ROS机器人程序设计

ROS机器人程序设计
作者：（西）马丁内斯 著； 刘品杰 译
出版时间：2014
丛编项： 电子与嵌入式系统设计丛书
内容简介
　　无论是业余爱好者还是专业的机器人开发人员，在开始进行机器人系统及程序设计时，首先要面对的问题都是最基本的驱动机器人的轮子的设计。ROS通过软件代码复用集成了众多已经开发完成的功能组件。而本书就是专门帮助读者从对ROS一无所知到能够通过ROS系统完成小型机器人系统的开发和编程工作的。本书提供了各种实际的示例代码供读者学习和理解ROS的软件框架。你可以在仿真环境中自行构建机器人相应的功能程序，并在ROS社区中分享你的学习心得和知识。读者对象　本书主要针对希望学习机器人制作和设计，尤其是想要设计自己的机器人、真正热爱机器人的爱好者。本书将会为你提供让你的机器人可维护可升级，并且能够相互分享的途径。为了能够更好地学习本书的内容，你最好具备一定的C++程序设计背景以及GNU/Linux系统和计算机科学知识。而你并不需要对ROS有任何了解，因为本书正是要介绍这些基本知识和技能。还有你最好能够了解一定的版本控制系统的知识，如SVN或GIT。在本书中会经常使用它们。本书内容：ROS系统的完整安装；创建ROS功能包和功能包集，学习实时地运行和调试功能包；创建、操作和调试ROS节点；设计自定义的3D机器人模型，并在Gazebo虚拟环境中进行仿真；机器人使用摄像头获取视频信息，完成摄像头标定和基本的机器视觉任务；在机器人上集成和使用激光雷达、Arduino和Kinect传感器；创建并配置导航功能包集；在ROS社区分享你的学习心得和知识。
目录
译者序
前　言
第1章　ROS系统入门 1
1.1　使用软件源安装ROS Electric 3
1.1.1　添加软件源到sources.list文件中 4
1.1.2　设置密码 4
1.1.3　安装 4
1.1.4　环境配置 5
1.2　使用软件源安装ROS Fuerte 6
1.2.1　配置Ubuntu软件源 6
1.2.2　配置source.list文件 6
1.2.3　设置密码 7
1.2.4　安装 7
1.2.5　环境配置 8
1.2.6　独立工具 9
1.3　如何安装VirtualBox和Ubuntu 9
1.3.1　下载VirtualBox 9
1.3.2　创建虚拟机 10
1.4　本章小结 12
第2章　ROS系统架构及示例 13
2.1　理解ROS文件系统级 13
2.1.1　功能包 14
2.1.2　功能包集 16
2.1.3　消息类型 16
2.1.4　服务类型 17
2.2　理解ROS计算图级 18
2.2.1　节点 19
2.2.2　主题 20
2.2.3　服务 21
2.2.4　消息 22
2.2.5　消息记录包 22
2.2.6　节点管理器 22
2.2.7　参数服务器 22
2.3　理解ROS开源社区级 23
2.4　ROS系统试用练习 23
2.4.1　ROS文件系统导览 24
2.4.2　创建工作空间 24
2.4.3　创建ROS功能包 25
2.4.4　编译ROS功能包 26
2.4.5　使用ROS节点 26
2.4.6　使用主题与节点交互 28
2.4.7　学习如何使用服务 31
2.4.8　使用参数服务器 33
2.4.9　创建节点 34
2.4.10　编译节点 36
2.4.11　创建msg和srv文件 37
2.4.12　使用新建的srv和msg文件 38
2.5　本章小结 42
第3章　调试和可视化 43
3.1　调试ROS节点 44
3.1.1　使用GDB调试器调试ROS节点 45
3.1.2　ROS节点启动时调用GDB调试器 46
3.1.3　设置ROS节点core文件转存 47
3.2　调试信息 47
3.2.1　输出调试信息 47
3.2.2　设置调试信息级别 48
3.2.3　为特定节点配置调试信息级别 48
3.2.4　信息命名 50
3.2.5　条件显示信息与过滤信息 50
3.2.6　信息的更多功能——单次显示、可调、组合 51
3.2.7　使用rosconsole和rxconsole在运行时修改调试级别 52
3.3　监视系统状态 56
3.3.1　节点、主题与服务列表 56
3.3.2　使用rxgraph在线监视节点状态图 56
3.4　当奇怪的事情发生——使用roswtf 58
3.5　画标量数据图 58
3.5.1　用rxplot画出时间趋势曲线 59
3.5.2　另一个画图工具rxtools 60
3.6　图像可视化 61
3.6.1　显示单一图片 61
3.6.2　FireWire接口摄像头 62
3.6.3　使用双目立体视觉 63
3.7　3D可视化 64
3.7.1　使用rviz在3D世界中实现数据可视化 64
3.7.2　主题与坐标系的关系 66
3.7.3　可视化坐标变换 67
3.8　保存与回放数据 68
3.8.1　什么是消息记录包文件 69
3.8.2　使用rosbag在包文件中记录数据 69
3.8.3　回放消息记录文件 70
3.8.4　使用rxbag检查消息记录包的主题和消息 71
3.9　rqt插件与rx应用 72
3.10　本章小结 73
第4章　在ROS下使用传感器和执行机构 74
4.1　使用游戏杆或游戏手柄 74
4.1.1　joy_node如何发送游戏杆动作消息 75
4.1.2　使用游戏杆数据在turtlesim中移动海龟 76
4.2　使用激光雷达——Hokuyo URG-04lx 79
4.2.1　了解激光雷达如何在 ROS 中发送数据 80
4.2.2　访问和修改激光雷达数据 82
4.3　使用Kinect传感器查看3D环境 84
4.3.1　如何发送和查看Kinect数据 85
4.3.2　创建和使用Kinect示例 86
4.4　使用伺服电动机——Dynamixel 88
4.4.1　Dynamixel如何发送和接收运动命令 89
4.4.2　创建和使用伺服电动机示例 90
4.5　使用Arduino添加更多的传感器和执行机构 91
4.6　使用惯性测量模组——Xsens MTi 94
4.6.1　Xsens如何在ROS中发送数据 95
4.6.2　创建和使用Xsens示例 96
4.7　使用低成本惯性测量模组IMU-10自由度 98
4.7.1　下载加速度传感器库 99
4.7.2　Arduino Nano和10自由度传感器编程 99
4.7.3　创建ROS节点并使用10自由度传感器数据 101
4.8　本章小结 103
第5章　3D建模与仿真 104
5.1　自定义机器人在ROS中的3D模型 104
5.2　创建第一个URDF文件 104
5.2.1　解释文件格式 106
5.2.2　在rviz里查看3D模型 107
5.2.3　加载图形到机器人模型 109
5.2.4　使机器人模型运动 109
5.2.5　物理和碰撞属性 110
5.3　xacro——一个写机器人模型的更好方法 111
5.3.1　使用常量 111
5.3.2　使用数学方法 112
5.3.3　使用宏 112
5.3.4　使用代码移动机器人 112
5.3.5　使用SketchUp进行3D建模 116
5.4　在ROS中仿真 117
5.4.1　在Gazebo中使用URDF3D模型 117
5.4.2　在Gazebo中添加传感器 120
5.4.3　在Gazebo中加载和使用地图 121
5.4.4　在Gazebo中移动机器人 123
5.5　本章小结 125
第6章　机器视觉 126
6.1　连接和运行摄像头 128
6.1.1　FireWire IEEE1394 摄像头 128
6.1.2　USB摄像头 132
6.2　使用OpenCV制作USB摄像头驱动程序 133
6.2.1　创建 USB 摄像头驱动功能包 134
6.2.2　使用ImageTransport API发布摄像头帧 135
6.2.3　使用 cv_bridge 进行OpenCV 和 ROS 图像处理 138
6.2.4　使用ImageTransport 发布图像 139
6.2.5　在ROS中使用OpenCV 139
6.2.6　显示摄像头输入的图像 140
6.3　如何标定摄像头 140
6.4　ROS 图像管道 147
6.5　对于计算机视觉任务有用的 ROS功能包 152
6.6　使用viso2执行视觉测距 153
6.6.1　摄像头位姿标定 154
6.6.2　运行 viso2 在线演示 156
6.6.3　使用低成本双目摄像头运行 viso2 158
6.7　本章小结 159
第7章　导航功能包集入门 160
7.1　ROS导航功能包集 160
7.2　创建转换 161
7.2.1　创建广播机构 162
7.2.2　创建侦听器 162
7.2.3　查看坐标变换树 164
7.3　发布传感器信息 165
7.4　发布里程数据 168
7.4.1　Gazebo如何获取里程数据 169
7.4.2　创建自定义里程数据 171
7.5　创建基础控制器 175
7.5.1　使用Gazebo 创建里程数据 176
7.5.2　创建基础控制器 178
7.6　使用ROS创建地图 180
7.6.1　使用map_server保存地图 181
7.6.2　使用map_server加载地图 182
7.7　本章小结 183
第8章　导航功能包集进阶 184
8.1　创建功能包 184
8.2　创建机器人配置 184
8.3　配置全局和局部代价地图 187
8.3.1　基本参数的配置 187
8.3.2　全局代价地图的配置 188
8.3.3　局部代价地图的配置 189
8.4　基本局部规划器配置 189
8.5　为导航功能包集创建启动文件 190
8.6　为导航功能包集设置rviz 191
8.6.1　2D位姿估计 191
8.6.2　2D导航目标 192
8.6.3　静态地图 193
8.6.4　点云 193
8.6.5　机器人立足点 193
8.6.6　障碍 194
8.6.7　膨胀障碍 194
8.6.8　全局规划 195
8.6.9　局部规划 195
8.6.10　规划器规划 196
8.6.11　当前目标 196
8.7　自适应蒙特卡罗定位 197
8.8　避免障碍 199
8.9　发送目标 200
8.10　本章小结 202
第9章　在实践中学习 203
9.1　REEM——类人形PAL机器人 204
9.1.1　从官方软件源安装REEM 205
9.1.2　使用Gazebo仿真环境运行REEM 208
9.2　PR2——柳树车库机器人 210
9.2.1　安装 PR2仿真环境 210
9.2.2　在仿真环境中运行PR2 211
9.2.3　生成地图与定位 214
9.2.4　在仿真环境中运行PR2演示程序 216
9.3　Robonaut 2——NASA的敏捷型人形机器人 217
9.3.1　从软件源安装Robonaut 2 217
9.3.2　在国际空间站的固定支座上运行Robonaut2 218
9.4　Husky——Clearpath的轮式机器人 222
9.4.1　安装Husky仿真环境 222
9.4.2　运行Husky仿真环境 222
9.5　TurtleBot——低成本移动机器人 224
9.5.1　安装TurtleBot仿真环境 224
9.5.2　运行TurtleBot仿真环境 224
9.6　本章小结 225