ROS與ROS2開發(fā)指南

目 錄
預(yù) 備 篇
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人的概念及特點(diǎn) 1
1.1.1 機(jī)器人的由來 1
1.1.2 機(jī)器人的定義 2
1.1.3 機(jī)器人的主要特點(diǎn) 3
1.2 機(jī)器人的組成與分類 3
1.2.1 機(jī)器人的組成 3
1.2.2 機(jī)器人的分類 4
1.3 智能機(jī)器人 10
1.3.1 智能機(jī)器人的定義 10
1.3.2 腦科學(xué)與智能機(jī)器人 11
1.3.3 人工智能在機(jī)器人中的應(yīng)用 11
第2章 Linux基礎(chǔ) 14
2.1 Linux簡介 14
2.1.1 Linux的發(fā)行版 14
2.1.2 Linux應(yīng)用領(lǐng)域 15
2.2 Linux系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu) 15
2.3 Linux用戶及用戶組管理 18
2.4 Linux文件屬性管理 20
2.4.1 查看文件屬性 20
2.4.2 文件屬性修改 21
2.4.3 文件權(quán)限修改 22
2.5 Linux目錄管理 24
2.5.1 常用命令 24
2.5.2 文件內(nèi)容查看指令 27
2.5.3 重定向與追加 28
2.6 Linux包操作 29
第3章 Python基礎(chǔ) 31
3.1 Python簡介 31
3.1.1 Python發(fā)行版 31
3.1.2 Python特點(diǎn) 32
3.2 Python基礎(chǔ)介紹 32
3.2.1 基礎(chǔ)導(dǎo)引 32
3.2.2 變量 33
3.2.3 數(shù)據(jù)類型 34
3.2.4 條件語句 35
3.2.5 循環(huán)語句 36
3.2.6 切片操作 37
3.3 數(shù)據(jù)常用操作方法 38
3.3.1 字符串常見操作 38
3.3.2 列表常見操作 43
3.3.3 字典常見操作 46
3.3.4 集合常見操作 51
3.3.5 元組常見操作 52
3.3.6 邏輯運(yùn)算 54
3.4 函數(shù) 54
3.4.1 函數(shù)簡介 54
3.4.2 參數(shù)（argument-list） 55
3.4.3 局部變量與全局變量 57
3.4.4 返回值 58
3.4.5 遞歸函數(shù) 59
3.4.6 匿名函數(shù) 59
3.4.7 列表推導(dǎo)式 59
3.4.8 字典推導(dǎo)式 60
3.4.9 常用內(nèi)置函數(shù) 61
3.5 面向?qū)ο?64
3.5.1 面向過程與面向?qū)ο?64
3.5.2 類與實(shí)例 65
3.5.3 類屬性與實(shí)例屬性 65
3.5.4 類方法與靜態(tài)方法 68
3.5.5 魔法方法 69
3.5.6 面向?qū)ο蟮娜筇匦?71
3.6 常用術(shù)語介紹 74
基 礎(chǔ) 篇
第4章 ROS概述 76
4.1 初識(shí)ROS 76
4.2 PC安裝ROS 79
4.3 Raspberry 系統(tǒng)下安裝ROS的腳本 83
第5章 ROS基礎(chǔ) 84
5.1 文件系統(tǒng)級(jí) 84
5.2 計(jì)算圖級(jí) 86
5.3 開源社區(qū)級(jí) 87
5.4 文件系統(tǒng)工具 87
5.4.1 使用rospack 87
5.4.2 使用roscd 88
5.4.3 使用rosls 89
5.4.4 使用rosed 89
5.4.5 使用roscp 89
5.5 創(chuàng)建工作空間 89
5.5.1 創(chuàng)建工作空間簡介 90
5.5.2 工作空間目錄解析 90
5.6 功能包的創(chuàng)建與編譯 91
5.6.1 catkin功能包的組成 91
5.6.2 創(chuàng)建功能包 92
5.6.3 功能包依賴關(guān)系 92
5.6.4 功能包命名規(guī)范 93
5.6.5 刪除功能包 94
5.6.6 編譯功能包 94
5.7 ROS節(jié)點(diǎn) 96
5.7.1 啟動(dòng)ROS 97
5.7.2 使用rosnode 97
5.8 ROS主題與節(jié)點(diǎn)交互 98
5.8.1 控制turtle移動(dòng) 98
5.8.2 查看節(jié)點(diǎn)信息 99
5.8.3 查看主題信息 100
5.8.4 使用 rqt_graph 102
5.9 ROS服務(wù)和參數(shù) 103
5.10 創(chuàng)建ROS消息和ROS服務(wù) 106
5.10.1 消息（msg）和服務(wù)（srv）介紹 107
5.10.2 使用 msg 107
5.10.3 使用 srv 109
5.11 編寫發(fā)布器與訂閱器 110
5.11.1 定義msg消息 110
5.11.2 編寫發(fā)布器 112
5.11.3 編寫訂閱器 114
5.11.4 啟動(dòng)rqt查看節(jié)點(diǎn)信息 115
5.12 編寫服務(wù)端和客戶端 116
5.12.1 定義srv服務(wù) 116
5.12.2 編寫服務(wù)端 118
5.12.3 編寫客戶端 120
5.13 編寫launch文件 122
5.13.1 roslaunch使用方法 122
5.13.2 編寫launch文件介紹 125
實(shí) 戰(zhàn) 篇
第6章 ARTROBOT機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)搭建 127
6.1 三軸全向移動(dòng)機(jī)器人介紹 127
6.1.1 全向輪結(jié)構(gòu) 127
6.1.2 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 127
6.1.3 直流電機(jī)的選擇 129
6.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 129
6.1.5 ROS的主控板 130
6.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和分析 130
6.2.1 機(jī)器人坐標(biāo)系系統(tǒng)分析 130
6.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析 132
6.2.3 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型方程推導(dǎo) 133
6.2.4 正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型方程推導(dǎo) 135
6.2.5 航跡推算 136
6.3 ros_arduino_bridge功能包集 136
6.3.1 ros_arduino_bridge功能包集簡介 137
6.3.2 安裝ros_arduino_bridge功能包集 139
6.3.3 安裝python-serial功能包 139
6.3.4 串口的操作權(quán)限 139
6.4 下位機(jī)Arduino代碼詳解 140
6.4.1 ros_arduino_bridge功能簡介 140
6.4.2 創(chuàng)建ros_arduino_bridge項(xiàng)目 141
6.4.3 mobileBaseArduinoCode.ino 141
6.4.4 commands.h 147
6.4.5 encoder_driver.h 147
6.4.6 encoder_driver.ino 148
6.4.7 motor_driver.h 151
6.4.8 motor_driver.ino 151
6.4.9 omniWheel_controller.h 154
6.4.10 sensors.h 157
6.5 上位機(jī)ros_arduino_python代碼 158
6.5.1 ros_arduino_python功能簡介 158
6.5.2 arduino.launch 159
6.5.3 my_arduino_params.yaml 159
6.5.4 arduino_node.py 160
6.5.5 base_controller.py 161
第7章 機(jī)器人傳感器配置與使用 167
7.1 慣性測量單元校準(zhǔn)和調(diào)試 167
7.1.1 慣性測量單元相關(guān)介紹 167
7.1.2 IMU功能包簡介 167
7.1.3 在ROS環(huán)境下復(fù)制并編譯IMU源碼 168
7.1.4 IMU初始標(biāo)定 168
7.1.5 啟動(dòng)IMU測試 168
7.1.6 單獨(dú)運(yùn)行IMU 169
7.2 雷達(dá)調(diào)試 170
7.2.1 雷達(dá)選型 170
7.2.2 下載編譯ROS下驅(qū)動(dòng)源碼 171
7.2.3 生成掛載點(diǎn) 172
7.2.4 啟動(dòng)雷達(dá)測試 174
7.2.5 讀取雷達(dá)數(shù)據(jù) 174
7.3 udev串口配置 177
7.3.1 udev簡介 177
7.3.2 udev規(guī)則 177
7.3.3 udev內(nèi)容 179
7.3.4 udev生效 183
7.4 ROS中TF變換 184
7.4.1 TF功能包 185
7.4.2 TF廣播與監(jiān)聽 187
7.4.3 TF常用工具 193
第8章 SLAM及導(dǎo)航 198
8.1 SLAM簡介 198
8.2 常見激光SLAM算法簡介 199
8.3 應(yīng)用gmapping構(gòu)建機(jī)器人約束條件 200
8.4 slam_gmapping功能包 201
8.5 應(yīng)用gmapping構(gòu)建二維地圖 201
8.6 SLAM構(gòu)建地圖過程分析 205
8.6.1 地圖分析 205
8.6.2 SLAM執(zhí)行過程 206
8.6.3 gmapping參數(shù)設(shè)定 207
8.7 ROS機(jī)器人導(dǎo)航簡介 209
8.8 機(jī)器人路徑規(guī)劃算法簡介 212
8.9 應(yīng)用導(dǎo)航功能包實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃 214
8.9.1 路徑規(guī)劃執(zhí)行過程 214
8.9.2 導(dǎo)航功能包參數(shù)設(shè)定 215
第9章 機(jī)器人功能擴(kuò)展實(shí)例 218
9.1 機(jī)器人視覺跟隨功能 218
9.1.1 ROS下攝像頭的標(biāo)定 218
9.1.2 ROS跟隨功能實(shí)現(xiàn) 226
9.1.3 launch啟動(dòng)及效果演示 236
9.2 機(jī)器人+物聯(lián)網(wǎng)功能 239
9.2.1 物聯(lián)網(wǎng)模塊介紹 240
9.2.2 物聯(lián)網(wǎng)模塊硬件接線 240
9.2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊協(xié)議 244
9.2.4 機(jī)器人+物聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn) 244
9.2.5 launch啟動(dòng)及效果演示 246
第10章 ROS2簡介 249
10.1 從ROS1到ROS2 249
10.1.1 ROS1的局限性 250
10.1.2 ROS2對(duì)ROS1的改進(jìn) 250
10.2 ROS2系統(tǒng)架構(gòu) 251
10.3 ROS2安裝 252
10.3.1 ROS2在Ubuntu上安裝 252
10.3.2 Ubuntu ROS2測試 253
10.4 ROS2通信 253
10.4.1 節(jié)點(diǎn) 254
10.4.2 主題 254
10.4.3 服務(wù) 256
10.4.4 參數(shù) 259
10.4.5 基本操作 261
10.5 ROS2編程 262
10.5.1 工作空間 262
10.5.2 ROS2功能包 263
10.5.3 發(fā)布者和訂閱者 264
10.5.4 編寫簡單的服務(wù)和客戶端節(jié)點(diǎn) 270
10.5.5 創(chuàng)建ROS2消息和服務(wù)類型 275
10.6 ROS1和ROS2之間的橋接通信 283
10.6.1 ros1_bridge功能包 283
10.6.2 ros1_bridge之主題通信 283
10.6.3 ros1_bridge之服務(wù)通信 285
第11章 交叉編譯器 286
11.1 GNU toolchain介紹 286
11.1.1 gcc和g++ 286
11.1.2 as、ld和ar 287
11.2 從源碼制作gcc編譯器 288
11.3 交叉編譯器的制作 289