基于ROS的机器人设计与开发

本书主要介绍机器人自主导航基本原理及其在机器人操作系统中的开发与实现。内容包括两部分：第一部分（第1~3章）介绍机器人的总体结构及关键技术、机器人操作系统的基础知识及安装过程；第二部分（第4~7章）介绍机器人自主导航的基础理论（包括机器人定位技术、SLAM技术和路径规划）及其在ROs中的实现，并以自主开发小车Aibot为例介绍典型的移动机器人的搭建过程及自主导航功能的实现过程。本书可作为高等学校机器人工程、自动化、智能无人系统科学与技术等相关专业的高年级本科生与研究生教材，也可作为移动机器人开发者的参考书籍。

第1章 机器人概述
1.1 机器人简介
1.1.1 机器人的概念
1.1.2 机器人的发展历程
1.1.3 机器人的分类
1.2 移动机器人简介
1.2.1 移动机器人整体框架
1.2.2 移动机器人的感知
1.2.3 移动机器人的控制
1.2.4 移动机器人的导航
1.2.5 移动机器人的运动规划
1.2.6 机器人操作系统
1.3 移动机器人发展
1.3.1 移动机器人的关键技术
1.3.2 移动机器人的发展趋势
第2章 ROS简介
2.1 ROS概述
2.1.1 ROS的产生
2.1.2 ROS的发展
2.1.3 设计目标
2.2 ROS主要特点
2.3 ROS组织结构
2.3.1 计算图级
2.3.2 文件系统级
2.3.3 社区级
2.4 工作环境的搭建
2.4.1 ROS的安装
2.4.2 ROS安装常见问题及解决
第3章 ROS基础
3.1 基本概念
3.1.1 工作空间
3.1.2 文件系统
3.2 工作空间的搭建
3.2.1 创建工作空间
3.2.2 创建功能包
3.3 ROS的运行
3.3.1 主题通信
3.3.2 服务通信
3.3.3 动作编程
3.4 常用命令与工具
3.4.1 基本命令汇总
3.4.2 launch文件
3.4.3 TF工具箱
3.4.4 Qt工具箱
3.4.5 RViz可视化工具
3.4.6 Gazebo可视化工具
3.5 操作小海龟
3.6 ROS编程实例
第4章 机器人定位技术
4.1 定位技术概述
4.2 激光雷达定位技术
4.2.1 激光雷达的工作原理
4.2.2 激光雷达数据
4.2.3 激光雷达定位
4.3 里程计定位技术
4.4 视觉定位技术
4.4.1 视觉里程计定位
4.4.2 视觉标记码定位
4.5 基于天然信源的定位技术
4.5.1 惯性导航
4.5.2 地磁定位
4.6 基于外置信源的定位技术
4.6.1 GPS定位技术
4.6.2 UWB定位技术
4.6.3 Wi-Fi定位技术
4.6.4 蓝牙定位技术
4.6.5 蜂窝移动网络定位技术
4.6.6 超声波定位技术
4.7 多传感器融合定位技术
4.7.1 位姿描述与坐标变换
4.7.2 卡尔曼滤波
4.7.3 多传感器融合
第5章 机器人SLAM技术
5.1 SLAM概述
5.1.1 SLAM经典框架
5.1.2 SLAM问题引出
5.1.3 粒子滤波SLAM
5.1.4 FastSLAM
5.1.5 ROS中SLAM的实现
5.2 Gmapping
5.2.1 Gmapping算法原理
5.2.2 Gmapping算法实现
5.2.3 Gmapping的节点配置与运行
5.2.4 Gmapping建图仿真
5.3 Cartographer
5.3.1 Cartographer功能包
5.3.2 Cartographer的节点配置与运行
5.3.3 Cartographer建图仿真
5.4 Hector-slam
5.4.1 Hector-slam功能包
5.4.2 Hector-slam的节点配置与运行
5.4.3 Hector-slam建图仿真
第6章 机器人路径规划
6.1 路径规划概述
6.2 移动机器人路径规划算法
6.2.1 全局路径规划算法
6.2.2 局部路径规划算法
6.3 路径规划功能包
6.3.1 路径规划框架
6.3.2 move_base、amcl功能包
6.4 代价地图的配置
6.5 局部规划器的配置
6.6 机器人路径规划功能的Gazebo仿真
第7章 Aibot机器人自主导航实例
7.1 Aibot机器人介绍
7.1.1 Aibot机器人硬件平台
7.1.2 Aibot机器人电路设计
7.1.3 Aibot机器人底层运动控制程序
7.2 多传感器融合定位
7.2.1 融合框架
7.2.2 里程计模型
7.2.3 IMU数据解算
7.2.4 IMU数据与里程计数据融合
7.3 Aibot机器人的自主导航
7.3.1 Aibot机器人导航流程
7.3.2 自主导航的软件实现方案
7.3.3 通信模块的软件实现
7.3.4 传感器数据处理模块的软件实现
7.3.5 运动控制的软件实现
7.3.6 建图与路径规划模块的软件实现
7.4 远程控制Aibot导航
7.4.1 远程控制Aibot建图
7.4.2 控制Aibot小车进行自主路径规划
7.5 搭建导航机器人注意事项
7.5.1 编码器协方差设置
7.5.2 静态坐标变换的发布
7.5.3 节点的通信关系
7.5.4 机器人导航中的TF树
7.5.5 导航错误排查
参考文献