嵌入式機器人學：基於嵌入式係統的移動機器人設計與應用（第3版）/國傢級精品課程配套教材 [Embedded Robotics Mobile Robot Design and Application with Embedded Systems] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[德] 托馬斯·布勞恩 著，劉錦濤，辛巧，陳睿 譯

圖書標籤:

• 嵌入式係統
• 機器人學
• 移動機器人
• 嵌入式機器人
• 機器人設計
• 應用開發
• 控製係統
• 傳感器
• 電機驅動
• 路徑規劃

齣版社： 西安交通大學齣版社

ISBN：9787560542027

版次：1

商品編碼：12155592

包裝：平裝

叢書名： 國傢級精品課程配套教材

外文名稱：Embedded Robotics Mobile Robot Design and Application with Embedded Systems

開本：16開

齣版時間：2012-07

內容簡介

　　本書將移動機器人與嵌入式係統獨特地結閤在一起，其層次涵蓋瞭從入門至中級水平。
　　本書分為三大部分：嵌入式係統（軟硬件設計、執行器、傳感器、PID控製、多任務處理、無綫通信），移動機器人設計（行駛、平衡、步行及飛行機器人）和移動機器人應用（地圖構建、機器人足球、遺傳算法、神經網絡、基於行為的係統以及仿真）。
　　本書可作為計算機科學、計算機工程、信息技術、機電一體化等課程的教材，也可作為機器人愛好者及研究人員的參考用書。

內頁插圖

目錄

緻中國讀者
譯者序
前言

第I部分：嵌入式係統
第1章 機器人與控製器
1．1 移動機器人
1．2 嵌入式控製器
1．3 接口
1．4 操作係統
1．5 參考文獻
第2章 中央處理器
2．1 邏輯門
2．2 功能單元
2．3 寄存器和存儲器
2．4 Retro
2．5 算術邏輯單元
2．6 控製單元
2．7 中央處理單元
2．8 參考文獻
第3章 傳感器
3．1 傳感器分類
3．2 二值傳感器
3．3 模擬與數字信號傳感器
3．4 軸編碼器
3．5 A/D轉換器
3．6 位置敏感傳感器
3．7 電子羅盤
3．8 陀螺儀、加速度傳感器、傾角傳感器
3．9 數字攝像機
3．10 參考文獻
第4章 執行器
4．1 直流電機
4．2 H橋“
4．3 脈寬調製”
4．4 步進電機“
4．5 伺服器”
4．6 參考文獻“
第5章 控製
5．1 開關控製”
5．2 PID控製“
5．3 轉速控製和位置控製
5．4 多電機直綫行駛
5．5 Vw接口
5．6 參考文獻
第6章 多任務處理
6．1 協作式多任務處理
6．2 搶占式多任務處理
6．3 同步
6．4 調度
6．5 中斷和定時器激活的任務
6．6 參考文獻
第7章 無綫通信
7．1 通信模型
7．2 消息
7．3 容錯自配置
7．4 用戶接口和遠程控製
7．5 應用程序範例
7．6 參考文獻

第Ⅱ部分：移動機器人設計
第8章 行駛機器人
8．1 單輪驅動
8．2 差速驅動
8．3 履帶機器人
8．4 同步傳動
8．5 阿剋曼轉嚮
8．6 行駛運動學
8．7 參考文獻
第9章 全嚮機器人
9．1 Mecanum輪
9．2 全嚮行駛
9．3 運動學
9．4 全嚮機器人設計
9．5 行駛程序
9．6 參考文獻
第10章 平衡機器人
10．1 仿真
10．2 倒立擺機器人
10．3 二級倒立擺
10．4 參考文獻
第11章 步行機器人
11．1 六足機器人的設計
11．2 雙足機器人設計
11．3 行走機器人的傳感器
11．4 靜態平衡
11．5 動態平衡
11．6 參考文獻
第12章 自動駕駛飛機
12．1 應用
12．2 控製係統和傳感器
12．3 飛行程序
12．4 參考文獻
第13章 自主水上和水下機器人
13．1 應用
13．2 動力學模型
13．3 AUV設計實例Mako
13．4 AUV設計實例USAL
13．5 參考文獻
第14章 機器人手臂
14．1 齊次坐標
14．2 運動學
14．3 仿真和編程
14．4 參考文獻
第15章 仿真係統
15．1 移動機器人仿真
15．2 EyeSim仿真係統
15．3 多機器人仿真
15．4 EyeSim應用
15．5 EyeSim環境和參數文件
15．6 SubSim仿真係統
15．7 執行器和傳感器模型
15．8 SubSim應用
15．9 SubSim環境和參數文件
……

第Ⅲ部分：移動機器人應用
附錄
索引

前言/序言

　　EyeBot控製器及移動機器人的發展已逾十年之久，本書將采用EyeBot控製器（EyeCon）和EyeBot係列移動機器人作為應用實例，對嵌入式係統和自主移動機器人進行深入地介紹。
　　本書整閤瞭一些教學和科研的材料，可用於嵌入式係統、機器入學和自動化的課程。我們發現實驗是此領域教與學所必不可少的環節，因而鼓勵大傢能夠重新編寫和理解本書提供的程序和係統。
　　盡管在本書中一些地方，仿真瞭很多應用且對此研究得也比較深入，但我們仍認為學生無論是在嵌入式係統還是在機器人領域都應去接觸實際的硬件。這將加深對問題的理解，當然也會充滿樂趣，尤其是使用小型移動機器人做實驗的時候。
　　EyeBot項目最初的目標是將一個嵌入式係統接入數字攝像機（EyeCam），在本地實時地處理攝像機的圖像以用於機器人導航，並在一個圖像LCD上顯示結果。所有的這些早在數字攝像機進入市場之前便開始瞭——事實上EyeBot控製器是最早的“嵌入式視覺係統”之一。
　　由於圖像處理總是需要很大的處理量，僅僅是簡單的8位微控製器將滿足不瞭本項目的需求。最初的硬件設計采用瞭32位處理器，要求其性能能夠跟上圖像傳感器傳送的數據，並能在闆載嵌入式係統上進行～些中等程度的圖像處理工作。當前，我們的設計緊隨技術發展，使用瞭高速嵌入式控製器與FPGA相結閤的方案。FPGA作為硬件加速器進行底層圖像處理操作，在軟件應用層（應用程序接口），則盡可能地兼容原始係統。
　　EyeBot係列涵蓋有多種采用不同行駛形式的移動機器人，有履帶小車、全嚮小車、平衡機器人、六腿步行機器人、雙腿類人機器人、自主飛行機器人、自主水下機器人。它還包括用於行駛機器人的仿真係統（EyeSim）及水下機器人的仿真係統（SubSim）。有多個其它的項目采用瞭EyeBot控製器，這其中既有移動機器人也有非機器人的項目。嵌入式係統是電子工程、計算機工程和機電一體化專業中的一門課程，我們在此課程中使用單獨的EyeBot控製器進行實驗，不僅是我們，還有許多其它的大學使用EyeBot控製器並結閤相應的仿真係統來操控我們發明的移動機器人。

探索智能移動的奧秘：從原理到實踐的深度解析 在科技飛速發展的今天，機器人技術已不再是科幻電影中的遙遠暢想，而是深刻影響我們生活和産業的現實力量。特彆是能夠自主移動、與環境交互的移動機器人，其應用範圍之廣、發展潛力之巨，正以前所未有的速度滲透到工業自動化、物流倉儲、智能傢居、醫療康復、環境保護乃至太空探索等各個領域。理解和掌握移動機器人的設計、開發與應用，已成為眾多工程技術人員和科研工作者必備的核心技能。 本書旨在為讀者構建一個全麵而深入的移動機器人知識體係。我們不局限於某個特定的機器人平颱或某一孤立的技術模塊，而是從移動機器人係統的整體視角齣發，係統地梳理其核心組成部分、關鍵技術原理以及實際應用策略。全書內容圍繞移動機器人的“大腦”——嵌入式係統，以及賦予其“身體”——移動平颱與傳感器的“靈魂”——感知、規劃與控製能力展開，逐步引導讀者從概念理解走嚮技術實踐。 第一篇：移動機器人係統基礎與嵌入式核心 本篇內容為整個移動機器人技術體係奠定瞭堅實的理論基礎，並著重強調瞭嵌入式係統在其中扮演的不可替代的角色。 第一章：移動機器人概述與發展脈絡 我們將首先介紹移動機器人的基本定義、分類（如輪式、履帶式、足式、飛行式等）及其核心優勢。通過迴顧移動機器人技術的發展曆程，勾勒齣其從簡單的遠程遙控設備演變到如今高度自主、智能化的智能體這一宏偉圖景。本章還將探討當前移動機器人技術麵臨的主要挑戰與未來發展趨勢，為讀者樹立一個宏觀的認知框架。 第二章：嵌入式係統在移動機器人中的作用 本章將深入剖析嵌入式係統為何成為移動機器人的“大腦”。我們將詳細介紹嵌入式係統的基本構成，包括微處理器/微控製器（MCU）、內存、存儲器、輸入/輸齣接口（I/O）、以及配套的實時操作係統（RTOS）。重點闡述嵌入式係統在機器人任務中的關鍵職責，例如：傳感器數據采集與處理、運動控製指令生成、通信協議實現、以及高級算法的運行支撐。我們將討論不同類型的嵌入式處理器（如ARM、x86係列）在機器人應用中的適用性，以及嵌入式係統軟硬件協同設計的挑戰與策略。 第三章：機器人感知係統 感知是移動機器人理解周圍環境、做齣決策的先決條件。本章將詳細介紹各類常用的機器人傳感器及其工作原理： 測距傳感器： 超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達（LiDAR）的工作原理、優缺點、以及在障礙物檢測、地圖構建中的應用。 視覺傳感器： 攝像頭（單目、雙目、深度攝像頭）的成像原理、圖像采集與預處理技術，以及計算機視覺在目標識彆、場景理解中的基礎應用。 定位與導航傳感器： 慣性測量單元（IMU，包括加速度計、陀螺儀）、磁力計、GPS/GNSS、裏程計（Wheel Odometry）的工作原理及融閤應用。 環境感知傳感器： 溫度、濕度、氣體傳感器等，以及它們在特定應用場景下的價值。 本章還將探討傳感器數據的融閤技術，以剋服單一傳感器的局限性，提高感知的魯棒性和準確性。 第四章：移動平颱設計與驅動 一個高效可靠的移動平颱是機器人執行任務的基礎。本章將聚焦於移動機器人的“身體”設計： 運動學模型： 輪式機器人的差速驅動、全嚮輪、阿剋曼轉嚮等基本運動學模型的推導與分析，理解機器人位姿（位置與姿態）與輪子速度之間的關係。 動力學模型： 簡要介紹機器人運動時的力學特性，包括慣性、摩擦力等，為後續的控製算法設計提供依據。 驅動係統： 電機（直流電機、步進電機、伺服電機）的選型、電機驅動器（H-bridge, L298N等）的原理與接口，以及如何通過PWM（脈衝寬度調製）等技術實現精確的速度與位置控製。 底盤設計： 結構材料選擇、重心設計、減震處理等，以適應不同工作環境的需求。 第二篇：核心控製與導航技術 在理解瞭機器人基礎與嵌入式硬件之後，本篇將深入探討賦予機器人智能行為的關鍵技術。 第五章：機器人運動控製 本章將帶領讀者掌握機器人精確運動的奧秘： 開環控製： 介紹基於簡單指令（如速度、轉嚮角度）的控製方式，以及其優缺點。 閉環控製： 重點講解PID（比例-積分-微分）控製器在電機速度與位置控製中的原理、調參方法及其在實際應用中的調優技巧。 高級控製策略： 簡要介紹如模糊控製、自適應控製等更復雜的控製方法，以及它們在應對非綫性與不確定性環境時的優勢。 運動規劃與軌跡跟蹤： 如何生成平滑、高效的運動軌跡，並使機器人能夠精確地按照規劃路徑運動。 第六章：機器人定位與地圖構建（SLAM） SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同步定位與地圖構建）是實現機器人自主導航的核心技術。本章將係統介紹SLAM的原理與常用算法： 定位技術： 裏程計（Odometry）： 基於輪子編碼器信息進行相對定位，分析其誤差纍積問題。 傳感器輔助定位： 利用激光雷達、視覺傳感器等迴環檢測（Loop Closure）與特徵匹配來修正裏程計誤差。 全局定位： GPS/GNSS在戶外環境的應用。 地圖構建技術： 柵格地圖（Occupancy Grid Map）： 最常用的環境錶示方法，用於錶示障礙物的占據與自由空間。 特徵地圖（Feature Map）： 基於檢測到的環境特徵點（如角點、綫段）進行地圖構建。 SLAM算法概述： 介紹基於濾波的SLAM（如EKF-SLAM）與基於優化的SLAM（如圖優SLAM）的基本思想。 第七章：機器人路徑規劃 一旦機器人知道瞭自身位置並構建瞭地圖，就需要規劃一條從起點到終點的安全、最優路徑。本章將深入探討路徑規劃算法： 全局路徑規劃： 搜索算法： Dijkstra算法、A算法在柵格地圖上的應用，以及它們在尋找最短路徑方麵的原理。 采樣算法： RRT（Rapidly-exploring Random Tree）、PRM（Probabilistic Roadmap）在復雜、高維空間中的應用。 局部路徑規劃（避障）： 人工勢場法（Artificial Potential Field）： 引入虛擬的引力與斥力來引導機器人避開障礙物。 動態窗口法（Dynamic Window Approach, DWA）： 基於機器人運動學約束，在局部速度空間中搜索最優的運動指令。 其他局部避障方法。 第三篇：高級應用與係統集成 本篇將進一步拓展機器人的智能邊界，並關注實際係統集成中的關鍵問題。 第八章：人機交互與任務執行 智能移動機器人最終是為人類服務的，良好的人機交互設計至關重要。本章將討論： 用戶界麵設計： 如何通過圖形化界麵、語音指令、手勢識彆等方式實現直觀的用戶交互。 任務分配與調度： 在多機器人協作場景下，如何進行任務的有效分配與協調。 狀態監測與故障診斷： 機器人係統自身的健康狀態監測，以及簡單的故障排除策略。 第九章：移動機器人實際應用案例分析 為瞭讓讀者更直觀地理解理論知識的應用，本章將選取不同領域的典型移動機器人應用案例進行深度剖析。例如： 工業自動化： 倉儲AGV（Automated Guided Vehicle）的導航與調度。 服務機器人： 掃地機器人、送餐機器人、導覽機器人的設計與實現。 特種機器人： 探索機器人、救援機器人的復雜環境適應性。 通過分析這些案例，讀者可以學習到如何在實際項目中權衡技術選擇、解決工程難題。 第十章：嵌入式係統軟件開發與優化 本章將聚焦於嵌入式係統軟件層麵，是實現機器人功能的核心： RTOS（實時操作係統）應用： 介紹FreeRTOS、RT-Thread等常用RTOS，講解任務管理、進程間通信（IPC）、內存管理等核心概念，以及如何在RTOS下構建穩定高效的機器人控製軟件。 機器人操作係統（ROS）基礎： 介紹ROS作為機器人開發領域的事實標準，其節點、主題、服務、參數服務器等核心概念，以及如何利用ROS生態中的豐富庫進行快速開發。 嵌入式Linux應用： 在性能要求更高的機器人上，如何使用嵌入式Linux係統，以及與RTOS的對比。 軟件性能優化： 介紹代碼優化、算法效率提升、多綫程/多進程編程等技巧，以滿足嵌入式係統有限的計算資源要求。 第十一章：係統集成與調試 成功的設計與開發最終需要將所有模塊集成在一起，並進行有效的調試。本章將提供實踐指導： 硬件接口與通信： 各種通信協議（如UART, SPI, I2C, CAN, Ethernet, Wi-Fi）在機器人係統中的應用，以及如何進行硬件接口的調試。 軟件集成策略： 如何將不同的軟件模塊（驅動、感知、控製、規劃）有機地整閤在一起，形成完整的機器人係統。 調試工具與方法： 介紹常用的調試器（如JTAG/SWD）、邏輯分析儀、示波器，以及軟件調試技術（如斷點、日誌輸齣、仿真）。 係統測試與驗證： 如何設計測試用例，對機器人的各項功能進行全麵而嚴謹的測試，確保係統的穩定性和可靠性。 本書的編寫旨在提供一種由淺入深、理論與實踐相結閤的學習路徑。我們相信，通過對本書內容的係統學習和深入思考，讀者將能夠全麵掌握移動機器人的核心技術，並具備獨立設計、開發和應用各類嵌入式移動機器人的能力，為迎接智能時代帶來的機遇做好充分準備。

評分☆☆☆☆☆

評價一： 最近入手瞭這本《嵌入式機器人學：基於嵌入式係統的移動機器人設計與應用（第3版）》，說實話，我最期待的部分是關於傳感器融閤的章節。一直以來，我在項目裏都覺得單獨使用一種傳感器總是有局限性，比如視覺傳感器在光綫不足時錶現會大打摺扣，激光雷達雖然測距精準但價格不菲且無法識彆顔色和紋理。我希望書中能深入講解如何有效地整閤來自攝像頭、IMU（慣性測量單元）甚至超聲波傳感器的數據，通過算法的處理，生成更穩定、更全麵的環境地圖，實現更魯棒的導航和避障。我特彆想看到作者在多傳感器校準、數據同步以及卡爾曼濾波、粒子濾波等狀態估計算法上的具體實現和應用案例。畢竟，在真實的復雜環境中，單一信息源是遠遠不夠的，機器人需要像人類一樣，依靠多種感官協同工作，纔能更好地感知和理解周圍的世界。這本書的定位和標題讓我對這方麵的內容充滿瞭期待，希望能從中獲得切實可用的技術指導，讓我的機器人項目能夠邁上一個新的颱階。

評分☆☆☆☆☆

評價三： 我對這本書中關於機器人動力學與控製部分的介紹充滿瞭好奇。在我的認知裏，一個移動機器人要能夠平穩、精確地運動，離不開對其自身物理特性的深刻理解和有效的控製策略。我非常希望書中能夠詳細闡述不同類型移動機器人的運動學模型（例如差速驅動、全嚮輪等），以及如何從這些模型推導齣動力學方程。更重要的是，我想看到作者是如何將這些理論應用於實際的控製係統設計中。例如，PID控製器在機器人運動控製中的具體應用，以及更高級的控製方法，如模型預測控製（MPC）或滑變控製，在處理非綫性、不確定性等復雜情況時，如何發揮其優勢。書中是否有關於如何通過仿真和實際實驗來驗證和調整控製參數的指導，這一點對讀者來說至關重要。畢竟，理論知識需要與實際操作相結閤，纔能真正掌握機器人運動控製的精髓。

評分☆☆☆☆☆

評價四： 我一直對機器人的自主導航和路徑規劃技術非常著迷，尤其是如何在未知或動態變化的環境中，讓機器人能夠規劃齣一條安全、高效的路徑。我特彆期待書中在SLAM（同步定位與建圖）技術方麵的闡述。我瞭解到SLAM是實現自主導航的關鍵技術之一，它能夠讓機器人在未知環境中實時構建地圖，並確定自身在地圖中的位置。我想深入瞭解書中是如何介紹不同的SLAM算法，例如基於激光雷達的SLAM（如Cartographer, GMapping），以及基於視覺的SLAM（如ORB-SLAM）。更重要的是，我希望書中能夠解釋這些算法背後的數學原理，以及它們在實際應用中的優缺點和適用場景。此外，關於路徑規劃的部分，我想看到書中是否有關於全局路徑規劃（如A算法、Dijkstra算法）和局部路徑規劃（如DWA, TEB）的詳細介紹，以及如何將它們與SLAM技術相結閤，實現機器人真正的自主導航。

評分☆☆☆☆☆

評價二： 作為一名對嵌入式係統和機器人技術都頗感興趣的在校生，我一直想找一本能夠係統梳理移動機器人底層開發的書籍。我特彆關注書中在操作係統選擇與優化方麵的內容。在我的實踐經曆中，一個閤適的操作係統對於嵌入式設備的性能發揮至關重要，尤其是在需要實時響應和高效資源管理的機器人領域。我想瞭解作者是如何權衡實時性、功耗、開發復雜度以及社區支持等因素，來為嵌入式機器人選擇閤適的操作係統，例如RTLinux、FreeRTOS，甚至是經過裁剪的Linux發行版。書中對於驅動程序的編寫、中斷處理、進程間通信以及內存管理等核心技術是否有深入的講解，這一點對我尤為重要。很多時候，底層接口的效率直接影響到上層算法的執行速度。如果書中能夠提供一些關於如何針對特定硬件平颱進行操作係統移植和優化的實際經驗，那將對我未來的項目開發提供巨大的幫助，讓我能夠更好地理解和掌握機器人的“心髒”和“神經係統”。

評分☆☆☆☆☆

評價五： 在接觸到機器人開發的過程中，我愈發感受到人機交互設計的重要性。一個機器人能否被用戶友好地使用，很大程度上取決於其與人類的交互方式。這本書的副標題“移動機器人設計與應用”讓我對這方麵的內容充滿瞭期待。我希望書中能夠探討如何為嵌入式機器人設計直觀、易用的用戶界麵，無論是通過物理按鈕、觸摸屏，還是更高級的語音識彆和手勢識彆技術。同時，我也對機器人的行為決策和任務規劃方麵的內容很感興趣。一個優秀的機器人不僅要能執行預設任務，還要能夠根據環境變化和用戶指令，動態地調整其行為。書中是否有關於狀態機、行為樹等用於組織和管理機器人行為的框架的介紹？以及如何設計能夠讓機器人錶現齣一定“智能”和“理解力”的交互模式，讓用戶感受到機器人是可靠的夥伴，而不是一個冰冷的機器。