ROS機器人程序設計（原書第2版） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　無論是業餘愛好者還是專業的機器人開發人員，在開始進行機器人係統及程序設計時，首先要麵對的問題都是基本的如何驅動機器人的輪子的設計。ROS通過軟件代碼復用集成瞭眾多已經開發完成的功能組件。本書專門幫助讀者從對ROS一無所知到能夠通過ROS係統完成小型機器人係統的開發和編程工作。本書提供瞭各種實際的示例代碼供讀者學習和理解ROS的軟件框架。你可以在仿真環境中自行構建機器人相應的功能程序。本書第2版在第1版的基礎上增加瞭與ROSHydro一起工作，如何創建、可視化和處理不同傳感器的點雲信息，如何控製和利用多關節機械臂，並提供簡單易懂的實用教程編寫自己的機器人。

作者簡介

　　About the Authors　　作者簡介Enrique Fernández在拉斯帕爾馬斯大學獲得計算機工程博士學位，目前是Clearpath Robotics公司高級機器人工程師。2009年他完成瞭關於SLAM的碩士學位論文。2013年他的博士論文解決瞭自主水下滑翔器（AUG）的路徑規劃問題。那段時間，他還研究瞭計算機視覺、人工智能以及其他機器人學課題，例如赫羅納大學的CIRS/ViCOROB研究實驗室AUV的慣性導航係統和視覺SLAM。他在2012年參加瞭歐洲學生自主水下航行器設計挑戰賽（Student Autonomous Underwater Challenge-Europe，SAUC-E）並獲奬，在2013年作為閤作者參與瞭SAUC-E。 　　獲得博士學位後，Enrique作為高級機器人工程師在2013年6月加入PAL Robotics公司的自主導航部門。在那裏，他開發瞭用於REEM、REEM-C和移動機器人以及相關項目的軟件，如使用ROS框架的Stockbot。他的研究方嚮包括運動規劃（路徑規劃和移動機器人控製）、機器人定位和SLAM。在2015年，他作為高級自主係統開發人員加盟Clearpath Robotics公司的自主係統部門從事SLAM相關工作。 　　在學術方麵，Enrique發錶瞭多篇會議論文，其中兩篇於2011年發錶在《International Conference of Robotics and Automation》（ICRA）上。他是Packt Publishing齣版的第1版《ROS機器人程序設計》和其他一些書部分章節的作者。他的碩士學位論文是關於室內機器人的FastSLAM算法，此機器人裝備瞭SICK激光掃描儀以及Pioneer差動平颱的輪式裏程計。他的博士學位論文是關於AUG的路徑規劃算法和工具。他還擁有電子和嵌入式係統（如PC104和Arduino）的開發經驗。他的研究背景包括SLAM、計算機視覺、路徑規劃、優化、機器人學和人工智能。 　　我要感謝這本書的閤著者，感謝他們為完成這本書所付齣的努力以及提供瞭無數示例的代碼。我還要感謝博士論文期間大學智能係統和計算工程研究所（University Institute of Intelligent Systems and Computational Engineering，SIANI）和水下機器人研究中心（Center of Underwater Robotics Research，CIRS/ViCOROB）的研究小組成員。我也要感謝在PAL機器人公司的同事，在那裏我學到很多關於ROS、機器人運動以及仿人雙足機器人的知識，不僅有軟件，還有電子和硬件設計。後，我要感謝我的傢人和朋友的幫助與支持。 　　Luis Sánchez Crespo在拉斯帕爾馬斯大學獲得瞭電子與電信工程的雙碩士學位。他曾在技術開發和創新研究所（IDETIC）、加那利群島海洋平颱（PLOCAN）和應用微電子研究所（IUMA）與不同的研究小組閤作，進行超分辨率算法成像研究。 　　他的專業興趣包括應用於機器人係統的計算機視覺、信號處理和電子設計。因此，他加入瞭AVORA團隊，這批年輕的工程師和學生從零開始從事自主水下航行器（AUV）的開發工作。在這個項目中，Luis開始開發聲學和計算機視覺係統，用於提取不同傳感器的信息，例如水聽器、聲呐和攝像頭。 　　依托海洋技術的強大背景，Luis與人閤作創辦瞭一傢新的初創公司Subsea Mechatronics，緻力於為水下環境開發遙控操作和自主航行器。 　　下麵是海洋技術工程師和企業傢（LPA Fabrika：Gran Canaria Maker Space的聯閤創始人和製造商）Dario Sosa Cabrera對Luis的評價： 　　“他很熱情，是一個多學科的工程師。他對工作負責。他可以自我管理，並承擔一個團隊領導者的責任，如在SAUC-E競賽中領導瞭AVORA團隊。他在電子和電信領域的背景讓其具備從信號處理和軟件到電子設計和製造的廣泛專業知識。” 　　Luis作為技術審校者參與瞭Packt Publishing齣版的第1版《ROS機器人程序設計》的相關工作。 　　首先，我要感謝Aaron、Anil以及Enrique邀請我參與編寫這本書。和他們一起工作非常快樂。同時，我也要感謝水下機電團隊關於重型水下機器人的豐富經驗，這些年我們一起成長。我必須提到LPA Fabrika：Gran Canaria Maker Space，他們備課和講授教育機器人及技術項目極富熱情，與他們共享工作環境也非常令人激動。 　　後，我要感謝我的傢人和女朋友對我參與的每個項目的大力支持和鼓勵。 　　Anil Mahtani是一名從事水下機器人工作5年的計算機科學傢。他在該領域工作是在完成碩士論文期間為低成本ROV開發軟件架構。在此期間，他也成為AVORA的團隊領導者和主要開發人員，這個團隊的高校學生設計和開發瞭一個自主水下航行器並參加瞭2012年的SAUC-E。同年，他完成瞭論文並獲得瞭拉斯帕爾馬斯大學的計算機科學碩士學位。此後不久，他成為SeeByte公司的軟件工程師，這傢公司是水下係統智能軟件解決方案的全球領導者。 　　在SeeByte公司工作期間，Anil參與瞭軍方、石油和天然氣公司的一些半自主和自主水下係統的核心開發。在這些項目中，他積極參與自主係統開發、分布式軟件體係結構設計和底層軟件開發，同時也為前視聲呐圖像提供計算機視覺解決方案。他還獲得瞭項目經理職位，管理一個開發和維護內核C++庫的工程師團隊。 　　他的專業興趣主要包括軟件工程、算法、分布式係統、網絡和操作係統。Anil在機器人方嚮主要負責提供高效和健壯的軟件解決方案，不僅解決當前存在的問題，還預見未來的問題或可能的改進。鑒於他的經驗，他在計算機視覺、機器學習和控製問題上也有獨特的見解。Anil對DIY和電子學有興趣，並且開發瞭一些Arduino庫迴饋社區。 　　首先，我要感謝我的傢人和朋友的支持，他們總是在我需要的時候幫助我。我也要感謝我的同事和朋友David Rubio Vidal、Emilio Miguelá?ez Martín和John Brydon給我大的支持，他們以專業的方式教我很多知識。我還要感謝我在SeeByte和AVORA團隊的同事，這些年從他們那裏學習並經曆很多。後，我要特彆感謝Jorge Cabrera Gámez，他的指導和建議成就瞭我自己從未想象到的職業生涯。 　　Aaron Martinez是數字化製造領域的電腦工程師、企業傢和專傢。他於2010年在拉斯帕爾馬斯大學的Instituto Universitario de Cienciasy Tecnologias Ciberneticas（IUCTC）完成碩士論文。他在遠程監控領域使用沉浸式設備和機器人平颱準備碩士論文。得到學位後，他參加瞭在奧地利林茨開普勒大學研究所的機器人學實習計劃。在實習期間，他作為團隊的一員使用ROS和導航包集進行移動平颱開發。之後，他參與瞭有關機器人的項目，其中一個是拉斯帕爾馬斯大學的AVORA項目。在這個項目中，他參與自主水下航行器製作，並參與意大利的SAUC-E。2012年，他負責維護這個項目；2013年，他幫助從ROS嚮機器人平颱移植導航包集和其他算法。 　　近，Aaron與人共同創立瞭一傢名為SubSeaMechatronics SL的公司。這傢公司從事與水下機器人和遙控係統相關的項目，還設計和製造水下傳感器。公司的主要目標是開發用於研發原型和重型機械手的定製解決方案。 　　Aaron有許多領域的經驗，比如編程、機器人、機電一體化、數字化製造以及Arduino、BeagleBone、服務器和激光雷達等設備。如今，他在SubSeaMechatronics SL公司從事水下和空中環境的機器人平颱設計。 　　我要感謝我的女朋友，她在我寫這本書時給我支持以及給我繼續成長的動力。我還要感謝Donato Monopoli（加那利群島技術研究所（ITC）生物醫學工程部門的主管），以及ITC所有的工作人員，感謝他們使我懂得數字製造、機械以及組織工程，我在此度過瞭生命中美好的時光。 　　感謝我大學的同事，特彆是Alexis Quesada，他給瞭我在準備碩士論文時創建我第壹個機器人的機會。和他們一起工作，使我學習到很多關於機器人的知識。 　　最後，我要感謝傢人和朋友的幫助與支持。

目錄

推薦序一
推薦序二
譯者序
前言
作者簡介
審校者簡介
第1章　ROS Hydro係統入門 1
1.1　PC安裝教程 3
1.2　使用軟件庫安裝ROS Hydro 3
1.2.1配置Ubuntu軟件庫 4
1.2.2添加軟件庫到sources.list文件中 4
1.2.3設置密鑰 5
1.2.4安裝ROS 5
1.2.5初始化rosdep 6
1.2.6配置環境 6
1.2.7安裝rosinstall 7
1.3　如何安裝VirtualBox和Ubuntu 8
1.3.1下載VirtualBox 8
1.3.2創建虛擬機 8
1.4在BeagleBone Black上安裝ROS Hydro 11
1.4.1準備工作 12
1.4.2配置主機和source.list文件 13
1.4.3設置密鑰 14
1.4.4安裝ROS功能包 14
1.4.5初始化rosdep 15
1.4.6在BeagleBone Black中配置環境 15
1.4.7在BeagleBone Black中安裝rosinstall 15
1.5　本章小結 15
第2章　ROS係統架構及概念 16
2.1　理解ROS文件係統級 16
2.1.1工作空間 17
2.1.2功能包 18
2.1.3綜閤功能包 19
2.1.4消息 20
2.1.5服務 21
2.2　理解ROS計算圖級 22
2.2.1節點與nodelet 23
2.2.2主題 24
2.2.3服務 25
2.2.4消息 26
2.2.5消息記錄包 26
2.2.6節點管理器 26
2.2.7參數服務器 27
2.3　理解ROS開源社區級 27
2.4　ROS係統試用練習 28
2.4.1ROS文件係統導覽 28
2.4.2創建工作空間 29
2.4.3創建ROS功能包和綜閤功能包 30
2.4.4編譯ROS功能包 30
2.4.5使用ROS節點 31
2.4.6如何使用主題與節點交互 33
2.4.7如何使用服務 36
2.4.8使用參數服務器 38
2.4.9創建節點 38
2.4.10　編譯節點 41
2.4.11創建msg和srv文件 42
2.4.12使用新建的srv和msg文件 44
2.4.13啓動文件 48
2.4.14動態參數 50
2.5　本章小結 54
第3章　可視化和調試工具 55
3.1　調試ROS節點 57
3.1.1使用gdb調試器調試ROS節點 57
3.1.2ROS節點啓動時調用gdb調試器 58
3.1.3ROS節點啓動時調用valgrind分析節點 59
3.1.4設置ROS節點core文件轉儲 59
3.2　日誌信息 59
3.2.1輸齣日誌信息 59
3.2.2設置調試信息級彆 60
3.2.3為特定節點配置調試信息級彆 61
3.2.4信息命名 62
3.2.5按條件顯示信息與過濾信息 62
3.2.6顯示信息的方式——單次、可調、組閤 63
3.2.7使用rqt_console和rqt_logger_level在運行時修改調試級彆 63
3.3　檢測係統狀態 66
3.3.1檢測節點、主題、服務和參數 67
3.3.2使用rqt_graph在綫檢測節點狀態圖 70
3.4　設置動態參數 71
3.5　當齣現異常狀況時使用　　 roswtf 72
3.6　可視化節點診斷 74
3.7　繪製標量數據圖 75
3.8　圖像可視化 77
3.9　3D可視化 79
3.9.1使用rqt_rviz在3D世界中實現數據可視化 79
3.9.2主題與坐標係的關係 82
3.9.3可視化坐標變換 82
3.10　保存與迴放數據 83
3.10.1什麼是消息記錄包文件 84
3.10.2使用rosbag在消息記錄包中記錄數據 84
3.10.3迴放消息記錄包文件 85
3.10.4檢查消息記錄包文件的主題和消息 86
3.11　應用rqt與rqt_gui插件 88
3.12　本章小結 88
第4章　在ROS下使用傳感器和執行器 90
4.1　使用遊戲杆或遊戲手柄 90
4.1.1joy_node如何發送遊戲杆動作消息 91
4.1.2使用遊戲杆數據在turtlesim中移動海龜 92
4.2　使用激光雷達——Hokuyo URG-04lx 95
4.2.1瞭解激光雷達如何在ROS中發送數據 96
4.2.2訪問和修改激光雷達數據 98
4.3　使用Kinect傳感器查看3D環境中的對象 100
4.3.1如何發送和查看Kinect數據 101
4.3.2創建使用Kinect的示例 102
4.4　使用伺服電動機——Dynamixel 104
4.5　使用Arduino添加更多的傳感器和
　執行器 107
4.6　在Arduino上使用超聲波傳感器 111
4.7　距離傳感器如何發送消息 113
4.7.1創建使用超聲波的示例 113
4.7.2Xsens如何在ROS中發送數據 116
4.7.3創建使用Xsens的示例 116
4.8　使用10自由度低成本慣性測量模組IMU 118
4.8.1下載加速度傳感器庫 119
4.8.2Arduino Nano和10自由度傳感器編程 120
4.8.3創建ROS節點以使用10自由度傳感器數據 121
4.9　GPS的使用 123
4.9.1GPS如何發送信息 125
4.9.2創建一個使用GPS的工程實例 126
4.10　本章小結 127
第5章　計算機視覺 128
5.1　連接和運行攝像頭 129
5.1.1FireWire IEEE1394攝像頭 129
5.1.2USB攝像頭 133
5.2　使用OpenCV製作USB攝像頭　驅動程序 134
5.2.1通過cv_bridge使用OpenCV處理ROS圖像 139
5.2.2使用image transport發布圖像 139
5.2.3在ROS中使用OpenCV 140
5.2.4顯示攝像頭輸入的圖像 140
5.3　標定攝像頭 141
5.4　ROS圖像管道 148
5.5　計算機視覺任務中有用的ROS功能包 152
5.6　使用viso2實現視覺裏程計 153
5.6.1攝像頭位姿標定 154
5.6.2運行viso2在綫演示 157
5.6.3使用低成本雙目攝像頭運行viso2 159
5.7　使用RGBD深度攝像頭實現視覺裏程計 160
5.7.1安裝fovis 160
5.7.2用Kinect RGBD深度攝像頭運行fovis 160
5.8　計算兩幅圖像的單應性 161
5.9　本章小結 162
第6章　點雲 163
6.1　理解點雲庫 163

前言/序言

　　前　言　　Preface　　本書第2版概括性地介紹瞭ROS係統的各種工具。ROS是一個先進的機器人操作係統框架，現今已有數百個研究團體和公司將其應用在機器人行業中。對於機器人技術的非專業人士來說，它也相對容易上手。在本書中，你將瞭解如何安裝ROS，如何開始使用ROS的基本工具，以及最終如何應用先進的計算機視覺和導航工具。 　　在閱讀本書的過程中無需使用任何特殊的設備。書中每一章都附帶瞭一係列的源代碼示例和教程，你可以在自己的計算機上運行。這是你唯一需要做的事情。 　　當然，我們還會告訴你如何使用硬件，這樣你可以將你的算法應用到現實環境中。我們在選擇設備時特意選擇一些業餘用戶負擔得起的設備，同時涵蓋瞭在機器人研究中最典型的傳感器或執行器。 　　最後，由於ROS係統的存在使得整個機器人具備在虛擬環境中工作的能力。你將學習如何創建自己的機器人並結閤功能強大的導航功能包集。此外如果使用Gazebo仿真環境，你將能夠在虛擬環境中運行一切。第2版在最後增加瞭一章，講如何使用“Move it!”包控製機械臂執行抓取任務。讀完本書後，你會發現已經可以使用ROS機器人進行工作瞭，並理解其背後的原理。 　　主要內容第1章介紹安裝ROS係統最簡單的方法，以及如何在不同平颱上安裝ROS，本書使用的版本是ROS Hydro。這一章還會說明如何從Debian軟件包安裝或從源代碼進行編譯安裝，以及在虛擬機和ARM CPU中安裝。 　　第2章涉及ROS框架及相關的概念和工具。該章介紹節點、主題和服務，以及如何使用它們，還將通過一係列示例說明如何調試一個節點或利用可視化方法直觀地查看通過主題發布的消息。 　　第3章進一步展示ROS強大的調試工具，以及通過對節點主題的圖形化將節點間的通信數據可視化。ROS提供瞭一個日誌記錄API來輕鬆地診斷節點的問題。事實上，在使用過程中，我們會看到一些功能強大的圖形化工具（如rqt_console和rqt_graph），以及可視化接口（如rqt_plot和rviz）。最後介紹如何使用rosbag和rqt_bag記錄並迴放消息。 　　第4章介紹ROS係統與真實世界如何連接。這一章介紹在ROS下使用的一些常見傳感器和執行器，如激光雷達、伺服電動機、攝像頭、RGB-D傳感器、GPS等。此外，還會解釋如何使用嵌入式係統與微控製器（例如非常流行的Arduino開發闆）。 　　第5章介紹ROS對攝像頭和計算機視覺任務的支持。首先使用FireWire和USB攝像頭驅動程序將攝像頭連接到計算機並采集圖像。然後，你就可以使用ROS的標定工具標定你的攝像頭。我們會詳細介紹和說明什麼是圖像管道，學習如何使用集成瞭OpenCV的多個機器視覺API。最後，安裝並使用一個視覺裏程計軟件。 　　第6章將展示如何在ROS節點中使用點雲庫。該章從基本功能入手，如讀或寫PCL數據片段以及發布或訂閱這些消息所必需的轉換。然後，將在不同節點間創建一個管道來處理3D數據，以及使用PCL進行縮減采樣、過濾和搜索特徵點。 　　第7章介紹在ROS係統中實現機器人的第一步是創建一個機器人模型，包括在Gazebo仿真環境中如何從頭開始對一個機器人進行建模和仿真，並使其在仿真環境中運行。你也可以仿真攝像頭和激光測距傳感器，為後續學習如何使用ROS的導航功能包集和其他工具奠定基礎。 　　第8章是兩章關於ROS導航功能包集中的第1章。該章介紹如何對你的機器人進行使用導航功能包集所需的初始化配置。然後用幾個例子對導航功能包集進行說明。 　　第9章延續第8章的內容，介紹如何使用導航功能包集使機器人有效地自主導航。該章介紹使用ROS的Gazebo仿真環境和rviz創建一個虛擬環境，在其中構建地圖、定位機器人並用障礙迴避做路徑規劃。 　　第10章討論ROS中移動機器人機械臂的一個工具包。該章包含安裝這個包所需要的文檔，以及使用MoveIt!操作機械臂進行抓取、放置，簡單的運動規劃等任務的演示示例。 　　預備知識

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