卡罗尔·费尔柴尔德是费尔柴尔德机器人公司的所有人兼首席工程师，专注于机器人技术的研究。她在休斯顿大学明湖分校巴克斯特机器人实验室进行研究，并兼职教授。她拥有得州农工大学的工程技术学士学位和休斯顿大学的计算机工程硕士学位。托马斯·L·哈曼是休斯顿大学明湖分校工程系主任，专注于控制系统、机器人技术和微处理器技术的应用，并在医学领域有所贡献。他曾任FIRST机器人大赛的裁判与安全顾问，出版了18本专著和合著。

本书不仅涵盖ROS的基础知识，还循序渐进地讲解了ROS机器人的高级应用特性。书中首先对ROS的基本配置进行介绍，内容包括ROS的安装、基本概念、主要的功能包与工具等。然后对相应的故障排查方法进行了论述。之后通过模拟的方式，先对Tu rtIesim的ROS组成模块进行描述，再对其他几类典型机器人的ROS组成模块进行相应的介绍。对ROS组成模块的介绍，一般遵循的流程是首先介绍基本的ROS命令，然后对ROS的功能包、节点、主题以及消息进行论述，以此来对ROS机器人操作系统的整体内容进行详细的阐述。为了对书中选用的机器人的整体性能进行描述，书中还给出了相关机器人的技术资料。

卡罗尔·费尔柴尔德（Carol Fairchild），是费尔柴尔德机器人公司的所有人、首席工程师，该公司致力于机器人技术的开发与集成。她是休斯顿大学明湖分校巴克斯特机器人实验室的一名研究人员和兼职教授。她的研究领域主要是基于Baxter机器人的扩展应用开发。她在得州农工大学获得工程技术学士学位，在休斯顿大学明湖分校获得计算机工程硕士学位。
托马斯·L.哈曼（Thomas L.Harman），是休斯顿大学明湖分校工程系的主任。他的研究领域主要是控制系统、机器人技术与微处理器技术的应用等。他和同事关于机器人和激光的论文已经应用在了医学领域。2005年，他当选为休斯顿大学明湖分校的特聘教授。他曾担任FIRST机器人大赛的裁判与安全顾问。他已经出版的专著、合著书籍有18本，主题包括微处理器技术、MATLAB与仿真以及美国国家电气规程等。

ROS框架及其长期支持版的发展历程，特别是ROS Kinetic Kame版本在机器人操控领域的广泛应用。书中详细介绍了TurtleBot、Bebop、Crazyflie和Baxter等机器人的模拟与实际操作，以及基于ROS的机器人开发技术和移动智能设备的配置。同时，针对学术研究需求，介绍了MATLAB机器人工具箱与ROS命令的调用方法，使读者能根据自身兴趣和方向学习。



译者序

ROS，一个运行在Linux操作系统之上的元操作系统，具备强大的通信功能，为用户、操作系统和外部设备提供便利。它简化了机器人控制，用户可通过命令或脚本轻松操控机器人手臂。ROS开源，用户可自由修改和使用，并可应用于商业产品。全球有成千上万的用户，从业余爱好者到专业开发人员都在使用它。

ROS的核心概念和组成包括节点、话题、消息和服务。通过turtlesim模拟器，我们可以了解如何启动节点、查看节点信息、发布和订阅话题、控制机器人运动以及修改系统参数等操作。书中介绍了如何使用roscore启动ROS Master，以及如何使用rosnode和rostopic等命令来管理节点和话题。rostopic和rosservice等命令则使我们能深入了解ROS的消息和服务机制。通过这些学习和实践，读者能更好地理解ROS的工作原理，为后续的机器人开发打下坚实的基础。

ROS的安装、启动及基本概念，如结构和功能包、节点、话题、消息和服务，都得到了详细介绍。通过turtlesim模拟器，读者可以实际操作ROS命令。书中还展示了如何构建机器人模型，使用Rviz和Gazebo进行可视化模拟，并介绍了通过游戏手柄控制乌龟运动的方法。

第1章 ROS初体验

Rviz是ROS的3D可视化工具，用户可以通过它查看机器人模型、传感器数据以及重放记录的传感器信息。它支持3D和2D形式展示传感器数据，如点云、深度图和图片。当与机器人通信时，Rviz能实时显示机器人的配置信息，并提供可配置的GUI，帮助用户筛选感兴趣的信息，便于机器人系统的开发和调试。

安装Rviz需要高性能显卡和相应驱动程序。对于ROS Kinetic Desktop Full版本，Rviz会自动安装。安装后，通过终端启动ROS Master和Rviz，即可进入主界面。主界面包含中心区域、左侧的Displays控制面板、右侧的Views控制面板和底部的Time控制面板。用户可以通过Displays面板添加、复制、删除或重命名可视化元素。Rviz还提供了工具栏和菜单栏，方便用户操作。

在Gazebo中进行碰撞检测和识别物体边界，可以为机器人模型中的<link>元素添加<collision>属性。通过Rviz的GUI界面，用户可以控制轮子的转动，调节滑动条来改变JointState消息中的值，观察轮子的转动效果。

ROS机器人系统由三维坐标系集合构成，其中dd_robot机器人模型包含基本坐标系和轮子坐标系。tf功能包用于建立机器人模型与各元素坐标系之间的联系。robot_state_publisher节点订阅JointState消息，计算出机器人连接杆组件的3D位姿并发布。

在Gazebo模拟器中，机器人需要添加质量和惯性等物理学属性，并使用urdf文件定义。ROS提供了check_urdf和urdf_to_graphiz等工具进行URDF文件检查和可视化。

如何加载并可视化两轮机器人模型在Gazebo中？首先，需要安装并启动Gazebo，然后使用roslaunch命令启动Gazebo，创建自定义环境模型。Gazebo的界面和操作方法包括环境工具栏、World、Insert和Layers面板、Joints面板、主菜单栏和Simulation面板等。

在Gazebo中进行机器人模拟，可以通过修改URDF文件来调整机器人模型的物理特性。使用Gazebo的Environment工具栏可以操控模型，观察重力效果，甚至修改环境模型进行试验。通过Joints面板，可以控制模型的关节运动，实现简单的运动模拟。

ROS机器人仿真领域的重要工具和软件包括MATLAB（带Simulink）、Stage和V-REP。MATLAB是一款商业仿真软件，支持ROS，并提供ROS支持工具箱；Stage是一个开源的2D模拟器，适用于移动机器人和传感器；V-REP是一个商业化的机器人模拟器，具有集成开发环境。

本章还简要介绍了两轮差分驱动模型和URDF文件，并提到后续章节将介绍机械臂Xacro文件。第3章将探索移动机器人导航的ROS控制方法，并使用TurtleBot进行实践。

第2章 构建一个模拟的两轮ROS机器人

如何下载TurtleBot 2模拟器软件，但需要注意，软件并未完全升级至Kinetic版本，而是支持Indigo版本。用户需要在安装有Ubuntu 16.04和ROS Kinetic的电脑上运行特定命令，来安装包括TurtleBot软件和Kobuki软件在内的ROS功能包。这些功能包涵盖了模拟TurtleBot机器人和控制真实机器人的功能。此外，文章还指导用户如何查看下载的TurtleBot功能包。



3.2 下载TurtleBot 2模拟器软件

在Gazebo中启动TurtleBot 2模拟器的方法，首先需要安装TurtleBot软件，然后在终端窗口输入特定命令启动模拟器。在Gazebo中，可以加载模型和世界，并对环境进行操作。通过Gazebo，可以查看TurtleBot的位姿，了解其在世界坐标系和自身坐标系中的位置和朝向。同时，介绍了如何通过ROS命令控制TurtleBot的移动，以及如何使用键盘进行远程控制。此外，还提到了在Gazebo中可能出现的问题和故障排除方法，以及如何使用Gazebo中的工具和面板进行操作。



3.3 在Gazebo中启动TurtleBot 2模拟器

如何设置和控制TurtleBot 2机器人。首先在上网本上安装Ubuntu和ROS，然后配置远程计算机和网络连接。通过测试和命令，可以确认机器人的软件安装是否正确。最后，使用终端控制机器人移动，实现远程控制。这个过程中，需要关注网络设置和ROS节点管理器，以确保机器人能够稳定运行。



3.4 控制真正的TurtleBot 2机器人的设置

如何将上网本与远程计算机连接，实现TurtleBot机器人的远程控制。首先，需要将TurtleBot上网本设置为ROS节点管理器，并确保远程计算机和上网本位于同一网络中。通过SSH连接，可以在远程计算机上控制TurtleBot机器人。同时，文中详细介绍了网络设置方法，包括网络类型、网络地址、SSH连接等，并提供了相关命令。此外，还提供了网络设置小结和故障排查方法，帮助读者顺利完成连接和设置。最后，通过测试步骤，验证远程控制功能是否正常。



3.5 连接上网本与远程计算机

TurtleBot 2机器人的硬件规格，包括速度、转弯能力、运载能力等参数。书中详细介绍了机器人底盘的构造，如可充电电池、传感器等。同时，阐述了机器人运动中的线性速度和旋转速度，以及最大速度和角速度等参数。此外，还介绍了TurtleBot机器人的仪表盘，其中包括诊断信息、电池监视信息、动力系统、发动机、传感器的状态信息等。这些信息有助于读者更好地理解和规划机器人的运动路径和速度。



3.6 TurtleBot 2机器人的硬件规格参数

如何通过ROS移动TurtleBot 2机器人。首先，可以通过键盘远程控制机器人移动，使用“i”键向前，“，”键向后，速度为0.2m/s。其次，可以使用ROS终端窗口命令控制机器人运动，如使用`rostopic pub`发布速度命令，`rostopic echo`查看消息。最后，通过编写Python脚本控制机器人，设计脚本实现机器人动作，使用ROS Python库`rospy`发布和订阅消息，通过`cmd_vel_mux/input/navi`话题发送Twist消息控制机器人移动。



3.7 移动真实的TurtleBot 2机器人

TurtleBot机器人的测程功能，它通过轮编码器和惯性测量单元（IMU）的数据来估计机器人的位置和姿态。然而，由于测量误差和地面不平整等原因，测程数据可能会出现不准确。为了解决这个问题，文中提到了一篇论文，详细讨论了移动机器人里程计系统误差的测量与修正。文章还介绍了如何通过命令行工具rostopic echo来查看TurtleBot的测程数据，并使用Rviz工具进行可视化显示。通过Rviz，可以实时看到TurtleBot的运动轨迹和位置变化，方便用户进行监控和调试。此外，文章还展示了如何使用Gazebo进行模拟，并通过Rviz进行可视化，以验证Rviz对测程信息显示的可行性。



3.9 TurtleBot机器人的测程

TurtleBot机器人的自动充电功能。该机器人能自动寻找充电桩并充电，充电桩加电后会亮起红灯，机器人找到后红灯变为闪烁绿灯，充电完成后绿灯常亮。操作前需确保minimal launch文件启动，并将机器人置于充电桩视野范围内。通过命令控制机器人搜索充电桩，其搜索过程通过旋转来发现红外信号并向充电桩运动。充电完成后，屏幕上会有代码显示充电过程。



3.10 TurtleBot机器人的自动充电

TurtleBot 3机器人，这是一款由ROBOTIS公司设计生产的移动机器人，适用于教育及业余爱好者。它有Burger和Waffle两个版本，体积小，配置了激光测距传感器，续航时间可达2.5小时。TurtleBot 3搭载了先进的单板计算机，无需配备上网本，配备3轴陀螺仪、加速度计和磁力计。控制器板由ARM Cortex-M7供电，具有可编程的Arduino软件开发环境。此外，还有多款3D传感器可供选配，通过网站可获取详细信息。



3.11 TurtleBot 3介绍

TurtleBot 3模拟软件的下载与安装过程。软件需安装在远程计算机上，需满足Ubuntu 16.04与ROS Kinect的安装要求。通过输入特定命令，可以下载和编译turtlebot3、turtlebot3_msgs和turtlebot3_simulations等关键功能包。其中，turtlebot3_fake用于Rviz模拟，turtlebot3_gazebo用于Gazebo模拟。同时，需设置环境变量以确保ROS控制返回本地计算机。



3.12 下载TurtleBot 3模拟软件

如何在Rviz中启动并控制TurtleBot 3模拟软件。首先，需要设置ROS IP环境变量，并选择模型参数为burger。通过启动robot_state_publisher、rviz和turtlebot3_fake_node三个节点，可以在Rviz中看到TurtleBot 3的模型，并通过键盘控制其运动。W键控制缓慢前进，S键停止，A键左转。接下来，将介绍在Gazebo 3D模拟器中模拟TurtleBot 3的方法。



3.13 在Rviz中启动TurtleBot 3模拟软件

在Gazebo中启动TurtleBot 3模拟软件的过程。首先，需要设置环境变量，选择TurtleBot 3模型，然后启动模拟环境。通过命令行可以生成多个TurtleBot 3模型，并在Gazebo中看到其模型。使用键盘控制命令可以控制TurtleBot在模拟环境中运动。TurtleBot 3还能在模拟环境中自主导航。最后，通过Rviz可以可视化显示TurtleBot 3的运动轨迹。



3.14 在Gazebo中启动TurtleBot 3模拟软件

TurtleBot 3机器人的硬件装配与测试过程。机器人到货时为零部件形式，读者需自行组装。在装配过程中，测试各个组件的功能性能至关重要。建议在组装好Open-CR板、马达、电池等组件后，进行基本操控测试，确保底层硬件功能正常。同时，加电后需检查所有绿色LED灯是否亮起，以确认组件完好。对于Burger版TurtleBot 3，作者进行了beta版测试，而Waffle版及其他版本可参考官方网站。



3.15 硬件装配与测试

TurtleBot 3机器人的软件安装过程，包括在远程计算机和SBC上的操作。首先，远程计算机需要安装Ubuntu 16.04和ROS Kinect，并按照官方文档提供的方法安装相应的功能包。然后，将软件包的相关文件加载到catkin工作空间中，并执行catkin_make命令。对于SBC，需要将Ubuntu MATE操作系统安装到microSD卡上，并插入Raspberry Pi 3板卡中。接着，在Raspberry Pi 3上安装ROS Kinect，并下载TurtleBot 3功能包。最后，为TurtleBot 3设置udev规则，以确保外接设备正常运行。整个过程详细阐述了软件的下载、安装和配置步骤。



3.16 下载TurtleBot 3机器人软件包

TurtleBot 3与远程计算机的网络连接配置方法。首先，需确认两台设备的IP地址，并将它们配置在同一网络中。通过设置ROS环境变量，确保远程计算机能够识别TurtleBot 3。接下来，对TurtleBot 3进行网络设置，包括网络连接和IP地址分配。最后，通过SSH连接测试通信状态，并解决可能的故障。这一过程为远程操控TurtleBot 3奠定了基础。



3.17 TurtleBot 3与远程计算机的网络连接

如何通过ROS使用键盘远程控制TurtleBot 3移动。首先确保TurtleBot电量充足并连接到远程计算机，通过ssh命令建立连接并启动机器人。接着，在Rviz中查看TurtleBot 3的实时情况，并使用turtlebot3_teleop_keyboard节点来处理键盘输入，实现机器人的前进、后退、转弯等动作。通过控制引导信息，读者可以轻松操控TurtleBot 3在房间内移动。



3.18 控制真实的TurtleBot 3移动

TurtleBot机器人的基本内容和软件加载方法，通过Gazebo模拟器展示了ROS对TurtleBot的控制能力。阐述了建立无线网络通信的重要性，并介绍了多种控制机器人的方法，包括键盘控制和Python脚本程序。此外，还介绍了使用Rviz可视化机器人运动过程和自动充电功能。最后，对TurtleBot 3的两个主要发行版进行了介绍，并简要概述了下一章将要讨论的视觉传感器相关内容。



3.19 本章小结

第3章 TurtleBot机器人操控

TurtleBot机器人如何通过3D视觉系统来增强其能力。这种系统利用红外技术感知深度，通过红外发射器和CMOS传感器获取图像数据，并将其转换为深度信息。文章详细介绍了多种适用于TurtleBot的3D传感器，包括Microsoft Kinect、ASUS Xtion、PrimeSense Carmine和Intel RealSense，以及它们的工作原理和性能特点。此外，还提到了TurtleBot 3采用的低成本2D激光测距传感器Hitachi-LG LDS。文章强调了3D传感器在室内环境下的应用，同时也指出了它们在室外环境中的局限性。



4.1 TurtleBot机器人的3D视觉系统

TurtleBot机器人配置和3D传感器软件安装的详细步骤。读者需根据所选3D传感器型号，如Kinect、ASUS或Realsense，设置环境变量和软件。书中详细说明了不同型号传感器的配置方法，并介绍了如何使用ROS功能包和库来启动摄像机驱动程序。同时，书中也强调了不同传感器之间可能存在的兼容性问题，并提供了相应的解决方案。此外，还介绍了深度数据云、点云等术语的定义，以及如何使用深度图像数据生成地图。



4.2 配置TurtleBot机器人并安装3D传感器软件

在单机模式下测试TurtleBot 2 3D传感器的步骤。首先，为3D传感器和上网本供电，确保网络连接，并设置ROS环境变量。接着，在上网本上启动TurtleBot的minimal launch文件和3D传感器的摄像机nodelet包，进行测试。如果命令运行成功，则表示3D传感器正常工作，可以准备进行远程3D可视化处理。如果遇到错误，需要检查传感器驱动程序和TurtleBot的电源。



4.3 独立模式下测试3D传感器

如何通过ROS节点进行可视化，主要介绍了两个工具：Image Viewer和Rviz。首先，使用Image Viewer可以查看来自Kinect传感器的rgb和深度摄像机图像，通过在三个终端窗口启动相应的节点，可以实现图像的实时查看和保存。其次，使用Rviz可以可视化来自TurtleBot的3D传感器数据，通过启动相应的软件包和配置Rviz，可以展示各种传感器数据，如深度云、点云等。此外，文章还详细说明了如何设置环境变量、启动相关节点和查看传感器数据，为用户提供了可视化操作的详细步骤。



4.4 运行ROS节点进行可视化

TurtleBot机器人通过结合环境中的3D传感器，能自主运动或远程控制生成2D地图。这一过程涉及多个终端窗口，包括启动minimal launch、gmapping操作、Rviz观察和键盘控制机器人运动。完成地图构建后，需保存为.yaml和.pgm文件。

TurtleBot的自主导航依赖于ROS导航栈，通过整合测程数据、传感器数据和目标位姿，发出安全速度命令，实现路径规划和障碍物规避。导航过程中，全局规划器负责生成整个环境的运动规划，局部规划器则实时避开障碍物。目标点信息以位姿形式存在，包括位置和姿态。

机器人通过传感器获取障碍物信息，实现自主导航。Python脚本可以控制机器人沿规划路径移动，实现航路点导航。TurtleBot 3机器人使用SLAM技术构建地图，并实现自主导航。rqt_reconfigure工具可动态调整导航参数，优化机器人性能。

ROS wiki提供了丰富的教程和指南，帮助读者深入理解导航系统的搭建和调整。此外，推荐一本由MIT Press出版的书籍，作者包括Thrun、Burgard和Fox，书中详细阐述了概率机器人和amcl算法的相关理论。

4.5 TurtleBot机器人导航

TurtleBot机器人及其3D视觉系统，它类似低成本的激光扫描仪，能与多种设备如Kinect、ASUS等集成，提供3D深度视图。本章详细比较了这些传感器性能，并介绍了在ROS中应用所需的软件组件。此外，还讲述了传感器测试、使用Image Viewer和Rviz查看图像数据流的方法，并介绍了TurtleBot 3的LDS传感器和相应软件。书中还探讨了如何使用地图和导航算法amcl进行路径规划，以及在没有地图情况下导航到目标点的方法。最后，提到了下一章将探讨机器人手臂的模拟环境开发。



4.6 本章小结

第4章 TurtleBot机器人导航

Xacro是一种专为ROS设计的XML宏语言，它简化了URDF文件的编写，通过宏操作替换重复的声明语句，生成完整的XML语句。在构建机器人手臂模型rrbot时，Xacro的特性被充分利用，如定义常量值、使用宏定义重复元素、查找功能包路径等，从而创建简短、可读性强的XML文件，提高工作效率。

要让Gazebo识别rrbot模型，首先需在模型中添加Gazebo特性元素，如<material>标签和<mu1>、<mu2>标签，以指定连接杆的颜色、纹理和摩擦系数。此外，为了防止机器人手臂因重力倒塌，需要将其固定在世界坐标系下。

启动rrbot4.xacro文件后，可以在Gazebo中看到机器人手臂模型的初始状态，但需调整参数以确保其稳定。同时，介绍如何为Xacro添加控制组件，包括定义传动元素、添加gazebo_ros_control插件、生成YAML配置文件和控制启动文件。通过这些步骤，可以通过命令行和rqt等工具控制机器人手臂的位置。

第5章 构建模拟的机器人手臂

Baxter机器人的手臂，它由七个可旋转的关节组成，具有七个自由度。这些关节分为肩部扭转、肩部弯曲、肘部扭转、肘部弯曲、腕部扭转和腕部弯曲，分别对应不同的运动方向。文章详细描述了各个关节的命名、转动范围、控制模式以及传感器配置。Baxter手臂可通过关节位置控制、关节速度控制、关节扭矩控制和原始关节位置控制四种模式进行控制。此外，还介绍了Baxter手臂上的电动抓手和吸盘式抓手，以及手臂末端的摄像头、红外传感器和加速度计等传感器。



6.2 Baxter的手臂

如何下载和安装Baxter软件，包括SDK、模拟器和MoveIt！等关键组件。首先，需要在Ubuntu 16.04和ROS Kinetic环境中创建一个名为baxter_ws的工作空间，用于存放Rethink的ROS功能包。接着，通过命令行工具将Baxter SDK依赖库安装到该工作空间中。之后，使用wstool检查并下载所有必要的功能包。安装完成后，还需配置Baxter shell，设置IP地址或主机名，并更新ROS环境变量。最后，介绍了如何安装MoveIt！，一个用于路径规划的ROS工具。整个安装过程较为复杂，但按照步骤操作，即可成功搭建Baxter软件开发环境。



6.3 下载Baxter软件

在Gazebo中启动Baxter模拟器的步骤。首先需要检查ROS环境变量，然后进入Baxter的catkin工作空间，并运行baxter.sh脚本启动模拟器。启动后，可以与模拟的Baxter进行交互，检查ROS环境。如果IP地址不匹配，需要修改脚本中的IP地址。如果出现硬件、软件或网络问题，可以参考故障排除页面。在模拟器启动后，可以查看Baxter的模型、连接杆组件、IO面板和导航器。为了控制Baxter，需要打开新的终端窗口，并运行baxter.sh脚本。接下来，介绍了如何使用Python脚本控制Baxter手臂的运动，包括使能机器人、移动手臂到指定位置、记录和回放手臂的运动等。同时，还介绍了使用键盘和游戏手柄控制Baxter手臂的方法。



6.4 在Gazebo中启动Baxter模拟器

Baxter机器人的正向运动分析，这是通过给定的关节角度计算抓手位置与朝向的方法。ROS系统提供了计算和发布关节角度的程序，其话题为/robot/joint_states。Baxter的每个关节状态包括位置、速度和力矩，单位分别为弧度、弧度每秒和牛·米。通过调整关节位置，可以精确控制Baxter手臂的位姿。在Gazebo和Rviz等软件中，可以通过命令或脚本程序来控制Baxter手臂的运动和显示其位姿。此外，tf系统用于跟踪不同坐标系间的关系，可以查看Baxter机器人的坐标系树，从而更好地理解机器人的运动状态。



6.5 Baxter手臂与正向运动

如何配置真实的Baxter机器人。首先，需要下载SDK软件并了解控制方法。接着，使用baxter.sh脚本为Baxter网络设置环境变量，并确保通信网络配置正确。通过编辑baxter.sh脚本中的变量，如baxter_hostname和your_ip，来建立Baxter与工作站计算机间的通信。验证ROS环境变量设置后，可以使用提供的备忘单命令与Baxter进行通信、使能和操控。如果遇到问题，可参考Rethink的wiki网站进行故障排除。



6.7 配置真实的Baxter机器人

如何控制真实的Baxter机器人。首先，介绍了如何通过baxter_examples程序控制关节到达航路点，记录航路点并回放动作。接着，展示了如何控制关节力矩弹簧，通过修改关节力矩实现类似弹簧的效果。然后，介绍了关节速度控制演示，演示如何通过baxter_examples程序控制关节速度。此外，还提到了其他示例，包括抓手控制、摄像头控制等。最后，详细阐述了Baxter机器人的视觉伺服和抓取功能，如何通过视觉伺服控制实现物体检测和抓取。



6.8 控制真实的Baxter机器人

如何通过反向运动控制机器人Baxter的手臂移动到指定位置。首先，需要记录下目标位置和朝向，然后通过Python脚本计算关节角度，发送给机器人手臂。示例中展示了如何使用Python脚本控制Baxter手臂到达特定位置，并记录了该位置的坐标和朝向。接着，读者可以修改脚本，将Baxter手臂移动到任意位置，并记录新位置的信息。通过对比初始位置和修改后的位置，可以看到手臂移动的效果。



6.9 反向运动

SMACH库在ROS中的应用，它能够帮助开发者快速构建和测试状态机原型。通过定义有限数量的状态和状态转换，可以直观地实现复杂行为的控制和调试。SMACH库还提供了状态和转换的自省机制，有助于提高开发效率。以Baxter机器人为例，通过SMACH库，开发者可以实现一个能够舞出YMCA字母样式的状态机，展示了SMACH库在实际项目中的应用价值。



6.10 使用状态机实现YMCA

Baxter机器人，一款由Rethink Robotics公司生产的流行机器人。本章详细描述了其研究型和工业型版本，包括手臂、传感器和控制模式。通过Baxter模拟器软件，读者可以学习到如何控制机器人，包括使用Python脚本和ROS框架。同时，还介绍了ROS的tf包和MoveIt!路径规划功能包，用于展示坐标系间关系和规划路径。此外，还介绍了与Baxter通信的设置方法、控制方法和状态机实例。



6.11 本章小结

第6章 机器人手臂摇摆的关节控制

四旋翼飞行器是一种通过四个发动机和螺旋桨产生上升动力的无人驾驶飞行器，它不同于直升机，主要通过改变螺旋桨转速来操控飞行。这种飞行器能够在室内外灵活飞行，并且常被用作航拍器。操控时，需要调整滚转角、俯仰角和偏航角来定义飞行器的方向和姿态。飞行器上配备的传感器，如陀螺仪、加速度计和气压高度计，能感知环境和自身状态。为确保飞行安全，飞行前必须进行一系列检测和准备工作，并且飞行受到严格监管，必须遵守相关规定。

在科研领域，无人机尤其是ROS系统在无人机控制中的应用十分广泛。书中详细介绍了多种ROS无人机，如AscTec Pelican、Hummingbird、Bitcraze Crazyflie、Erle-Copter和Navio2。同时，书中还介绍了模拟无人机Hector，它能在Gazebo环境中帮助用户测试飞行算法和控制算法。Crazyflie 2.0微型飞行器因其轻巧、易用和开源的特点而受到关注，书中提供了其详细的组装和使用说明。

Crazyflie PC的最新发布允许用户通过特定链接获取安装说明。该设备支持通过Crazyradio无线链路升级和固件更新，同时兼容Android和iOS设备，可通过应用软件进行控制。对于树莓派用户，也有相应的软件支持。

操作和配置Crazyflie无人机时，需要使用至少带有四个模拟轴的游戏手柄，并通过Crazyradio或Crazyradio PA进行无线通信。在ROS环境下，使用Crazyflie 2.0需要安装相应的ROS软件包。此外，还介绍了Crazyradio的udev规则设置、飞行前的检查以及如何使用teleop操控Crazyflie飞行。书中还提到了在外部动作捕捉系统下飞行、控制多个Crazyflie飞行以及使用ROS软件控制Bebop无人机的方法。

关于Bebop飞行器，书中详细说明了如何合并bebop_autonomy特性及其状态，包括在Ubuntu系统上安装所需功能包、创建工作空间、下载软件、安装依赖、编译工作空间等步骤。同时，介绍了如何通过ROS进行Bebop飞行器的通信测试、控制起飞降落等操作，并强调了飞行前安全检查的重要性，提供了基本操作指南。

本章主要介绍了四旋翼飞行器的基本知识，包括其构成、飞行特性以及搭载的传感器等。强调了飞行安全原则，如避免在人和动物周围飞行，并需遵守政府机构的管理规定。此外，介绍了Hector模拟器及其在四旋翼控制中的应用，以及Crazyflie和Bebop两款实际四旋翼飞行器及其控制软件。最后，提到了下一章将介绍使用外部设备进行机器人控制的方法。

第7章 空中机器人基本操控

创建自定义ROS游戏控制器接口的步骤如下：

首先，使用jstest-gtk软件包确定控制器上各个按钮、操纵杆和触发器的编号。这一步骤是了解控制器功能的基础，有助于后续编程。

其次，通过jstest命令行工具执行相同操作，确保控制器信息的准确性。

接下来，使用ROS的joy功能包读取控制器输出。该功能包可以捕捉控制器上的各种输入，如按钮按下、操纵杆移动和触发器变化等。

以turtlesim模拟器为例，展示如何用游戏控制器进行控制。通过编写相应的ROS节点程序，将控制器输入映射到turtlesim模拟器的移动和旋转等操作。

此外，介绍配置ROS Android开发环境的方法。这包括安装Android Studio、ROS-Android元数据包，以及创建和编译自定义的rosjava消息JAR包和组件。

最后，探讨在Arduino或树莓派上创建ROS节点的方法。通过rosserial实现微控制器或单板计算机与ROS的通信，使标准ROS消息在串行端口或网络套接字上多路复用。

文章详细介绍了使用Arduino和超声波传感器进行示例操作。通过USB连接串行通信接口，将Arduino IDE中用C语言开发的程序下载到单片机上。

文章还说明了如何在Ubuntu系统上安装Arduino IDE软件，包括以Debian包形式安装，以及安装ROS-Arduino软件。

使用ROS和Arduino控制超声波传感器的具体步骤也被详细阐述。包括连接传感器、编写程序、执行程序以及查看输出结果。

最后，文章还介绍了其他使用ROS和Arduino的应用，如测距、温度测量、马达控制等。这些应用展示了ROS和Arduino的广泛兼容性和强大功能。

第8章 使用外部设备控制机器人

为了实现Crazyflie 2.0四旋翼飞行器的跟踪与控制，我们需要用到包括Kinect v2传感器在内的多个组件。Kinect v2传感器通过libfreenect2开源驱动程序支持RGB和深度图像传输及联合图像配准，而iai_kinect2提供了与ROS的接口。安装这两个软件包后，可以通过iai_kinect2进行Kinect的标定和图像处理，实现与ROS的交互。

在OpenCV和Kinect结合使用时，我们首先通过GIMP确定目标的HSV数值，并将其映射到OpenCV的整型范围。接着，在Kinect图像中检测并生成目标mask图像，用于后续的图像处理。利用深度信息获取目标的3D坐标，并通过tf转换将2D坐标转换到世界坐标系。通过控制节点发布cmd_vel消息，实现对Crazyflie的起飞、悬停、飞行和降落等状态的精确控制。

在ROS环境下，我们通过监视节点crazyflie_window实时跟踪Crazyflie的位置，并与图像框边界比较，若超出特定范围则发出降落请求。控制过程中，通过PID控制器计算输出，并与输出范围比较，确保飞行安全。Crazyflie的飞行状态由接收到的target_pose消息决定，实现悬停或飞向固定目标。

要对Crazyflie进行精确控制，首先需要控制其起飞并悬停，然后飞往指定的目标位置。在起飞阶段，Crazyflie通过判断y坐标变化或推力值进入飞行状态。在飞行状态下，根据目标位置信息，通过PID控制器进行精确控制。建立目标检测节点，对目标进行定位并发布位置信息，实现飞往目标标记的位置。控制过程中，还需注意重量、PID参数选择和飞行环境等因素。通过使用ROS日志信息，可以方便地了解节点的输出和调试信息。

第9章 操控Crazyflie执行飞行任务

MATLAB机器人系统工具箱的安装过程，包括如何访问MathWorks网站下载安装包，以及如何通过MATLAB界面添加插件。此外，本章还详细讲解了如何检查MATLAB和工具箱的版本，并介绍了如何使用MATLAB与ROS进行通信，包括如何安装Baxter模拟器相关的ROS消息，以及如何运行Baxter模拟器和MATLAB，实现与模拟器的交互。文中还提到了如何控制Baxter模拟器的运动，包括使能、运动控制、抓手操作等。最后，本章简要介绍了如何使用MathWorks提供的资源进一步学习机器人应用开发。



ROS机器人开发：实用案例分析（原书第2版）