ROS地面無人系統開發實踐和進階

1.本書內容非常全面，可幫助讀者解決工作學習中遇到的實際問題； 2.本書是作者多年的項目經驗積累所成，包含大量案例實例，并配有實現代碼； 3.本書對ROS重點和熱點知識進行了詳細講解； 4.本書注重實踐效果，重點基礎性實用章節都采用了大量實戰案例來演示和驗證知識點。

隨著當代科技的不斷進步和發展，搭載人工智能的機器逐漸走入人們的日常生活和工作。從國防軍事到社會民生，從物流行業到醫療保健，從智能家居到工業制造，人工智能的應用已經滲透和影響到國家與社會各個領域。在這個時代，人工智能技術發展得如火如荼，各種智能機器人成為市場追逐的焦點。人工智能及機器人知識成為高等院校以及大量從業工程師關注的熱門學科與研究領域，大量相關書籍發行出版，以滿足人們的學習需求。
相較于眾多介紹ROS與機器人的相關書籍，本書的特點在于循序漸進地對ROS的重點和熱點知識進行講解，并深入淺出地梳理了智能地面無人系統相關理論及實現方法，非常詳細地進行了概念解釋，編寫了相關案例的實現代碼。本書注重實踐效果，重點的基礎性實用章節都采用了大量實戰案例來演示和驗證知識點，幫助讀者更好地理解并掌握基礎性知識和實踐應用技能。其他涉及熱點的研發性章節給出了理論算法，使讀者從算法理論角度開闊知識視野。
本書分為八章，主要內容如下。
第1章：地面無人系統與ROS簡介
本章介紹了智能地面無人系統及ROS的概念和基礎知識等內容。首先介紹了智能地面無人系統的定義、分類和應用場景，其次介紹了ROS的發展歷史、特點與版本，及其在地面無人系統開發中的重要作用。
在智能機器人操作系統中，ROS被認為是最流行的操作系統之一。ROS是一種開源機器人操作系統，被絕大多數的機器人開發人員和其他機器人相關領域的專業人士所接受和使用。ROS提供了一系列用于編程、模擬、視覺處理、定位、導航、通信和動作控制等的工具，可以用于各種各樣的機器人應用開發。ROS在各種機器人操作系統中的優勢在于其高可擴展性和開放性，這使得它可以輕松地與其他機器人設備進行集成，并且在機器人開發社區中具有極高的聲譽和可信度。因此，ROS在各種智能機器人的操作系統中占據著非常重要的地位，并且備受機器人開發人員的青睞。
特別需要說明的是：ROS迭代發展很快，本書所有實踐案例都基于ROSNoetic 版本，并通過了項目編譯、運行測試驗證。
第2章：ROS入門
本章介紹了ROS的基礎知識和使用方式。首先，介紹了ROS的基本概念、文件系統、基本命令，ROS的通信機制和節點；其次，討論ROS如何實現分布式計算和消息傳遞，便于讀者建立ROS的知識框架，為下一步應用實戰打下基礎。
第3章：ROS基礎實踐
本章介紹了ROS的基礎實踐技能?；赗OS開發的教學用無人車系統一般處于一個分布式網絡環境中，分為無人車節點與PC 機操作控制節點。本章講解了ROSNoetic 在虛擬機環境下或PC 雙系統環境下的安裝配置，以及在無人車端基于ARM 架構的Jetson Nano 硬件環境下的安裝配置；介紹了ROS常用可視化調試工具、仿真調試工具，以及在仿真環境下的3D 建模。本章的內容都提供了實際案例，可供讀者學習參考，幫助讀者在實踐中學習掌握ROS環境配置與開發工具。
第4章：基于ROS的地面無人系統開發實踐和進階
本章介紹了基于ROS的地面無人系統的開發實踐技能。首先介紹地面無人系統的常用傳感器配件，然后介紹地面無人系統的重要應用軟件包Navigation 導航包，構建SLAM 地圖的兩個算法包（ Gmapping、Cartographer），以及結合一個無人車案例對 LittleCar 綜合功能包的完整實踐。讀者通過本章學習即可掌握教學用無人系統的入門開發與調試能力。
第5章：機器視覺在地面無人系統中的應用
機器視覺在地面無人系統中的應用是機器人領域的熱點研發課題。本章涉及本領域的基礎性知識介紹與理論算法研發探討，利用OpenCV 和CV-Bridge 實現圖片在OpenCV 環境與ROS環境下轉換、二維碼識別，幫助讀者掌握機器識別的基礎性知識；視覺SLAM、視覺障礙物預測與非結構化道路識別來源于作者單位的研究生課題，提供了詳盡的算法理論說明，有助于對此感興趣并有技術進階要求的讀者開拓思路。
第6章：地面無人系統的通信網絡
網絡是地面無人系統運行的基礎性生態環境。本章系統地介紹了計算機網絡協議 （尤其是TCP/IP 網絡分層協議）、網絡分類，不同場景下的地面無人系統組網，以及一個多地面無人系統的網絡通信協議案例。
其實ROS對網絡做了良好的封裝，除了在ROS環境配置中涉及網絡，以及在程序代碼中涉及兩三行環境配置指令，開發者完全不必了解本章介紹的網絡技術細節。但是，對于需要對多無人系統進行組網的讀者，系統了解網絡知識，了解如何對一個復雜實用無人系統組網十分必要，這類讀者可以依據本章介紹的網絡知識框架，進行更深入的學習了解。
第7章：地面無人系統編隊
對智能機器人的了解不能局限于單機，掌握多個無人車構成的地面無人系統集群行為也是智能無人系統實踐與開發的熱點課題。本章內容來源于作者教學團隊的研究生在本領域的研發課題，介紹了地面無人系統集群的編隊算法，對教學用無人車組隊實操進行算法的仿真與驗證，這些內容對于希望了解智能無人系統如何實現集群編隊有一定的參考價值。
第8章：無人系統的指揮控制1.0
ROS將自身軟件功能限制在對智能機器人實體的操作控制領域，最多再提供機器人可視化調試工具、仿真調試工具，但是一個實用的地面無人系統需要有一個用戶對無人系統操作的控制平臺，即要求一個客戶端GUI 界面，在該界面用戶可以用可視化方式監視控制單個無人車或者無人車集群。作者團隊開發了單車與多車集群的地面無人系統指控平臺，本章利用其中一款單車監控軟件XCommander 的SLAM 模塊為例，深入淺出地介紹了基于Qt + librviz 庫的SLAM模塊開發內容，極具實操性。有興趣的讀者可以參照本章介紹的這個案例，以此為入門臺階進入到開發無人系統指控軟件領域，為更高的技術進階打下堅實基礎。
本書讀者群體：
● 機器人愛好者：本書將幫助機器人愛好者學習ROS和地面無人系統開發基礎知識，從而創建自己的機器人項目。
● ?？圃盒W生：本書將為同學們提供ROS及地面無人系統的理論和實踐內容，幫助他們在機器人、自動化等領域進行學習和研究。
● 工程師：本書將為工程師提供ROS和地面無人系統的實際開發技能，幫助他們更好地完成項目和產品設計。
● 研究人員：本書將為研究人員提供ROS及地面無人系統開發的新思路和技術方向，有助于他們探索未來的機器人發展方向。
● 編程愛好者：本書將幫助編程愛好者了解ROS和機器人開發的基礎概念和技能，從而深入學習和研究機器人領域的編程技術。
最后，感謝所有參與本書編寫的人員和對此項目作出貢獻的人，感謝李小群、宋亮、范帥鑫的辛勤付出和幫助。希望讀者能夠通過本書深入了解ROS和地面無人系統，期待未來人工智能機器人能為我們的生活和工作帶來更多的便利和創新。

編著者

本書全面細致地講解了ROS 操作系統的重點和難點知識，并通過實際應用案例對無人系統的相關基礎理論和實現方法進行了剖析，讓讀者對ROS 和地面無人系統都有較為深入的認知。主要內容包括ROS 基礎實踐、地面無人系統開發實踐、機器視覺、通信網絡、無人系統編隊、無人系統的指揮控制1.0 等不可避開的關鍵性技術內容。同時，本書大量的實戰案例均附有實現代碼，讓讀者在閱讀學習過程中能夠及時參與到實踐過程中，幫助讀者更好地理解各個知識點。
本書適合機器人方向的技術人員使用，也可以供高校及職業院校機器人或自動化相關專業師生閱讀，還可供對ROS 和地面無人系統感興趣的人群閱讀學習。

第1章 地面無人系統與ROS簡介 001
1.1 地面無人系統簡介 001
1.1.1 智能機器人與地面無人系統 001
1.1.2 地面無人系統發展現狀 002
1.1.3 地面無人系統的特點 003
1.1.4 地面無人系統的關鍵技術 003
1.1.5 地面無人系統發展研究課題 005
1.2 ROS簡介 006
1.2.1 ROS和機器人 006
1.2.2 ROS的主要特點 007
1.2.3 ROS版本 008
1.2.4 ROS學習資源 010

第2章 ROS入門 011
2.1 ROS基本概念 011
2.1.1 ROS主要功能 011
2.1.2 ROS主要框架 013
2.2 ROS文件系統 014
2.2.1 catkin 編譯系統 014
2.2.2 ROS工作空間 017
2.2.3 ROS功能包 018
2.2.4 launch 啟動文件 022
2.2.5 launch 自啟動 025
2.3 ROS通信機制 027
2.3.1 節點及節點管理器 027
2.3.2 消息 028
2.3.3 話題 029
2.3.4 服務 041
2.3.5 動作 047
2.3.6 參數服務器 052
2.3.7 pluginlib 057
2.3.8 nodelet 062
2.3.9 rosbridge 063
2.3.10 rosserial 070

第3章 ROS基礎實踐 075
3.1 Ubuntu 與ROS的安裝 075
3.1.1 虛擬機安裝準備 075
3.1.2 雙系統安裝準備 080
3.1.3 Ubuntu 安裝 085
3.1.4 Ubuntu arm 版安裝 087
3.1.5 ROSNoetic 安裝 088
3.1.6 ROS測試 089
3.2 ROS常用工具 090
3.2.1 可視化工具 090
3.2.2 仿真工具 092
3.2.3 調試工具 094
3.3 ROS機器人3D 建模 096
3.3.1 統一機器人描述格式——URDF 096
3.3.2 建立URDF 模型 097
3.3.3 建立xacro 模型 104
3.4 虛擬環境下的仿真測試 106
3.4.1 Gazebo 仿真 106
3.4.2 ArbotiX 仿真 117

第4章 基于ROS的地面無人系統開發實踐和進階 120
4.1 地面無人系統常用傳感器 120
4.1.1 常用激光雷達 120
4.1.2 IMU 122
4.1.3 相機（攝像頭） 122
4.1.4 組合導航 123
4.2 navigation 導航 123
4.2.1 導航功能包 123
4.2.2 move_base 124
4.2.3 常用路徑規劃算法 125
4.2.4 A*全局路徑規劃算法及優化 128
4.3 gmapping 算法 131
4.3.1 gmapping 簡介 131
4.3.2 gmapping 面向用戶開放的接口 131
4.3.3 gmapping 節點的配置與運行 133
4.4 cartographer 算法 134
4.4.1 cartographer 簡介 134
4.4.2 cartographer 面向用戶開放的接口 135
4.4.3 cartographer 節點的配置與運行 136
4.4.4 gmapping 與cartographer 138
4.5 little_car 綜合軟件包 138
4.5.1 little_car 軟件包通用操作 139
4.5.2 底盤 141
4.5.3 思嵐激光雷達 155
4.5.4 攝像頭（相機） 155
4.5.5 組合導航模塊 157
4.5.6 navigation 166
4.5.7 cartographer 建圖 170
4.6 其他開源完整的車輛模型 173

第5章 機器視覺在地面無人系統中的應用 174
5.1 OpenCV 和cv-bridge 簡介 174
5.1.1 OpenCV 讀取本地圖片 174
5.1.2 OpenCV 讀取攝像頭視頻 180
5.2 視覺SLAM 187
5.2.1 視覺里程計 187
5.2.2 非線性優化 188
5.2.3 回環檢測 188
5.2.4 構建地圖 188
5.3 障礙物預測 189
5.3.1 數學模型 189
5.3.2 碰撞預測及策略 190
5.4 二維碼識別 191
5.4.1 識別算法簡介 191
5.4.2 目標點二維碼提取 191
5.4.3 使用無人車攝像頭對二維碼進行識別 194
5.5 非結構化道路識別 195
5.5.1 非結構化道路識別的意義 195
5.5.2 主流非結構化道路識別算法 196
5.5.3 DeeplabV3+分割算法 198
5.5.4 DeeplabV3+分割算法優化改進 198

第6章 地面無人系統的通信網絡 203
6.1 計算機網絡協議 203
6.1.1 OSI 7 層協議 203
6.1.2 TCP/IP 網絡協議族 205
6.1.3 其他計算機網絡協議 206
6.2 TCP/IP 網絡分層模型與協議棧協議 207
6.2.1 TCP/IP 網絡分層模型 207
6.2.2 TCP/IP 網絡協議棧 207
6.3 網絡分類 228
6.3.1 地域范圍分類 228
6.3.2 拓撲結構分類 229
6.3.3 4G 及5G 移動通信 231
6.3.4 無線自組網 233
6.3.5 數據鏈 238
6.4 不同場景下無人系統中的網絡連接 239
6.4.1 無人系統內部模塊通信網絡 240
6.4.2 局域網場景下的單無人系統的測試與調試 243
6.4.3 局域網場景下的多無人系統的組網 244
6.4.4 廣域網場景下的多無人系統的組網 245
6.5 多無人系統的組網的通信協議 246
6.5.1 基于UDP 組播方式的無中心服務器通信 247
6.5.2 基于UDP 或TCP 的有中心服務器通信 248

第7章 地面無人系統編隊 255
7.1 地面無人系統編隊簡介 255
7.2 鴿群算法及其改進 256
7.2.1 無人車編隊算法 256
7.2.2 鴿群算法 256
7.2.3 鴿群算法改進 257
7.3 領航跟隨法編隊控制 258
7.4 無人系統編隊仿真 259
7.4.1 路徑規劃仿真 259
7.4.2 領航跟隨仿真 260
7.5 無人系統實車編隊 262

第8章 無人系統的指揮控制1.0 265
8.1 無人系統指控軟件的用途 265
8.1.1 單機無人車指控系統 265
8.1.2 集群無人車指控系統 266
8.2 指控軟件XCommander 266
8.3 開發指控軟件的rviz SLAM 模塊 267
8.3.1 開發環境配置 267
8.3.2 創建演示模塊項目myviz 270
8.3.3 調整演示模塊項目myviz 273
8.3.4 軟件方法學與編程技術準備 277
8.3.5 關注ROS話題 281
8.3.6 程序文件 284
8.3.7 調試 296
8.4 無人車側軟件 302