智能移動機(jī)器人：技術(shù)與應(yīng)用 張輝 鐘杭 王耀南
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- 作者：張輝 鐘杭 王耀南
- 出版時間：2025/5/1
- ISBN：9787111771395
- 出 版 社：機(jī)械工業(yè)出版社
- 中圖法分類：TP242.6
- 頁碼：
- 紙張：膠版紙
- 版次：
- 開本：16開
本書面向機(jī)器人工程、人工智能、控制下科學(xué)與工程、智能科學(xué)與技術(shù)等新工科專業(yè)對移動機(jī)器人基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系的學(xué)習(xí)需求，從基礎(chǔ)概念、軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵核心算法到系統(tǒng)應(yīng)用等方面展開闡述，全書共分為8章，主要課程內(nèi)容包括：移動機(jī)器人的基本概念與發(fā)展歷程、移動機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)組成、ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)、移動機(jī)器人SLAM與導(dǎo)航、多移動機(jī)器人協(xié)同控制、移動機(jī)器人應(yīng)用、移動機(jī)器人實驗課程等部分組成。 本書可作為大學(xué)相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教材或課外參考書，也可作為相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員的自學(xué)讀本。
?內(nèi)容全面：全書共分八章，內(nèi)容涵蓋了智能移動機(jī)器人的基本概念、系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、環(huán)境感知與建圖導(dǎo)航、協(xié)同控制等技術(shù)內(nèi)容，以及幾類典型的智能機(jī)器人及其應(yīng)用。同時，還詳細(xì)介紹了機(jī)器人運動過程的數(shù)學(xué)表示方法、傳感器的種類、通信方式和操作系統(tǒng)等核心知識。?理論與實踐相結(jié)合：該書不僅深入講解了智能移動機(jī)器人的理論知識，還提供了豐富的設(shè)計案例和實踐開發(fā)內(nèi)容。通過理論知識的講解和實際操作案例的結(jié)合，讀者可以更好地理解和掌握智能移動機(jī)器人的相關(guān)知識。?機(jī)器人領(lǐng)域的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢，如SLAM建圖與導(dǎo)航、協(xié)同編隊與建圖等，為讀者提供了前沿的技術(shù)視角。
前 言智能移動機(jī)器人是現(xiàn)代科技領(lǐng)域的熱門話題，它集成了人工智能、機(jī)器人技術(shù)等多個學(xué)科的前沿成果，實現(xiàn)了機(jī)器與人類的更深度融合。在工業(yè)自動化、醫(yī)療服務(wù)、生活娛樂等諸多領(lǐng)域，智能移動機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，它們能夠完成各種復(fù)雜任務(wù)，提高工作效率，并為人類帶來更多便利。20世紀(jì)50年代以來，隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，智能移動機(jī)器人逐漸進(jìn)入人們的視野。近年來，隨著硬件設(shè)備性能的提升和軟件算法的進(jìn)步，智能移動機(jī)器人的技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，它們具備了更好的感知能力、決策能力和運動能力，可以更加靈活地適應(yīng)各種環(huán)境，完成更多復(fù)雜的任務(wù)。智能移動機(jī)器人具有許多特點，如智能化、移動化、高科技化等。首先，它們集成了多種傳感器和高級算法，具備強(qiáng)大的感知和學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)環(huán)境變化自主決策，調(diào)整自身行為。其次，智能移動機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運動和導(dǎo)航，可在多種地形和環(huán)境下自由行動。此外，它們還采用了各種先進(jìn)的技術(shù)，如激光雷達(dá)感知技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等，使自身具備更高級的功能。本書介紹了智能移動機(jī)器人的發(fā)展概況和技術(shù)發(fā)展趨勢，并分別對智能移動機(jī)器人的感知技術(shù)、運動規(guī)劃技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行了綜述，闡述了視覺感知的關(guān)鍵技術(shù)及其面臨的挑戰(zhàn)、常見的五類運動規(guī)劃方法以及整體控制和分類控制方法。本書章節(jié)內(nèi)容安排如下。第1章為緒論，主要介紹了移動機(jī)器人的發(fā)展歷程，概述了移動機(jī)器人研究領(lǐng)域中的各項關(guān)鍵技術(shù)，同時描述了移動機(jī)器人的特點和基本結(jié)構(gòu)，并分析了移動機(jī)器人的感知技術(shù)、運動規(guī)劃技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。第2章講解移動機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先介紹了移動機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，然后分別對移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。第3章講解機(jī)器人操作系統(tǒng)，主要介紹了移動機(jī)器人常用的開發(fā)系統(tǒng)ROS，著重介紹了ROS的系統(tǒng)架構(gòu)和實例，并對ROS 2進(jìn)行了簡要的介紹。第4章講解機(jī)器人感知技術(shù)，首先介紹了機(jī)器人的視覺感知方式與視覺系統(tǒng)，包括視覺傳感器的基本參數(shù)、機(jī)器人視覺里程計和機(jī)器人末端感知技術(shù)，其次詳細(xì)介紹了激光雷達(dá)感知技術(shù)，包括激光里程計和三維環(huán)境感知。第5章講解移動機(jī)器人SLAM與導(dǎo)航，主要介紹了建圖、定位、路徑規(guī)劃和DWA算法四部分內(nèi)容。建圖部分簡要介紹了gmapping建圖、hector_slam建圖和Cartographer建圖，路徑規(guī)劃部分介紹了Dijkstra（迪杰斯特拉）算法和A*算法。第6章講解多移動機(jī)器人協(xié)同編隊與建圖，主要介紹了協(xié)同編隊和協(xié)同建圖兩部分內(nèi)容，其中協(xié)同編隊部分介紹了領(lǐng)航機(jī)器人狀態(tài)分布式估計和基于估計器的編隊控制，協(xié)同建圖部分詳細(xì)闡述了其關(guān)鍵問題及解決方法，并給出實例對象。第7章講解移動機(jī)器人應(yīng)用，主要介紹了移動機(jī)器人在智能配送場景中的應(yīng)用、移動機(jī)器人視覺感知技術(shù)在智能車輛中的應(yīng)用、服務(wù)型移動機(jī)器人應(yīng)用和空地協(xié)同機(jī)器人應(yīng)用，并針對不同的應(yīng)用給出相應(yīng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用平臺和應(yīng)用實例說明。第8章為移動機(jī)器人實驗指導(dǎo)，主要介紹了ROS和Rviz等相關(guān)軟件，并結(jié)合實際移動機(jī)器人進(jìn)行藍(lán)牙鍵盤控制、自主軌跡運動、超聲波避障、相機(jī)標(biāo)定和激光雷達(dá)建圖等教學(xué)實驗。附錄為RoboMaster大賽的相關(guān)介紹，主要包含賽事的相關(guān)說明、RoboMaster機(jī)器人介紹和競賽相關(guān)視覺算法與應(yīng)用。
張輝，湖南大學(xué)機(jī)器人學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，機(jī)器人視覺感知與控制技術(shù)國家工程研究中心副主任，中國圖象圖形學(xué)學(xué)會理事、副秘書長。入選“長江學(xué)者”特聘教授、湖南省杰出青年基金、湖南省科技領(lǐng)軍人才。長期從事共融機(jī)器人技能學(xué)習(xí)、智能機(jī)器人視覺檢測等領(lǐng)域研究工作。主持國家自然科學(xué)基金重點項目2項、國家重點研發(fā)計劃課題等。在IEEE等國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文70余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利35項，榮獲2022年湖南省科技進(jìn)步一等獎、2018年國家技術(shù)發(fā)明二等獎、2022年高等教育（研究生）國家教學(xué)成果獎二等獎等。鐘杭，湖南大學(xué)機(jī)器人學(xué)院副教授，岳麓學(xué)者，博士生導(dǎo)師，機(jī)器人視覺感知與控制技術(shù)國家工程研究中心研究員，國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目首席科學(xué)家。主要從事機(jī)器人規(guī)劃與控制、集群機(jī)器人協(xié)同、特種機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)等領(lǐng)域研究工作。獲吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎青年科技獎、湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等，近年來獲湖南省科技進(jìn)步一等獎、湖南省科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊獎、中國圖象圖形學(xué)學(xué)會科技進(jìn)步二等獎等。王耀南，中國工程院院士，機(jī)器人技術(shù)與智能控制專家，湖南大學(xué)教授,機(jī)器人視覺感知與控制技術(shù)國家工程研究中心主任。任中國科協(xié)委員、中國圖象圖形學(xué)學(xué)會理事長、中國自動化學(xué)會會士、中國計算機(jī)學(xué)會會士、中國人工智能學(xué)會會士、中國自動化學(xué)會常務(wù)理事、中國人工智能學(xué)會監(jiān)事、科技委人工智能與區(qū)塊鏈技術(shù)委員會委員等。長期從事機(jī)器人感知與控制技術(shù)的教學(xué)和科研工作，成果獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、國家科技進(jìn)步二等獎4項、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎，獲國家百千萬工程人才、德國杰出洪堡學(xué)者、全國高等學(xué)校優(yōu)秀教師、全國五一勞動獎?wù)隆⑷珖冗M(jìn)工作者、全國創(chuàng)新爭先獎、全國教材建設(shè)先進(jìn)個人等榮譽稱號。
目 錄前言第1章 緒論 11.1 移動機(jī)器人的基本概念與發(fā)展歷程 11.1.1 移動機(jī)器人的定義 11.1.2 移動機(jī)器人的分類 21.1.3 移動機(jī)器人的發(fā)展歷程 31.2 移動機(jī)器人的主要研究內(nèi)容 61.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與驅(qū)動 61.2.2 環(huán)境感知系統(tǒng) 101.2.3 控制系統(tǒng) 121.2.4 人機(jī)交互技術(shù) 151.2.5 應(yīng)用研究 171.3 移動機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢 181.3.1 移動機(jī)器人環(huán)境感知 191.3.2 移動機(jī)器人運動規(guī)劃 201.3.3 移動機(jī)器人控制技術(shù) 22第2章 移動機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 252.1 章節(jié)概述 252.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 252.3 移動機(jī)構(gòu) 262.3.1 輪式移動機(jī)構(gòu) 262.3.2 履帶式移動機(jī)構(gòu) 332.3.3 腿足式移動機(jī)構(gòu) 342.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 342.4.1 自由度 352.4.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)及自由度的構(gòu)成 362.4.3 動作形態(tài)的分類 372.5 感知系統(tǒng) 392.5.1 IMU 392.5.2 編碼器 402.5.3 測距傳感器 422.5.4 力覺傳感器 452.5.5 視覺傳感器 462.6 驅(qū)動系統(tǒng) 492.6.1 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 492.6.2 氣壓驅(qū)動系統(tǒng) 502.6.3 電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 502.7 控制系統(tǒng) 522.7.1 控制系統(tǒng)實現(xiàn)框架 522.7.2 人機(jī)交互界面 53第3章 機(jī)器人操作系統(tǒng) 563.1 章節(jié)概述 563.2 ROS簡介 563.3 搭建ROS開發(fā)環(huán)境 573.4 ROS架構(gòu) 593.4.1 架構(gòu)設(shè)計 593.4.2 文件系統(tǒng) 603.4.3 通信機(jī)制 653.4.4 常用組件 673.4.5 開源社區(qū) 723.5 ROS 2簡要介紹 733.5.1 ROS 2設(shè)計目標(biāo) 733.5.2 ROS 2架構(gòu) 733.5.3 ROS 2通信模型 74第4章 機(jī)器人感知技術(shù) 774.1 章節(jié)概述 774.2 機(jī)器人視覺感知方式與視覺系統(tǒng) 774.2.1 視覺傳感器基本參數(shù) 784.2.2 機(jī)器人視覺里程計 804.2.3 機(jī)器人末端感知技術(shù) 874.3 激光雷達(dá)感知技術(shù) 904.3.1 激光里程計 914.3.2 三維環(huán)境感知 97第5章 移動機(jī)器人SLAM與導(dǎo)航 1035.1 章節(jié)概述 1035.2 建圖 1035.2.1 gmapping建圖 1045.2.2 hector_slam建圖 1095.2.3 Cartographer建圖 1135.3 定位 1175.3.1 蒙特卡洛定位 1175.3.2 自適應(yīng)蒙特卡洛定位 1195.4 路徑規(guī)劃 1215.4.1 Dijkstra算法 1225.4.2 A*算法 1245.5 DWA算法 1265.5.1 運動模型 1275.5.2 速度采樣 1275.5.3 評價函數(shù) 1285.5.4 實驗結(jié)果 128第6章 多移動機(jī)器人協(xié)同編隊與建圖 1296.1 協(xié)同編隊 1296.1.1 預(yù)備知識 1306.1.2 領(lǐng)航機(jī)器人狀態(tài)分布式估計 1316.1.3 基于估計器的編隊控制 1326.2 協(xié)同建圖 1346.2.1 協(xié)同建圖整體架構(gòu) 1346.2.2 多機(jī)通信和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) 1376.2.3 地圖融合與后端優(yōu)化 1396.3 常見應(yīng)用場景 142第7章 移動機(jī)器人應(yīng)用 1447.1 移動機(jī)器人在智能配送場景中的應(yīng)用 1447.1.1 AGV的總體結(jié)構(gòu) 1447.1.2 AGV的應(yīng)用平臺 1467.1.3 AGV的實例 1477.2 移動機(jī)器人視覺感知技術(shù)在智能車輛中的應(yīng)用 1507.2.1 智能車輛的整體結(jié)構(gòu) 1507.2.2 智能車輛的視覺感知應(yīng)用平臺 1527.2.3 智能車輛視覺感知 1537.3 服務(wù)型移動機(jī)器人應(yīng)用 1567.3.1 服務(wù)型移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 1567.3.2 服務(wù)型移動機(jī)器人應(yīng)用實例 1597.3.3 機(jī)器人定位軌跡誤差分析 1657.4 空地協(xié)同機(jī)器人應(yīng)用 1667.4.1 空地協(xié)同機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1667.4.2 空地協(xié)同機(jī)器人的應(yīng)用平臺 167第8章 移動機(jī)器人實驗指導(dǎo) 1758.1 ROS小實驗—“圓龜” 1758.1.1 實驗?zāi)康募耙饬x 1758.1.2 實驗設(shè)備 1758.1.3 實驗內(nèi)容 1758.1.4 實驗步驟 1758.1.5 實驗總結(jié) 1798.2 小烏龜自主跟隨運動 1798.2.1 實驗?zāi)康募耙饬x 1808.2.2 實驗設(shè)備 1808.2.3 實驗內(nèi)容 1808.2.4 實驗步驟 1808.2.5 實驗總結(jié) 1858.3 用上位機(jī)查看串口數(shù)據(jù) 1858.3.1 Aimibot 教育機(jī)器人 1858.3.2 實驗?zāi)康募耙饬x 1858.3.3 實驗設(shè)備 1868.3.4 實驗內(nèi)容 1868.3.5 實驗步驟 1868.3.6 實驗總結(jié) 1868.4 藍(lán)牙鍵盤控制機(jī)器人運動 1878.4.1 實驗?zāi)康募耙饬x 1878.4.2 實驗設(shè)備 1878.4.3 實驗內(nèi)容 1878.4.4 實驗原理 1878.4.5 實驗步驟 1898.4.6 實驗注意事項 1898.4.7 實驗總結(jié) 1898.5 機(jī)器人自主軌跡運動 1898.5.1 實驗?zāi)康募耙饬x 1908.5.2 實驗設(shè)備 1908.5.3 實驗內(nèi)容 1908.5.4 實驗原理 1908.5.5 實驗步驟 1918.5.6 實驗注意事項 1918.5.7 實驗總結(jié) 1928.6 超聲波避障 1928.6.1 實驗?zāi)康募耙饬x 1928.6.2 實驗設(shè)備 1928.6.3 實驗內(nèi)容 1928.6.4 實驗原理 1928.6.5 實驗步驟 1948.6.6 實驗注意事項 1958.6.7 實驗總結(jié) 1958.7 相機(jī)標(biāo)定 1958.7.1 實驗?zāi)康募耙饬x 1958.7.2 實驗設(shè)備 1958.7.3 實驗內(nèi)容 1958.7.4 實驗步驟 1958.7.5 實驗注意事項 1988.7.6 實驗總結(jié) 1988.8 Rviz可視化仿真 1998.8.1 Rviz簡介 1998.8.2 實驗?zāi)康募耙饬x 2008.8.3 實驗設(shè)備 2008.8.4 實驗內(nèi)容 2008.8.5 Rviz安裝與運行 2008.8.6 實驗步驟 2008.8.7 Rviz界面說明 2018.8.8 實驗總結(jié) 2018.9 激光雷達(dá)建圖（Gazebo仿真） 2028.9.1 實驗?zāi)康募耙饬x 2028.9.2 實驗設(shè)備 2028.9.3 實驗內(nèi)容 2028.9.4 實驗步驟 2028.9.5 實驗總結(jié) 2048.10 激光雷達(dá)建圖（實地建圖） 2048.10.1 實驗?zāi)康募耙饬x 2048.10.2 實驗設(shè)備 2048.10.3 實驗內(nèi)容 2058.10.4 實驗原理 2058.10.5 實驗步驟 2078.10.6 實驗總結(jié) 208附錄附錄A RoboMaster大賽介紹 210附錄B RoboMaster機(jī)器人介紹 215附錄C 競賽相關(guān)視覺算法與應(yīng)用 218參考文獻(xiàn) 224
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