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本書是針對ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）初學(xué)者的入門教程，內(nèi)容聚焦于ROS的使用和開發(fā)。以Ubuntu操作系統(tǒng)安裝和使用為起點(diǎn)，依次介紹了ROS安裝、實(shí)體/仿真機(jī)器人搭建、機(jī)器視覺、SLAM建圖、導(dǎo)航、多機(jī)器人系統(tǒng)等知識，*終引導(dǎo)讀者獨(dú)立完成機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)的任務(wù)。本書中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和代碼基于ROS的Noetic版本。
本書為讀者提供了全部案例源代碼和學(xué)習(xí)資料，讀者可以直接掃描二維碼下載。
本書適合ROS用戶及其編程開發(fā)人員使用，也可以作為高等學(xué)校或培訓(xùn)學(xué)校相關(guān)專業(yè)的參考教材。

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)從科幻小說走進(jìn)了人們的日常生活中，如房間里用來清潔地板的掃地機(jī)器人，餐廳中穿梭往來送餐的服務(wù)機(jī)器人，商場中引導(dǎo)顧客的引導(dǎo)機(jī)器人，園區(qū)中配送快遞的無人快遞配送車，道路上的自動(dòng)駕駛汽車等。伴隨而來的是行業(yè)對于機(jī)器人相關(guān)技術(shù)人才的需求愈加旺盛。而面對著功能各異、形態(tài)千差萬別的機(jī)器人，它們之間有著什么差異？有著什么共性？應(yīng)該從哪里開始了解它們？怎樣才能掌握機(jī)器人開發(fā)相關(guān)的技術(shù)？
機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）就是一個(gè)很好的入手方向，ROS是一套應(yīng)用于機(jī)器人開發(fā)的軟件框架，開始應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域，由于其強(qiáng)大的功能、開源的特性和良好的社區(qū)環(huán)境，逐漸被越來越多的商業(yè)公司應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)中。ROS經(jīng)過了多年的發(fā)展，已經(jīng)成為機(jī)器人行業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
提到ROS的學(xué)習(xí)，人們常聽到的一個(gè)說法是學(xué)習(xí)曲線很陡峭，這是指ROS在入門學(xué)習(xí)階段比較艱難。而結(jié)合相關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和眾多學(xué)生的反饋，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致 ROS 學(xué)習(xí)入門難的幾個(gè)原因如下：
1）ROS目前主流使用的操作系統(tǒng)平臺(tái)為Linux操作系統(tǒng)的發(fā)行版，例如 Ubuntu，而多數(shù)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生在此前并沒有了解過Linux操作系統(tǒng)，加上Linux中的主要操作都是通過終端命令行輸入指令完成的，和日常廣泛使用的Windows操作系統(tǒng)依賴圖形化界面的操作方式有很大的區(qū)別，這就導(dǎo)致了很多用戶沒法熟練地使用，而Linux操作系統(tǒng)是ROS運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，不能熟練使用必然會(huì)給ROS的學(xué)習(xí)帶來很大的阻礙。
2）對于ROS中常用的工具掌握不熟練，甚至不知道有這些工具的存在，正所謂工欲善其事必先利其器，而利其器的前提則是知有器，ROS 為開發(fā)者提供了很多用于調(diào)試和診斷問題的工具，每種工具有各自擅長分析和解決的問題，不會(huì)靈活地使用各類工具來輔助機(jī)器人的開發(fā)和調(diào)試，必然會(huì)極大地影響開發(fā)和學(xué)習(xí)的效率。
3）目前很多 ROS 相關(guān)的教程是基于仿真軟件或者一款特定的機(jī)器人硬件而展開的，對于仿真軟件中的機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人之間的區(qū)別和聯(lián)系，以及怎樣去移植和適配，并沒有做出很好的闡述，這就使用戶在學(xué)習(xí)完成后想要搭建自己的機(jī)器人平臺(tái)或者將教程中的軟件移植到其他機(jī)器人平臺(tái)上時(shí)存在一定的難度。
第四，現(xiàn)在已經(jīng)有很多個(gè)人或組織開源了自己所開發(fā)的ROS功能包軟件并配套了詳細(xì)的使用教程，初學(xué)者可以根據(jù)文檔或視頻教程去運(yùn)行這些軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，或者基于開源的軟件做一些修改來快速實(shí)現(xiàn)自己的功能，但是當(dāng)初學(xué)者想要實(shí)現(xiàn)一些新的功能，并且沒有現(xiàn)成的開源軟件可以參考時(shí)就會(huì)無從下手。究其原因是對 ROS 的編程思想缺乏了解，開源的軟件通常只是給出了一套實(shí)現(xiàn)功能的代碼和使用教程，但是對于功能實(shí)現(xiàn)的分析過程和思路卻鮮有提及，即告訴了怎么做但沒有告訴為什么這樣做。
針對以上幾個(gè)問題，本書在內(nèi)容選取和結(jié)構(gòu)編排上做了一些針對性的設(shè)計(jì)。
第 1 章為學(xué)習(xí)ROS必備的Linux知識，介紹Linux操作系統(tǒng)的安裝、使用，為后面在Linux中使用ROS打下基礎(chǔ)。
第 2 章為認(rèn)識ROS，介紹ROS的安裝，梳理ROS中眾多概念的聯(lián)系，通過官方提供的例程來熟悉各種工具的使用。
第 3 章為ROS編程基礎(chǔ)，介紹ROS開發(fā)環(huán)境的搭建和編程的基本方式，鞏固第2章中的ROS概念和工具知識點(diǎn)。
第 4 章為ROS機(jī)器人平臺(tái)搭建，介紹ROS機(jī)器人的主要構(gòu)成部件和選型參考，以及組建一套可以用于開發(fā)學(xué)習(xí)的機(jī)器人。
第 5 章為機(jī)器人仿真環(huán)境搭建，介紹在機(jī)器人仿真軟件中搭建機(jī)器人仿真平臺(tái)以及與實(shí)體機(jī)器人和仿真環(huán)境中機(jī)器人的區(qū)別與聯(lián)系，為第6、7、8三個(gè)章節(jié)中的機(jī)器人例程運(yùn)行做準(zhǔn)備。
第 6 章為ROS中的OpenCV和機(jī)器視覺，介紹機(jī)器人中的機(jī)器視覺，機(jī)器視覺是目前機(jī)器人研究中一個(gè)重要的組成部分，本章介紹ROS和OpenCV結(jié)合方法以及經(jīng)典的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)。
第 7 章為激光雷達(dá)SLAM建圖和自主導(dǎo)航，介紹機(jī)器人使用激光雷達(dá)完成SLAM構(gòu)建地圖和在地圖中導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)。
第8章為ROS多機(jī)器人系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的搭建和控制。
第 9 章為自己編寫程序控制機(jī)器人，結(jié)合實(shí)例分析ROS機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)的思路，以及相關(guān)API接口的查找、使用方法，并編寫代碼來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。
由于作者水平有限，書中難免有疏漏之處，敬請讀者批評指正。

前言
二維碼清單
第1章學(xué)習(xí)ROS必備的Linux知識1
1.1 Linux操作系統(tǒng)介紹1
1.1.1 Linux的誕生1
1.1.2 Linux、UNIX、系統(tǒng)、內(nèi)核和發(fā)行版2
1.2 Ubuntu環(huán)境搭建3
1.2.1 VMWare的安裝使用3
1.2.2 安裝Ubuntu系統(tǒng)5
1.3 Ubuntu桌面使用10
1.3.1 Ubuntu的桌面布局10
1.3.2 安裝VMware Tools工具11
1.4 shell和常用命令12
1.4.1 shell、終端和命令12
1.4.2 常用shell命令14
1.5 Ubuntu安裝和卸載軟件17
1.5.1 使用國內(nèi)軟件源提升下載速度17
1.5.2 通過apt管理軟件19
1.5.3 通過應(yīng)用商店安裝卸載軟件19
1.6 vim編輯器使用21
1.7 Linux文件系統(tǒng)22
1.7.1 Linux文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22
1.7.2 目錄內(nèi)容存放規(guī)則24
1.8 root用戶和權(quán)限管理24
1.8.1 Linux中的權(quán)限概念25
1.8.2 文件/目錄權(quán)限查看和修改25
1.8.3 啟用root用戶26
1.9 嵌入式單板計(jì)算機(jī)和Linux27
第2章認(rèn)識ROS30
2.1 ROS是什么30
2.1.1 ROS從何而來30
2.1.2 為什么要使用ROS31
2.2 如何安裝ROS32
2.3 ROS通信結(jié)構(gòu)37
2.3.1 節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)38
2.3.2 話題（Topic）39
2.3.3 服務(wù)（Service）40
2.3.4 動(dòng)作（Action）41
2.3.5 參數(shù)服務(wù)器42
2.4 ROS常用shell命令43
2.5 ROS常用圖形工具50
2.5.1 rqt工具箱51
2.5.2 rviz52
2.6 ROS坐標(biāo)系和tf變換53
2.6.1 ROS中的坐標(biāo)定義53
2.6.2 ROS中的tf變換54
2.7 ROS工作空間56
2.7.1 ROS工作空間是什么57
2.7.2 創(chuàng)建并使用一個(gè)工作空間58
第3章 ROS編程基礎(chǔ)60
3.1 ROS開發(fā)環(huán)境搭建60
3.1.1 Ubuntu下安裝VSCode60
3.1.2 VSCode常用插件安裝61
3.2 新建一個(gè)ROS功能包62
3.3 編寫一對發(fā)布訂閱節(jié)點(diǎn)（C ）64
3.3.1 編寫發(fā)布節(jié)點(diǎn)（C ）64
3.3.2 編寫訂閱節(jié)點(diǎn)（C ）66
3.4 編寫一對發(fā)布訂閱節(jié)點(diǎn)（Python）67
3.4.1 編寫發(fā)布節(jié)點(diǎn)（Python）67
3.4.2 編寫訂閱節(jié)點(diǎn)（Python）68
3.5 編寫launch文件用于啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)70
3.5.1 通過launch文件啟動(dòng)C 編譯的節(jié)點(diǎn)70
3.5.2 通過launch文件啟動(dòng)Python節(jié)點(diǎn)71
3.5.3 在launch文件中調(diào)用launch文件72
3.6 創(chuàng)建新消息類型并編寫節(jié)點(diǎn)發(fā)布消息73
3.6.1 編寫自定義消息74
3.6.2 驗(yàn)證消息正常產(chǎn)生75
3.6.3 編寫節(jié)點(diǎn)發(fā)布自定義消息類型（C ）76
3.6.4 編寫節(jié)點(diǎn)訂閱自定義消息類型（Python）76
3.7 創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)類型并編寫服務(wù)端/客戶端節(jié)點(diǎn)77
3.7.1 定義并編寫一個(gè)自定義服務(wù)77
3.7.2 通過rossrv驗(yàn)證服務(wù)產(chǎn)生78
3.7.3 編寫自定義服務(wù)的服務(wù)端（C ）79
3.7.4 編寫自定義服務(wù)的服務(wù)端（Python）80
3.7.5 編寫自定義服務(wù)的客戶端（C ）80
3.7.6 編寫自定義服務(wù)的客戶端（Python）81
3.8 tf變換編程入門82
3.8.1 通過static_transform_publisher發(fā)布靜態(tài)坐標(biāo)變換82
3.8.2 編寫節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)tf變換（Python）84
3.8.3 編寫節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)tf變換（C ）85
第4章 ROS機(jī)器人平臺(tái)搭建87
4.1 機(jī)器人系統(tǒng)的典型構(gòu)成87
4.2 幾種常見的機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)學(xué)模型88
4.2.1 差速轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)89
4.2.2 阿克曼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)90
4.2.3 全向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)92
4.3 驅(qū)動(dòng)和電池系統(tǒng)95
4.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)95
4.3.2 電池系統(tǒng)97
4.4 控制系統(tǒng)底盤控制器98
4.5 控制系統(tǒng)車載計(jì)算機(jī)100
4.5.1 車載計(jì)算機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能100
4.5.2 車載計(jì)算機(jī)的選擇100
4.5.3 將車載計(jì)算機(jī)和底盤控制器連接起來102
4.6 機(jī)器人上常用的傳感器105
4.6.1 獲取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)編碼器和IMU105
4.6.2 讓機(jī)器人看見世界攝像頭107
4.6.3 讓機(jī)器人感知世界的深淺立體相機(jī)108
4.6.4 讓機(jī)器人具備全向感知能力激光雷達(dá)109
4.7 遠(yuǎn)程連接車載計(jì)算機(jī)111
4.7.1 路由模式和WiFi模式111
4.7.2 SSH遠(yuǎn)程登錄112
4.7.3 使用遠(yuǎn)程桌面連接機(jī)器人113
4.8 底盤啟動(dòng)和控制115
4.8.1 啟動(dòng)底盤驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)115
4.8.2 控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)116
4.8.3 向launch文件中傳入變量118
4.9 機(jī)器人底盤ROS節(jié)點(diǎn)源碼解析119
4.9.1 base_control功能包文件結(jié)構(gòu)120
4.9.2 base_control.launch文件解讀120
4.9.3 base_control.py源碼解讀122
4.9.4 bash腳本與udev規(guī)則131
4.10 ROS分布式通信配置132
4.10.1 分布式通信配置條件檢查133
4.10.2 分布式通信配置和測試驗(yàn)證135
第5章機(jī)器人仿真環(huán)境搭建137
5.1 為什么要有機(jī)器人仿真環(huán)境137
5.1.1 機(jī)器人仿真主要解決的問題137
5.1.2 仿真環(huán)境中的機(jī)器人和真實(shí)機(jī)器人的聯(lián)系138
5.2 在Stage仿真器中創(chuàng)建機(jī)器人139
5.2.1 Stage仿真器簡介139
5.2.2 創(chuàng)建Stage仿真器地圖和機(jī)器人模型140
5.2.3 控制Stage仿真器中的機(jī)器人143
5.3 在Gazebo仿真器中創(chuàng)建機(jī)器人144
5.3.1 Gazebo仿真器簡介144
5.3.2 Gazebo仿真器中的環(huán)境模型147
5.4 機(jī)器人模型和URDF文件150
5.4.1 URDF文件150
5.4.2 xacro文件和Gazebo插件155
5.4.3 通過Solidworks 創(chuàng)建機(jī)器人模型157
第6章 ROS中的OpenCV和機(jī)器視覺159
6.1 攝像頭的驅(qū)動(dòng)和圖像話題訂閱159
6.1.1 啟動(dòng)攝像頭159
6.1.2 訂閱攝像頭圖像并顯示161
6.1.3 攝像

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