùn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次試用，反復(fù)修改提高而成。本書(shū)將有關(guān)教學(xué)和研發(fā)成果加以總結(jié)提高，并吸收國(guó)內(nèi)外理論、方法和技術(shù)，注重運(yùn)用CDIO工程教育理念，立足培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力。本書(shū)注重知識(shí)內(nèi)容的系統(tǒng)性、先進(jìn)性與實(shí)踐性，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐內(nèi)容的應(yīng)用性、工程性。為此，書(shū)中大量選用了編者所在團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果、學(xué)生參加科技競(jìng)賽作品、學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目作為實(shí)例。

本書(shū)共分10 章：第1 章介紹ROS 的誕生、發(fā)展、特點(diǎn)和安裝方法，并提供教學(xué)實(shí)踐所需的源代碼包，介紹二進(jìn)制包與源代碼包的區(qū)別；第2 章介紹ROS 的系統(tǒng)架構(gòu)，包括典型的catkin 編譯系統(tǒng)的工作原理及其工作空間結(jié)構(gòu)、工作空間中包含的常見(jiàn)文件類型以及這些文件的編寫(xiě)規(guī)則等，并介紹ROS 的通信架構(gòu)，包括ROS 的節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)管理器、launch 啟動(dòng)文件和四種通信方式（話題、服務(wù)、參數(shù)服務(wù)器、動(dòng)作庫(kù)）；第3 章介紹ROS 的常用組件和開(kāi)發(fā)工具，包括Gazebo 仿真工具、Rviz 可視化平臺(tái)、rqt 可視化工具、rosbag 功能包、RoboWare Studio集成開(kāi)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(kù)的概念，目前常用的roscpp 和rospy 客戶端庫(kù)中函數(shù)的定義、用法，以及幾種通信方式的具體格式和實(shí)現(xiàn)方法；第5 章介紹TF 基本原理、TF 的通信方式和TF 編程基礎(chǔ)，TF 在C 和Python 接口中的實(shí)現(xiàn)原理以及相關(guān)用法，TF 相關(guān)工具命令；第6章說(shuō)明如何使用urdf 文件創(chuàng)建一個(gè)機(jī)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(guò)ArbotiX 或者ros_control 控制器讓機(jī)器人動(dòng)起來(lái)，并且放置到Rviz 或Gazebo 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可視化或仿真；第7 章討論ROS 中的圖像數(shù)據(jù)以及點(diǎn)云的查看方式，攝像頭的標(biāo)定方法，OpenCV 庫(kù)和人臉識(shí)別的方法，使用攝像頭進(jìn)行二維碼識(shí)別、物體姿態(tài)估計(jì)和AR 標(biāo)記檢測(cè)、物體檢測(cè)；第8 章探討機(jī)器語(yǔ)音是如何實(shí)現(xiàn)的，如何通過(guò)語(yǔ)音控制機(jī)器人、語(yǔ)音播放和與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)話交流，并且了解和認(rèn)識(shí)PocketSphinx 功能包、科大訊飛SDK 和圖靈語(yǔ)義；第9 章介紹SLAM 建圖和自主導(dǎo)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(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例，包括流行的機(jī)器人平臺(tái)TurtleBot、科研教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)XBot-U 和教育酷玩四足機(jī)器人Unitree A1。

本書(shū)第1～4 章由羅云翔、王琴編寫(xiě)；第5～6 章由蔣暢江編寫(xiě)；第7～9 章由張宇航、羅云翔、常先明編寫(xiě)；第10 章由蔣暢江、王琴編寫(xiě)。方洋、譚力、趙常昊、羅曉明、鄒術(shù)杰、林桐、黃子軒等參與了相關(guān)章節(jié)的資料收集和案例編寫(xiě)測(cè)試，全書(shū)由蔣暢江統(tǒng)稿。

本書(shū)配有免費(fèi)的教學(xué)軟件包和電子課件供選用本書(shū)的師生使用，如有需要可登錄化工教育平臺(tái)www. cipedu. com. cn 注冊(cè)后下載使用。

鑒于ROS 機(jī)器人開(kāi)發(fā)技術(shù)的飛速發(fā)展，盡管編寫(xiě)過(guò)程中盡心盡力，但由于編者水平有限，書(shū)中難免有疏漏或不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

編著者

2021 年12 月

第1 章 ROS 機(jī)器人基礎(chǔ)

1.1 機(jī)器人時(shí)代與ROS 的誕生 001

1.2 初識(shí)ROS 002

1.3 ROS 的安裝及測(cè)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(cè)試ROS 007

1.4 安裝教學(xué)包 008

1.5 二進(jìn)制包與源代碼包 010

1.6 本章小結(jié) 010

習(xí)題一 011

第2 章 ROS 系統(tǒng)架構(gòu)

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(jiàn)文件類型 022

2.1.7 Metapackage 元功能包 023

2.2 ROS 通信架構(gòu) 024

2.2.1 Node 與Node Master 024

2.2.2 launch 啟動(dòng)文件 026

2.2.3 話題 028

2.2.4 服務(wù) 032

2.2.5 參數(shù)服務(wù)器 035

2.2.6 動(dòng)作庫(kù) 037

2.3 本章小結(jié) 039

習(xí)題二 039

第3 章 ROS 常用組件和開(kāi)發(fā)工具

3.1 Gazebo 仿真工具 041

3.1.1 認(rèn)識(shí)Gazebo 041

3.1.2 操作演示 042

3.2 Rviz 可視化平臺(tái) 044

3.2.1 認(rèn)識(shí)Rviz 044

3.2.2 操作演示 044

3.3 rqt 可視化工具 046

3.3.1 認(rèn)識(shí)rqt 046

3.3.2 操作演示 046

3.4 rosbag 功能包 048

3.4.1 認(rèn)識(shí)rosbag 048

3.4.2 操作演示 049

3.5 RoboWare Studio 集成開(kāi)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(rèn)識(shí)Git 058

3.6.2 操作演示 058

3.7 本章小結(jié) 060

習(xí)題三 060

第4 章 ROS 客戶端庫(kù)

4.1 Client Library 簡(jiǎn)介 061

4.2 roscpp 062

4.2.1 節(jié)點(diǎn) 063

4.2.2 topic 065

4.2.3 service 068

4.2.4 param 070

4.2.5 時(shí)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(jié)構(gòu) 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(jié) 084

習(xí)題四 084

第5 章坐標(biāo)變換TF 及編程

5.1 認(rèn)識(shí)TF 086

5.1.1 簡(jiǎn)介 086

5.1.2 ROS 中的TF 086

5.1.3 ROS 中TF 坐標(biāo)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(shù)據(jù)類型 092

5.2.3 TF 特點(diǎn) 093

5.2.4 TF 消息 093

5.3 TF 編程基礎(chǔ) 095

5.3.1 TF 功能包及官方實(shí)例 095

5.3.2 TF 編程基礎(chǔ) 096

5.4 TF in C 097

5.4.1 簡(jiǎn)介 097

5.4.2 數(shù)據(jù)類型 097

5.4.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 097

5.4.4 TF 類 100

5.5 TF in Python 101

5.5.1 簡(jiǎn)介 101

5.5.2 數(shù)據(jù)類型 101

5.5.3 TF 庫(kù) 101

5.5.4 TF 類 102

5.6 TF 相關(guān)工具命令 103

5.7 本章小結(jié) 104

習(xí)題五 104

第6 章機(jī)器人建模與仿真

6.1 機(jī)器人URDF 模型 105

6.2 創(chuàng)建與顯示URDF 模型 108

6.2.1 機(jī)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(jī)器人動(dòng)起來(lái) 112

6.3 添加碰撞和物理屬性 114

6.4 xacro 文件簡(jiǎn)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(dá) 121

6.6 ArbotiX Rviz 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真 121

6.6.1 安裝ArbotiX 122

6.6.2 配置ArbotiX 控制器 122

6.6.3 運(yùn)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(dòng)裝置 128

6.7.6 關(guān)節(jié)約束 129

6.7.7 控制器管理器 130

6.8 機(jī)器人Gazebo 仿真 131

6.8.1 在Gazebo 中顯示機(jī)器人模型 131

6.8.2 Gazebo 插件 132

6.8.3 Gazebo 傳動(dòng)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(dá)仿真 140

6.9 本章小結(jié) 143

習(xí)題六 143

第7 章機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)技術(shù)

7.1 ROS 圖像數(shù)據(jù) 145

7.1.1 二維圖像數(shù)據(jù) 145

7.1.2 三維點(diǎn)云和深度圖像 147

7.1.3 查看點(diǎn)云圖像 149

7.1.4 ROS-PCL 開(kāi)發(fā)接口 151

7.2 攝像頭標(biāo)定 152

7.2.1 camera_calibration 功能包 153

7.2.2 啟動(dòng)標(biāo)定程序 153

7.2.3 標(biāo)定攝像頭 153

7.2.4 Kinect 相機(jī)的標(biāo)定 155

7.2.5 加載標(biāo)定參數(shù)的配置文件 155

7.2.6 校正圖像 156

7.3 OpenCV 庫(kù)和人臉識(shí)別 157

7.3.1 安裝OpenCV 庫(kù) 157

7.3.2 使用OpenCV 庫(kù) 157

7.3.3 使用OpenCV 實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別 162

7.4 二維碼識(shí)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(shí)別二維碼 169

7.4.4 物體姿態(tài)估計(jì)與AR 標(biāo)記檢測(cè) 171

7.5 物體檢測(cè) 174

7.5.1 find_object_2d 功能包 174

7.5.2 物體檢測(cè)實(shí)例 175

7.5.3 話題和參數(shù) 178

7.6 本章小結(jié) 178

習(xí)題七 179

第8 章機(jī)器語(yǔ)音開(kāi)發(fā)技術(shù)

8.1 語(yǔ)音識(shí)別 180

8.1.1 PocketSphinx 功能包 180

8.1.2 PocketSphinx 功能包測(cè)試 182

8.1.3 添加語(yǔ)音庫(kù) 183

8.1.4 創(chuàng)建PocketSphinx 的launch 文件 185

8.2 語(yǔ)音播放 185

8.2.1 播放指定文件 185

8.2.2 將輸入的文字轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音 186

8.3 通過(guò)語(yǔ)音控制機(jī)器人 186

8.3.1 語(yǔ)音控制小海龜 186

8.3.2 XBot 對(duì)話和語(yǔ)音控制 187

8.3.3 自定義對(duì)話內(nèi)容 188

8.3.4 監(jiān)控talker 功能包的運(yùn)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(cè)試 191

8.4.3 ROS 結(jié)合科大訊飛進(jìn)行語(yǔ)音聽(tīng)寫(xiě) 193

8.5 智能語(yǔ)音對(duì)話 195

8.5.1 tts 語(yǔ)音合成實(shí)現(xiàn)對(duì)話 195

8.5.2 通過(guò)圖靈進(jìn)行語(yǔ)義理解 202

8.5.3 與機(jī)器人對(duì)話 206

8.6 本章小結(jié) 208

習(xí)題八 208

第9 章機(jī)器人SLAM 與自主導(dǎo)航開(kāi)發(fā)技術(shù)

9.1 理論基礎(chǔ) 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(jì)算圖 218

9.2.3 話題和服務(wù) 219

9.2.4 參數(shù) 220

9.2.5 里程計(jì)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(jì)算圖 223

9.3.3 話題和服務(wù) 224

9.3.4 參數(shù) 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(cè)試 226

9.4.4 Cartographer 節(jié)點(diǎn)的配置與運(yùn)行 228

9.5 自主導(dǎo)航 231

9.5.1 導(dǎo)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(dǎo)航案例 234

9.6 costmap 和map_server 237

9.6.1 代價(jià)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(jì)算圖 240

9.7.2 話題和服務(wù) 241

9.7.3 參數(shù) 242

9.7.4 AMCL 測(cè)試 243

9.8 本章小結(jié) 245

習(xí)題九 245

第10 章 ROS 機(jī)器人開(kāi)發(fā)實(shí)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能 249

10.2 XBot-U 251

10.2.1 XBot-U 特點(diǎn) 251

10.2.2 初步上手XBot-U 機(jī)器人 252

10.2.3 智能交互 254

10.2.4 自主導(dǎo)航 254

10.2.5 XBot 仿真與教學(xué) 255

10.3 Unitree A1 257

10.3.1 Unitree A1 的功能與結(jié)構(gòu) 257

10.3.2 Unitree A1 關(guān)節(jié)電機(jī)的配置 258

10.3.3 讓Unitree A1 機(jī)器人站起來(lái) 260

10.4 本章小結(jié) 263

參考文獻(xiàn)

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