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周兴社 著

图书标签:

• ROS
• 机器人操作系统
• 机器人学
• 机器人控制
• SLAM
• 路径规划
• 传感器
• Linux
• C++
• 开源软件

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111568360

版次：1

商品编码：12094469

品牌：机工出版

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-06-01

用纸：胶版纸

页数：209

内容简介

本书主要分析ROS的核心功能实现原理，探讨基于ROS的智能机器人软件系统优化开发方法与实现技术。本书主要分为四部分：智能机器人发展现状和ROS基本框架;ROS核心功能包集实现原理及源码分析;基于ROS的服务、工业智能机器人开发;ROS优化及智能机器人软件展望。

作者简介

周兴社，从事计算机专业教学30余年，主讲计算机操作系统、嵌入式计算系统、分布式计算系统等课程；早期主编过《计算机操作系统》教材，不少大学采用；担任计算机学院院长15年之久，兼任软件与微电子学院院长10年，曾任教育部计算机教学指导委员会委员、对计算机类高等教育有较深刻的认识和一定的研究；主持的“国际化工程型软件人才培养”获得国家教学成果二等奖；主持的“嵌入式系统创新人才培养模式”获得省教学成果一等奖；作为负责人之一的计算机操作系统课程为精品课程；教学团队为省级教学团队。

目录

前言
第1章智能机器人及其发展概述 1
1.1智能机器人概念及其特点 1
1.1.1智能机器人概念 1
1.1.2智能机器人的发展 2
1.1.3智能机器人的特点 3
1.2智能机器人的组成 3
1.2.1智能机器人的硬件组成 3
1.2.2智能机器人的软件系统 7
1.3智能机器人的分类 10
1.3.1服务智能机器人 11
1.3.2工业智能机器人 14
第2章ROS体系架构 18
2.1ROS框架 18
2.1.1ROS简介 18
2.1.2ROS整体架构分析 20
2.1.3名称系统 27
2.2ROS 2.0框架 28
2.2.1ROS 2.0简介 28
2.2.2ROS与ROS 2.0之间的主要区别 29
2.3本章小结 31
第3章ROS通信机制 32
3.1ROS通信机制概述 32
3.1.1ROS通信机制概念 32
3.1.2ROS通信机制的基本要素 32
3.1.3ROS通信机制的分类 33
3.2基于主题的异步数据流通信 33
3.2.1简介 33
3.2.2异步数据流的实现基础 34
3.2.3异步数据流的实现过程 42
3.2.4回调函数处理 47
3.3基于服务的同步RPC通信 50
3.3.1简介 50
3.3.2同步RPC通信的实现过程 51
3.4基于参数服务器的数据传递 55
3.4.1简介 55
3.4.2具体实现过程 57
3.5本章小结 58
第4章ROS坐标变换体系及其实现 60
4.1机器人运动学基本原理 60
4.1.1空间坐标系的描述和转换 60
4.1.2机器人的正运动学 65
4.2ROS tf 69
4.3tf原理分析 70
4.3.1相关数据结构 70
4.3.2tf关键模块的实现 80
4.4特定机器人的ROS tf应用实例 85
4.4.1tf外部接口 85
4.4.2ROS tf在UR5上的应用 85
4.5本章小结 87
第5章ROS任务调度与有限状态机实现 88
5.1ROS 任务调度接口设计 88
5.1.1action的设计与编译 88
5.1.2基于主题的ActionClient与ActionServer的交互设计 89
5.1.3ActionClient与ActionServer的交互过程 90
5.1.4action状态变换 91
5.1.5actionlib的任务调度策略 93
5.1.6actionlib接口的具体实现 95
5.2ROS有限状态机的SMACH 98
5.2.1有限状态机的基本原理 98
5.2.2SMACH概述 100
5.2.3SMACH状态描述 102
5.2.4SMACH容器设计与实现 107
5.2.5SMACH主要处理构件分析 111
5.2.6状态机的具体实现 113
5.3本章小结 115
第6章ROS运动规划及其实现 116
6.1智能机器人运动控制概述 116
6.2ROS MoveIt包介绍 117
6.2.1用户接口 117
6.2.2ROS MoveIt参数配置 118
6.2.3ROS MoveIt机器人接口 119
6.2.4ROS MoveIt运动规划实现 120
6.3运动规划库 121
6.3.1运动规划库概述 121
6.3.2MoveIt运动规划
编程用例 122
6.3.3规划接口定义 123
6.3.4OMPL接口分析 124
6.4RRT算法 125
6.4.1基本RRT算法描述 125
6.4.2RRT算法的性能分析 127
6.4.3RRT算法的几种优化 128
6.4.4CRRT算法 129
6.5本章小结 130
第7章基于ROS的智能机器人系统开发方法 131
7.1ROS实时化 131
7.1.1混合实时ROS体系结构RGMP-ROS 131
7.1.2案例分析 133
7.1.3结合OROCOS的实时性实现 135
7.2遗产代码的ROS集成 136
7.2.1ROSlink简介 136
7.2.2ROSlink实现概述 137
7.2.3ROSlink设计原理 138
7.3机器人任务级编程 141
7.3.1简介 142
7.3.2功能可见性模板示例 142
7.3.3实现架构 143
7.3.4Rviz用户界面 144
7.4本章小结 146
第8章基于ROS的服务智能机器人设计 147
8.1服务智能机器人的基本情况 147
8.1.1服务智能机器人的现状及分类 147
8.1.2服务智能机器人的关键技术 148
8.2ROS导航功能包集介绍 149
8.2.1概述 149
8.2.2实现过程 151
8.3基于ROS的服务智能机器人设计案例 153
8.3.1先锋3DX机器人——利用ROS实现建图、定位和自主导航 153
8.3.2基于ROS的足球机器人设计（以NAO机器人为例） 157
8.3.3基于ROS的多机器人协作AAL体系架构 159
8.3.4基于ROS的助老服务机器人设计 162
8.4本章小结 167
第9章基于ROS的工业智能机器人设计 168
9.1工业智能机器人及其软件开发挑战 168
9.1.1工业智能机器人 168
9.1.2工业智能机器人软件开发挑战 168
9.2ROS-Industrial 169
9.2.1ROS-Industrial简介 169
9.2.2ROS-Industrial项目 169
9.3基于ROS-Industrial的工业智能机器人开发实例 177
9.3.1基于ROS-Industrial的智能喷涂机器人设计 177
9.3.2工业机械臂Descartes运动规划 179
9.3.3特定工业机器人MotoPlus-ROS增量运动实现 181
9.4本章小结 188
第10章智能机器人软件平台及其未来发展 189
10.1其他智能机器人软件平台 189
10.1.1微软机器人软件平台 189
10.1.2ABB智能机器人软件平台 190
10.1.3服务机器人软件体系框架SAFSR 193
10.2智能机器人软件未来的发展方向 194
10.2.1多传感器信息融合 194
10.2.2人机协作 195
10.2.3人工智能深化应用 196
10.2.4多机器人协作 197
10.3云机器人软件平台 198
10.3.1云机器人发展背景 198
10.3.2云机器人系统结构与计算模型 199
10.3.3Rapyuta机器人云平台 202
10.3.4云机器人面临的挑战 206
参考文献 207

前言/序言

近年来，随着机电一体化、嵌入式系统及人工智能等科学技术的快速发展，智能机器人的研究与应用在全球范围内方兴未艾。在世界主要科技强国近年陆续出台的科技与产业发展规划中，工业、农业、服务、特种等各类智能机器人均作为核心技术受到了前所未有的重视，智能机器人应用已经成为衡量一个国家工业化和信息化发展水平的重要标志。
智能机器人具备的自主感知、运动规划、动作控制和协同活动等能力不仅取决于智能机器人所配置的硬件平台，也与其软件系统功能和性能密切相关。机器人操作系统是各类智能机器人的基础性运行与开发软件平台，其在屏蔽智能机器人异构硬件资源的基础上，支撑实现了智能机器人运行控制与管理，以及应用软件的开发，是构成各类智能机器人控制和任务软件系统的重要组成部分。
作为开放源码的机器人运行支撑软件和开发工具集，机器人操作系统ROS（Robot Operating System）不仅具有智能机器人的环境感知、运动控制、操作管理及多机协同等运行支撑功能，而且可以支持智能机器人应用软件和系统的功能验证、环境仿真及可视演示等高效开发活动。由于ROS具有分布式架构、多语言支持、易于扩展、持续发展等特点，其已成为各类智能机器人运行与开发的主流通用软件平台。本书主要分析ROS的核心功能实现原理，探讨基于ROS的智能机器人软件系统优化开发方法与实现技术，旨在为相关专业的本科生和研究生学习提供原理性教材，并为从事智能机器人技术研发、系统集成及领域应用的技术人员提供专业化的技术参考。
本书共分为10章，由周兴社统编和审核；杨刚负责第1和第10章的编写以及部分章节的完善；王岚参编了第2、3、7章，并整理了各章的图表；曾闹闹参编了第4、8章；张森参编了第5、9章；刘添福参编了第6章和第10章的部分内容；袁艺文参编了第5章的部分内容；闫小成参编了第6章的部分内容。在此，主编对各位参编者的贡献表示感谢，并感谢机械工业出版社编辑的辛勤工作。
我国在《经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中将智能机器人定位为战略性新兴产业，并提出大力发展工业机器人、服务机器人、手术机器人和军用机器人，推动人工智能技术应用；“国家创新驱动战略”将“智能制造与机器人”列为国家重大专项；《中国制造2025》将智能机器人列为核心技术。相信在未来十年，乃至更长的时间内，我国智能机器人技术与产业必将获得快速发展，智能机器人领域应用将会出现百花齐放的局面，从而促进工业进步，满足特种需求，服务人民生活。本书若能为此尽些绵薄之力，我们将会倍感欣慰。

《智能系统导论：架构、算法与实践》 内容梗概： 本书是一本深入探讨智能系统核心原理、关键技术及实际应用的书籍。它旨在为读者构建一个全面而深刻的智能系统知识体系，从基础的系统架构设计，到支撑智能行为的各类算法，再到如何在真实世界中部署和优化这些系统，都进行了详尽的阐述。本书不仅关注理论深度，更强调实践的可行性，力求让读者在理解抽象概念的同时，掌握解决实际问题的能力。 第一部分：智能系统架构与设计 在这一部分，我们首先会剖析智能系统的基本构成与组织形式。智能系统并非单一技术的堆砌，而是多个相互协作的模块集合。我们将从宏观层面审视智能系统的架构，包括其核心组件如何设计与集成，以及不同组件之间的信息流和控制流。 模块化设计理念： 探讨为何采用模块化设计对于构建复杂智能系统至关重要。我们将介绍如何将大型智能系统分解为更小、更易于管理和维护的子系统，如感知模块、决策模块、执行模块、通信模块等。每种模块的职责、接口定义以及它们之间的耦合度都将进行深入讨论。 分层架构模型： 智能系统的分层架构是实现复杂功能和抽象化处理的关键。我们将详细介绍典型的智能系统分层模型，例如从低级的传感器数据处理到高级的规划与推理。每一层的功能、输入输出以及在整个系统中的作用都将清晰呈现。 数据流与信息融合： 智能系统依赖于丰富的数据输入。本章将重点关注数据的采集、预处理、存储以及在系统内部的流动。我们将深入探讨信息融合技术，即如何有效地整合来自不同传感器或模块的信息，以获得更准确、更全面的环境感知或状态估计。这包括早融合、晚融合等策略，以及针对不同数据类型的融合方法。 通信协议与分布式智能： 随着智能系统的规模扩大和复杂化，分布式设计成为必然。我们将探讨智能系统内部以及与外部环境之间的通信机制。这包括标准通信协议的设计原则、实时通信的要求以及如何构建鲁棒的分布式智能系统，确保各节点间的协同工作。 安全性与可靠性设计： 智能系统在许多关键领域发挥着越来越重要的作用，因此安全性与可靠性至关重要。本章将讨论在系统设计初期如何考虑安全漏洞的防范，以及如何构建能够容忍故障、具备自愈能力的系统。这包括容错机制、冗余设计以及安全策略的制定。 第二部分：支撑智能行为的核心算法 有了坚实的架构基础，本部分将聚焦于驱动智能系统“思考”与“行动”的关键算法。我们将从基础的数学模型出发，逐步深入到各种高级算法的应用。 概率统计与不确定性建模： 现实世界充满不确定性。本章将介绍概率统计的工具，如贝叶斯定理、概率分布等，如何用于建模和处理不确定性。我们将探讨马尔可夫模型、隐马尔可夫模型等，在理解和预测动态系统行为中的作用。 机器学习基础： 机器学习是赋予系统学习能力的核心。我们将从监督学习、无监督学习、强化学习等基本范式讲起。 监督学习： 介绍回归、分类等经典算法，如线性回归、逻辑回归、支持向量机、决策树、随机森林等。重点讲解模型的原理、训练过程、评估指标以及适用场景。 无监督学习： 探讨聚类算法（如K-means）、降维算法（如PCA、t-SNE）等，如何从无标签数据中发现隐藏的模式和结构。 深度学习入门： 介绍神经网络的基本概念，包括感知机、多层感知机、激活函数、反向传播算法。在此基础上，我们会初步接触卷积神经网络（CNN）在图像处理中的应用，以及循环神经网络（RNN）在序列数据处理中的应用，为后续更复杂的模型打下基础。 感知与认知算法： 计算机视觉： 介绍图像处理的基本技术，如特征提取（SIFT, SURF）、目标检测（YOLO, Faster R-CNN）、图像分割等。探讨如何让智能系统“看懂”世界。 自然语言处理（NLP）： 介绍文本预处理、词向量模型（Word2Vec, GloVe）、语言模型、文本分类、情感分析、机器翻译等技术。探讨如何让智能系统“理解”和“生成”人类语言。 传感器数据处理： 讨论如何处理来自激光雷达（LiDAR）、摄像头、惯性测量单元（IMU）等传感器的数据，进行数据滤波、校准、配准等操作。 规划与决策算法： 路径规划： 介绍A算法、Dijkstra算法、RRT算法等，用于在给定环境中寻找最优或可行的路径。 决策理论： 探讨如何基于状态和目标，做出最优的决策。介绍有限状态机（FSM）、行为树（Behavior Trees）等在系统行为控制中的应用。 强化学习进阶： 深入讲解Q-learning、Deep Q-Networks (DQN)、Policy Gradients等强化学习算法，如何让智能体通过与环境交互来学习最优策略，并在复杂的决策任务中取得成功。 第三部分：智能系统在现实世界的实践与应用 理论最终要回归实践。这一部分将引导读者将所学的架构设计和算法知识应用于解决实际问题。 传感器技术与数据采集： 详细介绍各种常用传感器（摄像头、激光雷达、超声波传感器、IMU、GPS等）的工作原理、性能指标、安装与标定方法。讲解如何设计高效的数据采集流程，以确保数据的质量和完整性。 嵌入式系统与硬件加速： 探讨智能系统在嵌入式平台上的部署。介绍嵌入式处理器的选择、内存管理、实时操作系统（RTOS）的应用。讲解如何利用GPU、FPGA等硬件加速技术，提升计算效率，满足实时性要求。 仿真环境与测试平台： 强调仿真在智能系统开发中的重要性。介绍常用的仿真软件（如Gazebo, MuJoCo），如何构建逼真的仿真环境，进行算法验证和系统集成测试。讨论灰盒测试、黑盒测试、单元测试、集成测试等测试策略。 人机交互与用户体验： 智能系统并非孤立运行，与人类的交互至关重要。本章将探讨如何设计直观、易用的人机交互界面，以及如何提升用户的整体体验。这包括可视化技术、反馈机制以及用户反馈的收集与分析。 典型应用场景剖析： 自动驾驶： 深入分析自动驾驶汽车的感知、决策、规划和控制流程，以及其中涉及的各种关键技术和算法。 智能制造与工业自动化： 探讨智能系统在工厂生产线上的应用，如机器人协作、质量检测、预测性维护等。 智慧医疗： 分析智能诊断系统、手术机器人、个性化治疗方案等医疗领域的应用。 智能家居与智慧城市： 介绍智能家居设备的互联互通、能源管理，以及智慧城市中交通管理、公共安全等方面的应用。 部署、监控与维护： 讲解如何将开发完成的智能系统部署到实际环境中，并进行持续的监控和维护。讨论远程更新、故障诊断、性能调优以及数据安全等问题。 总结： 《智能系统导论：架构、算法与实践》提供了一条从基础概念到高级应用的学习路径。本书致力于培养读者系统性的思维能力，帮助他们理解智能系统如何从感知环境、理解信息、做出决策到执行动作，并最终在现实世界中发挥价值。无论您是学生、研究人员还是从业者，本书都将是您探索智能系统浩瀚领域的宝贵指南。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题是《机器人操作系统ROS原理与应用》，虽然我拿到这本书时，主要被其“应用”部分所吸引，希望能快速上手，但深入阅读后，我发现它在“原理”部分的讲解也异常扎实，这倒是给了我一个意外的惊喜。书中的前半部分，详细剖析了ROS的诞生背景、核心概念，比如节点、话题、服务、参数服务器等等，并且对它们的工作机制进行了清晰的梳理。作者并没有简单地罗列概念，而是通过大量的图示和代码示例，将抽象的概念具象化，让我这个初学者也能逐步理解ROS是如何构建一个分布式的机器人控制系统的。特别是关于通信机制的讲解，作者细致地阐述了TCP/IP、UDP等底层协议在ROS中的应用，以及ROS如何在此基础上构建出话题发布的发布者/订阅者模型和服务的请求/响应模型，这对于我理解ROS的实时性和高效性大有裨益。书中还深入探讨了ROS的包管理、工作空间、编译构建系统等基础知识，这些看似枯燥的内容，在作者的讲解下变得生动易懂，为后续的应用开发打下了坚实的基础。我尤其欣赏作者在讲解过程中，不时穿插的“为什么”和“如何做”，引导读者思考ROS的设计哲学，以及在实际开发中可能遇到的问题和解决方案，这使得这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一位经验丰富的导师在循循善诱。

评分☆☆☆☆☆

我一直对机器人感知技术非常感兴趣，尤其是如何利用ROS来处理和解析传感器数据，比如摄像头、激光雷达等。在阅读《机器人操作系统ROS原理与应用》这本书时，我发现它在这一块的内容虽然有所涉及，但并没有达到我所期望的深度。书中提到了ROS中常见的传感器驱动接口，也给出了一些示例，例如如何读取`/scan`话题中的激光雷达数据，或者如何订阅`/image_raw`话题中的图像信息。但是，对于如何利用ROS来对这些原始数据进行进一步的处理，例如图像去噪、特征提取、目标检测，或者激光雷达点云的滤波、分割等，书中给出的内容非常有限。我期望书中能有更详细的章节，深入讲解如何结合ROS与OpenCV、PCL等库，来实现更高级的感知算法，比如如何构建一个完整的物体识别和跟踪系统，或者如何利用ROS进行多传感器数据融合，以提高定位和建图的精度。书中虽然提到了SLAM，但更多的是介绍ROS中的现有SLAM包，而不是讲解SLAM算法本身的原理和ROS层面的实现细节。对于我这种希望深入理解机器人感知技术的读者来说，这本书在这一部分的讲解，仅仅是点到为止，未能满足我进一步探索的需求，感觉像是打开了一扇门，但门后的风景还需要自己去挖掘。

评分☆☆☆☆☆

我原本期望这本书能够提供一些关于ROS最新技术进展和前沿应用的深度分析，毕竟机器人技术发展日新月异，ROS的更新迭代速度也相当快。然而，阅读完《机器人操作系统ROS原理与应用》后，我发现它更侧重于ROS的基础理论和经典应用场景的介绍，对于一些近两年兴起的、更具颠覆性的ROS 2新特性，比如DDS的深度集成、安全性增强、跨平台支持等方面，提及的篇幅相对有限，甚至有些地方的讲解 still 停留在 ROS 1 的范畴。虽然ROS 1 依然有广泛的应用基础，但作为一本力图全面覆盖“原理与应用”的书籍，我认为在介绍ROS 2的优势和迁移方案上，可以有更深入的探讨。例如，对于ROS 2中引入的“组件”概念，以及如何利用其实现更灵活的节点管理，书中给出的示例有些简单，未能充分展示其在大型复杂系统中的威力。此外，书中关于高级导航、SLAM算法的实现，虽然给出了基本的框架，但对于算法本身的数学原理、参数调优的策略，以及如何根据具体机器人平台进行定制化优化，似乎还不够详尽。我期待能有更多的内容能够展示如何利用ROS解决更复杂的机器人问题，比如多机器人协同、人机交互的深度融合，亦或是与AI技术的结合，这些方面的内容在书中有所提及，但未能达到我预期的深度。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，《机器人操作系统ROS原理与应用》这本书给我最大的感受就是其内容的逻辑性和系统性做得相当出色。作者在组织章节时，似乎非常注重知识的层层递进，从最基础的ROS概念，到通信机制，再到工具的使用，最后才是相对复杂的应用案例，整个脉络非常清晰。每一章的知识点都衔接得很自然，不会让人觉得突兀。例如，在讲解了节点和话题的概念后，紧接着就用一个小例子演示了如何实现一个简单的节点间的通信，这种“先理论后实践”的模式，非常有助于我理解和消化。而且，书中在介绍完某个核心概念后，往往会立即通过代码示例来印证，这使得抽象的理论不再是空中楼阁。我特别欣赏作者在讲解过程中，对于一些容易混淆的概念，比如“服务”和“话题”的区别，是如何通过不同的使用场景和代码结构来加以区分的。这种严谨的逻辑和周密的安排，让我在阅读过程中，能够始终保持对知识的连贯性认知，不会因为某个点不理解而影响到后续内容的学习。这本书给我带来的不仅仅是ROS技术知识的获取，更重要的是，它教会了我如何去系统地学习和理解一个复杂的软件框架，这种学习方法论的启示，对我来说同样价值非凡，也让我对后续深入学习ROS有了更大的信心。

评分☆☆☆☆☆

拿到《机器人操作系统ROS原理与应用》这本书，我最大的感受就是其在实际操作层面的指导性非常强，作者似乎特别体谅初学者的难处，提供了大量可执行的代码示例，并且步骤清晰。书中关于如何安装ROS、配置开发环境、创建和构建ROS包等内容，简直是手把手教学，即使是完全没有编程经验的人，跟着做也能顺利搭建起ROS的工作环境。我尤其喜欢书中关于“ROS通信机制实战”的章节，作者通过一个简单的发布/订阅模型，演示了如何创建消息发布节点和订阅节点，如何定义自定义消息类型，以及如何利用`rosbag`工具来记录和回放话题数据，这些都极大地降低了ROS的学习门槛。此外，书中关于`rviz`和`rqt`等可视化工具的使用讲解也十分到位，通过这些工具，我能够直观地看到机器人的状态、传感器数据以及规划的路径，这对于理解ROS系统的运行机制非常有帮助。书中对一些常用ROS工具（如`roscpp`, `rospy`）的API调用进行了详细的介绍，并且结合实际应用场景，给出了具体的代码片段，让我能够快速上手编写自己的ROS节点。尽管在某些理论深度上可能有所欠缺，但对于想要快速入门ROS，并动手实现一些基本机器人功能的朋友来说，这本书绝对是一个不可多得的优质资源，它让我从“看懂”ROS，很快过渡到“会用”ROS。

评分☆☆☆☆☆

书质量不错，内容没全看跟机器人导论差不多

评分☆☆☆☆☆

理论讲解较好，MATLAB仿真不是非常细致

评分☆☆☆☆☆

正版图书，给力，全新，这就翻看

评分☆☆☆☆☆

东西挺不错的，快递相当给力，希望以后质量不错！

评分☆☆☆☆☆

比较实用的一本书，很有帮助。主要搞活动买的，价钱也划算

评分☆☆☆☆☆

不错不错，是正版的书。

评分☆☆☆☆☆

超级好，书很棒，看了收获不少。

评分☆☆☆☆☆

这本书与一般的翻译过来的机器人方面的书有很大不太，翻译的基本都是在国外工作的中国人，翻译比较到位！

评分☆☆☆☆☆

物流飞快，书在看，内容还挺不错的…