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ROS機器人操作系統原理與應用(普通高等教育機器人工程系列教材) 版權信息
- ISBN：9787030728852
- 條形碼：9787030728852 ; 978-7-03-072885-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
ROS機器人操作系統原理與應用(普通高等教育機器人工程系列教材) 內容簡介
本書主要講解R0S機器人操作系統的原理與應用。全書共9章。第1～6章介紹ROS機器人操作系統的基本概念及操作、節點編程及開發、程序調試與可視化、ROS系統建模與可視化仿真，以及ROS系統的傳感器和執行器。第7章講述ROS平臺下的移動機器人自主定位與地圖構建。第8章講述移動機器人如何實現目標點導航的問題。第9章以實體機器人為基礎，結合實踐操作講述ROS機器人操作系統的實際應用。 本書內容豐富、深入淺出、圖文并茂，內容組織合理、難易程度適當。為便于讀者學習，提供與內容對應的例程源代碼。 本書可作為普通高等學校工科專業的本科生和研究生學習ROS機器人操作系統的教材與參考書。學習本書的讀者應具備一定的C++和Python編程知識，以期達到良好的學習效果。
ROS機器人操作系統原理與應用(普通高等教育機器人工程系列教材) 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 操作系統的概念與定義 1
1.2 ROS機器人操作系統的起源與發展 2
1.3 Ubuntu虛擬機安裝及配置 3
1.4 ROS的安裝及配置 6
1.5 ROS 2簡介及選擇ROS 1的原因 8
習題 10
第2章 ROS基本概念及操作 11
2.1 ROS文件系統級 11
2.2 ROS計算圖級 15
2.3 ROS開源社區級 22
2.4 名稱 22
2.5 ROS常見命令 24
習題 28
第3章 ROS節點編程及開發 29
3.1 ROS系統的基本操作 29
3.2 ROS節點編程 32
3.3 ROS消息和服務的編程實現 38
3.4 launch啟動文件 47
習題 49
第4章 ROS程序調試與可視化 50
4.1 ROS節點調試及日志信息輸出 50
4.2 監視系統狀態 61
4.3 機器人數據的二維可視化 65
4.4 三維剛體變換與tf樹 68
4.5 機器人數據的三維可視化 70
4.6 保存與回放數據 74
習題 78
第5章 ROS建模與可視化仿真 79
5.1 統一的機器人描述格式——URDF 79
5.2 xacro機器人建模方法 90
5.3 Gazebo仿真器 97
5.4 基于Gazebo的機器人仿真 102
習題 114
第6章 ROS下的傳感器與執行器 115
6.1 激光雷達 115
6.2 攝像機接口及應用 121
6.3 Kinect立體相機 133
6.4 輪式里程計 140
6.5 操作手柄 143
6.6 慣性測量單元 148
6.7 電機 151
習題 154
第7章 移動機器人自主定位與地圖構建 155
7.1 移動機器人運動控制系統及地圖 155
7.2 SLAM框架及工作原理 159
7.3 在ROS中發布里程計信息 163
7.4 Gmapping算法及工作原理 170
7.5 Gmapping算法仿真 174
7.6 Karto算法及ROS實現 183
習題 194
第8章 移動機器人自主運動導航 195
8.1 機器人導航功能包集 195
8.2 基礎控制器 199
8.3 自主導航文件體系及move_base功能包 205
8.4 代價地圖功能包 212
8.5 路徑規劃器及算法 216
8.6 基于Gazebo的機器人自主導航仿真 225
8.7 導航功能包集編程 233
習題 239
第9章 輪式移動機器人系統與功能實現 240
9.1 機器人系統簡介 240
9.2 機器人基礎功能實現 243
9.3 現實場景的SLAM地圖構建 248
9.4 機器人自主導航實現 252
9.5 RTAB三維建圖導航 257
習題 259
參考文獻 260
第1章 緒論 1
1.1 操作系統的概念與定義 1
1.2 ROS機器人操作系統的起源與發展 2
1.3 Ubuntu虛擬機安裝及配置 3
1.4 ROS的安裝及配置 6
1.5 ROS 2簡介及選擇ROS 1的原因 8
習題 10
第2章 ROS基本概念及操作 11
2.1 ROS文件系統級 11
2.2 ROS計算圖級 15
2.3 ROS開源社區級 22
2.4 名稱 22
2.5 ROS常見命令 24
習題 28
第3章 ROS節點編程及開發 29
3.1 ROS系統的基本操作 29
3.2 ROS節點編程 32
3.3 ROS消息和服務的編程實現 38
3.4 launch啟動文件 47
習題 49
第4章 ROS程序調試與可視化 50
4.1 ROS節點調試及日志信息輸出 50
4.2 監視系統狀態 61
4.3 機器人數據的二維可視化 65
4.4 三維剛體變換與tf樹 68
4.5 機器人數據的三維可視化 70
4.6 保存與回放數據 74
習題 78
第5章 ROS建模與可視化仿真 79
5.1 統一的機器人描述格式——URDF 79
5.2 xacro機器人建模方法 90
5.3 Gazebo仿真器 97
5.4 基于Gazebo的機器人仿真 102
習題 114
第6章 ROS下的傳感器與執行器 115
6.1 激光雷達 115
6.2 攝像機接口及應用 121
6.3 Kinect立體相機 133
6.4 輪式里程計 140
6.5 操作手柄 143
6.6 慣性測量單元 148
6.7 電機 151
習題 154
第7章 移動機器人自主定位與地圖構建 155
7.1 移動機器人運動控制系統及地圖 155
7.2 SLAM框架及工作原理 159
7.3 在ROS中發布里程計信息 163
7.4 Gmapping算法及工作原理 170
7.5 Gmapping算法仿真 174
7.6 Karto算法及ROS實現 183
習題 194
第8章 移動機器人自主運動導航 195
8.1 機器人導航功能包集 195
8.2 基礎控制器 199
8.3 自主導航文件體系及move_base功能包 205
8.4 代價地圖功能包 212
8.5 路徑規劃器及算法 216
8.6 基于Gazebo的機器人自主導航仿真 225
8.7 導航功能包集編程 233
習題 239
第9章 輪式移動機器人系統與功能實現 240
9.1 機器人系統簡介 240
9.2 機器人基礎功能實現 243
9.3 現實場景的SLAM地圖構建 248
9.4 機器人自主導航實現 252
9.5 RTAB三維建圖導航 257
習題 259
參考文獻 260
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ROS機器人操作系統原理與應用(普通高等教育機器人工程系列教材) 節選
第1章 緒論 隨著機器人領域的快速發展和復雜化，代碼的復用性和模塊化需求越來越強烈，現有的開源機器人系統難以滿足實際需求。在這種情況下， ROS開源機器人操作系統應運而生。本章將從 ROS機器人操作系統的概述開始，介紹 ROS的起源與發展、 Ubuntu 20.04虛擬機的安裝及配置、 ROS的安裝及配置等內容。 1.1 操作系統的概念與定義 操作系統(Operating System，OS)是控制和管理整個計算機系統硬件和軟件資源的程序，也是計算機系統的內核與基石。作為控制其他程序運行、管理系統資源并為用戶提供操作界面的系統軟件的集合，操作系統承擔管理與配置內存、決定系統資源供需的優先次序、控制輸入與輸出設備、操作網絡與管理文件系統等事務，用于合理地組織調度計算機的工作和資源的分配，為用戶和其他軟件提供便捷的接口環境。操作系統的形態多樣，不同機器安裝的操作系統可從簡單到復雜，適用于手機、嵌入式系統到超級計算機等廣泛的應用場景。 常見的計算機操作系統有 DOS、OS/2、UNIX、XENIX、Linux、Windows、Netware等。Windows與 Linux操作系統的基本架構如圖1.1所示。在 Windows系統架構中，上方代表用戶模式進程，下方組件是內核模式的操作系統服務。用戶模式的進程在一個受保護的進程地址空間中執行，系統支持進程、服務進程、用戶應用程序、環境子系統都有各自的私有進程地址空間。在 Linux系統架構中，用戶空間包括用戶應用程序和 C庫。內核空間包括系統調用接口、內核和平臺架構相關代碼。 圖1.1 操作系統架構框圖 操作系統的基本功能如下： (1)管理和控制系統資源。通過數據結構對系統信息進行記錄，根據不同的要求對系統 數據進行修改，從而實現系統資源控制。 (2)提供便于用戶使用計算機的用戶界面。 Windows系統采用窗口和圖標， Linux系統既采用命令形式，也配備有窗口形式，其目的都是方便用戶的使用。 (3)優化系統功能。計算機系統可以實現各種各樣的功能，若發生沖突會導致系統性能的下降。為了使計算機資源得到昀大程度的利用，使系統處于良好的運行狀態，操作系統還需要采用昀優方式實現系統功能。 (4)協調計算機的各種動作。計算機的運行實際上是各種硬件的同時動作，操作系統使各種動作和動態過程協調運行。 因此，操作系統可定義為：對計算機系統資源進行直接控制和管理，協調計算機的各種動作，為用戶提供便于操作的人-機界面，存在于計算機軟件系統昀底層核心位置的程序的集合。 1.2 ROS機器人操作系統的起源與發展 機器人是一個復雜且涉及面極廣的學科，涉及機械設計、電機控制、傳感器、軌跡規劃、運動學與動力學、機器視覺、定位導航、機器學習、高級智能等。為了增加自定義的機器人和軟件的復用性，加快機器人技術的研究進程，機器人操作系統應運而生。機器人操作系統是為機器人標準化設計而構造的軟件平臺，每一位機器人設計師可以使用同樣的平臺進行機器人軟件開發。標準的機器人操作系統包括硬件抽象、底層設備控制、常用功能實現、進程間消息以及數據包管理等功能。一般而言，可分為底層操作系統層和用戶群貢獻的實現不同機器人功能的各種軟件包。 機器人操作系統在世界各國有很多研究項目。例如，日本很早就在國家戰略層面提出了機器人操作系統，形成了Open Robot平臺，意大利的 Yarp開源系統可提供全新的開發環境，美國推出了 ROBOTIES、Player Stage以及 ROS(Robotic Operating System)。 1.2.1 ROS的起源 ROS是一個適用于機器人的開源的元操作系統。它提供了操作系統應有的服務，同時也提供用于獲取、編譯、編寫和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。 ROS原型由美國斯坦福大學人工智能實驗室的 STAIR(Stanford Artificial Intelligence Robot)項目組開發。2007年，機器人公司 Willow Garage與該項目組合作，將 ROS應用于 PR2機器人項目中，并提供了大量資源擴展了 ROS的概念，在2009年初推出了 ROS0.4。2010年，隨著 PR2正式對外發布， Willow Garage機器人也推出了 ROS正式開發版，即 ROS1.0。ROS的開發自始至終采用開放的 BSD協議，在機器人技術研究領域已逐漸成為一個廣泛使用的平臺。在 ROS官網，可以按類別或次序查詢 ROS支持的智能機器人信息，涵蓋了空中(Aerial)、地面(Ground)、操控(Manipulator)、海洋(Marine)等領域。 1.2.2 ROS的版本迭代與 Linux支撐 自2010年以來， ROS的發行版本(ROS Distribution)已經過數次迭代。推出 ROS發行版本的目的在于使開發人員可以使用相對穩定的代碼庫，直到其準備好將所有內容進行版本升級為止。因此，每個發行版本推出后， ROS開發者通常僅對這一版本的 bug進行修復，同時提供少量針對核心軟件包的改進。 ROS主要發行版本的版本名稱、發布時間與版本生命周期如表1.1所示。 表1.1 ROS主要發布版本的相關信息 1.3 Ubuntu虛擬機安裝及配置 ROS機器人操作系統可以安裝在 Ubuntu、Linux、Windows、OS X、Raspbian等操作系統中，但由于部分操作系統提供的指南不完整，或者僅安裝了可用軟件包的一部分，因此 ROS通常安裝在 Ubuntu操作系統上。 1.3.1 VMware虛擬機的安裝及配置 本節在 VMware虛擬機上安裝 Ubuntu 20.04，VMware虛擬機可以在主系統平臺上運行多個操作系統，而且每個操作系統都可以進行虛擬的分區、配置而不影響真實硬盤的數據。這里選擇 VMware Workstation 14 pro版本。 在 VMware官網下載對應版本的虛擬機之后，需要對 VMware虛擬機進行配置。首先需要創建新的虛擬機，在彈出的“新建虛擬機向導”對話框選擇自定義的配置類型，再選擇默認的虛擬機硬件兼容性。然后，選擇安裝來源，可以選擇“安裝程序光盤映像文件”選項，再選擇下載的 Ubuntu鏡像。VMware可以自主進行簡易安裝，從而簡化很多配置，包括不需要手動分區等。但安裝完成后是英文版的，某些系統配置仍然需要手動操作。這里選擇“稍后安裝操作系統”選項，先建立虛擬機，再手動引導安裝系統。根據要安裝的系統選擇“客戶機操作系統”選項，并在此選擇“ Linux”和“Ubuntu 64位”選項，如圖1.2所示。 圖1.2客戶機操作系統顯示界面 在上述安裝過程完成后，進入命名虛擬機的步驟，需要命名虛擬機名稱并選擇安裝位置。然后，進行處理器配置的選擇，“處理器數量”、“每個處理器的內核數量”和“處理器內核總數”都選擇“1”。指定分配給虛擬機的內存量，內存的大小必須是4MB的倍數，本節分配8GB內存。接下來配置網絡的連接方式，選擇“使用網絡地址轉換”選項。在選擇 I/O控制器類型“ LST Logic”時，選擇虛擬磁盤類型“ SCSI”。 新建虛擬機向導進入磁盤選擇，選擇“創建新虛擬磁盤”選項，然后從硬盤中劃出20GB的區域分配當前的磁盤，選擇“立即分配所有磁盤空間”和“將虛擬磁盤存儲為單個文件”選項，可以建立一個容量為20GB的磁盤空間。然后，需要建立一個文件占用磁盤空間，接著單擊“完成”按鈕，等待虛擬機的創建，如圖1.3所示。 圖1.3 等待虛擬機創建界面 1.3.2 Ubuntu 20.04的安裝及配置 在安裝 Ubuntu 20.04之前，下載 Ubuntu系統的鏡像文件，這里采用 Ubuntu-20.04.3-desktop-amd64。打開“虛擬機設置”菜單項，選擇“硬件”選項，在設置中配置“使用 ISO映像文件”。然后，選擇“啟動”→“打開電源時進入固件”選項，進入 BIOS進行配置，將 Legacy Diskette A和 Legacy Diskette B改為 Disabled。繼續在 BIOS界面進行設置，進入 Advanced，再進入 I/O Device Configuration，將其中的所有選項改為 Disabled。進入 Boot選項中，用“+”鍵將 CD-ROM Drive移到昀上方，如圖1.4所示。完成上述步驟之后保存并退出，開始安裝 Ubuntu 20.04系統。 圖1.4 BIOS配置界面 安裝 Ubuntu 20.04首先需要進行語言的選擇，選擇中文(簡體)，鍵盤布局選擇默認項，即英語(美國)。接下來進行更新和其他軟件設置，選擇“昀小安裝”選項并選擇其他選項 圖1.5 Ubuntu安裝完成的界面 中的“為圖形或無線硬件，以及其他媒體格式安裝第三方軟件”選項。由于安裝的是虛擬機，相當于有一個獨立的磁盤安裝 Ubuntu系統，因此在安裝類型設置中選擇“清除整個磁盤空間并安裝 Ubuntu”選項，并在彈出的窗口中選擇“繼續”選項，安裝的地點選擇默認的“上海”即可。設置用戶名和密碼，出現安裝界面之后耐心等待安裝完成。安裝完成之后會彈出安裝完成界面，如圖1.5所示。 1.4 ROS的安裝及配置 1.4.1使用軟件庫安裝 ROS 每一個 ROS版本和 Ubuntu操作系統之間都存在著一種對應關系，即不同版本的 ROS之間會存在互不兼容的情況，對應關系在表1.1中已進行了詳細的說明。本節以 Ubuntu 20.04為例，演示 ROS的安裝和使用。 ROS的安裝方法主要分為軟件源安裝和源碼編譯安裝兩種。軟件源為系統提供了巨大的應用程序倉庫，通過簡單的命令即可完成下載安裝。然而，源碼編譯的方法相對比較復雜，需要手動解決繁雜的軟件依賴關系，不太適合初學者進行安裝。本節選擇軟件源安裝方式，給出 ROS Noetic版本的詳細安裝過程。 首先，需要配置 Ubuntu 20.04軟件倉庫(repositories)以允許 restricted(設備的專有驅動程序)、universe(社區維護的免費和開源軟件)和 multiverse(受版權或法律問題限制的軟件)這三種安裝模式。打開 Software & Updates窗口，按照圖1.6進行配置，確保 restricted、universe和 multiverse是勾選狀態，配置完成后關閉該窗口。關閉窗口時單擊 reload(加載)按鈕，然后等待加載好，即完成了軟件源的配置。 圖1.6 Ubuntu系統設置軟件源 然后，對 ROS進行安裝(方便起見，可以前往復制相應的指令)。 添加 ROS軟件源地址到 sources.list文件中，該文件是 Ubuntu系統保存軟件源地址的文件，此操作可以確保在后續的安裝中找到 ROS相關軟件的下載地址。打開終端，輸入以下命令：
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