本書以智能機器人開發的基本技術為主要脈絡，以 ROS 作為核心開發平臺，以企業真實產品為載體，以崗位能力要求為導向。本書主要內容包括智能機器人認知與組成架構、智能機器人運動控制、智能機器人環境建圖、智能機器人自主導航、智能機器人自主無線充電、智能機器人避障、智能機器人語音控制、智能機器人目標跟隨、智能機器人的機械臂運動控制、智能機器人的機械臂視覺抓取、智能機器人目標檢測、智能機器人戴口罩人臉識別、智能機器人倉儲應用場景開發、智能機器人導游應用場景開發、智能機器人家政服務應用場景開發。
魏彥，女，湖南大學計算機應用技術研究生畢業，主持多項課程項目教改研究課題，指導學生參加技能大賽獲得優異成績，長期從事人工智能方向的技術研究和教學，具有豐富的實踐和教學經驗。
目 錄
工作場景 1 智能機器人系統搭建
工作項目 1 智能機器人認知與組成架構 ............................................................................................... 2
1.1 智能機器人的發展現狀與發展趨勢 ............................................................................................ 2
1.1.1 智能機器人產業鏈 ................................................................................................................... 2
1.1.2 智能機器人的產業格局 ........................................................................................................... 3
1.1.3 智能機器人的發展趨勢 ........................................................................................................... 6
1.2 智能機器人關鍵技術 ...................................................................................................................... 6
1.3 典型的智能機器人及智能機器人的組成 ................................................................................... 9
1.3.1 典型的智能機器人 ................................................................................................................... 9
1.3.2 智能機器人的組成 ................................................................................................................. 11
1.4 智能機器人實訓平臺 .................................................................................................................... 13
工作項目 1 練習 ....................................................................................................................................... 19
工作項目 2 智能機器人運動控制 ........................................................................................................... 21
2.1 ROS 通信方式 ................................................................................................................................. 21
2.2 底盤控制節點.................................................................................................................................. 22
2.2.1 kobuki 功能包架構 ................................................................................................................. 22
2.2.2 底盤控制節點啟動代碼 ......................................................................................................... 23
2.3 速度話題消息.................................................................................................................................. 24
2.4 多種控制方式的優先級 ................................................................................................................ 24
工作項目 2 練習 ....................................................................................................................................... 28
工作項目 3 智能機器人環境建圖 ........................................................................................................... 30
3.1 SLAM ................................................................................................................................................ 30
3.1.1 地圖 ......................................................................................................................................... 30
3.1.2 算法 ......................................................................................................................................... 32
智能機器人應用開發
3.2 Cartographer ..................................................................................................................................... 32
3.2.1 Cartographer 簡介 ................................................................................................................... 32
3.2.2 Cartographer 安裝 ................................................................................................................... 34
工作項目 3 練習 ....................................................................................................................................... 43
工作項目 4 智能機器人自主導航 ........................................................................................................... 45
4.1 Navigation 自主導航 ...................................................................................................................... 45
4.1.1 Navigation 架構 ...................................................................................................................... 45
4.1.2 自適應蒙特卡洛定位節點 ..................................................................................................... 50
4.2 參數含義 .......................................................................................................................................... 51
4.2.1 amcl 定位節點參數 ................................................................................................................ 51
4.2.2 代價地圖公用參數 ................................................................................................................. 52
4.2.3 全局代價地圖參數 ................................................................................................................. 53
4.2.4 局部代價地圖參數 ................................................................................................................. 53
4.3 參數配置示例.................................................................................................................................. 54
4.3.1 amcl 定位算法節點 ................................................................................................................ 54
4.3.2 代價地圖公用參數 ................................................................................................................. 55
4.3.3 全局代價地圖參數 ................................................................................................................. 56
4.3.4 局部代價地圖參數 ................................................................................................................. 56
4.3.5 運動規劃器 planner 參數 ....................................................................................................... 57
4.3.6 導航節點啟動文件 ................................................................................................................. 58
4.4 Navigation 多點導航 ...................................................................................................................... 59
4.4.1 導航節點動作通信 ................................................................................................................. 59
4.4.2 多點導航節點實現 ................................................................................................................. 61
工作項目 4 練習 ....................................................................................................................................... 67
工作項目 5 智能機器人自主無線充電.................................................................................................. 70
5.1 無線充電技術原理 ......................................................................................................................... 70
5.1.1 電磁感應式 ............................................................................................................................. 70
5.1.2 微波輻射式 ............................................................................................................................. 70
5.1.3 磁耦合諧振式 ......................................................................................................................... 71
5.2 自主無線充電案例 ......................................................................................................................... 72
5.2.1 自主無線充電硬件系統 ......................................................................................................... 72
5.2.2 自主無線充電軟件系統 ......................................................................................................... 73
工作項目 5 練習 ....................................................................................................................................... 80
- VI -
目錄
工作場景 2 智能機器人能力展現
工作項目 6 智能機器人避障 .................................................................................................................... 84
6.1 傳感器測距 ...................................................................................................................................... 84
6.1.1 超聲波測距原理 ..................................................................................................................... 84
6.1.2 激光雷達測距原理 ................................................................................................................. 85
6.2 智能機器人避障案例 .................................................................................................................... 86
6.2.1 超聲波避障案例 ..................................................................................................................... 86
6.2.2 激光雷達避障案例 ................................................................................................................. 93
工作項目 6 練習 ..................................................................................................................................... 106
工作項目 7 智能機器人語音控制 ......................................................................................................... 109
7.1 語音處理技術................................................................................................................................ 109
7.1.1 語音模塊 ............................................................................................................................... 110
7.1.2 語音合成 ............................................................................................................................... 113
7.1.3 語音識別 ............................................................................................................................... 114
7.2 語音控制運動案例 ....................................................................................................................... 120
7.2.1 語音控制運動思路 ............................................................................................................... 120
7.2.2 識別語法與節點實現 ........................................................................................................... 121
工作項目 7 練習 ..................................................................................................................................... 127
工作項目 8 智能機器人目標跟隨 ......................................................................................................... 129
8.1 基于視覺的目標跟隨 .................................................................................................................. 129
8.1.1 目標跟隨算法 ....................................................................................................................... 129
8.1.2 目標跟隨技術現狀 ............................................................................................................... 130
8.2 基于深度攝像頭的目標跟隨 ..................................................................................................... 131
8.2.1 深度攝像頭啟動 ................................................................................................................... 131
8.2.2 目標跟隨節點 ....................................................................................................................... 133
工作項目 8 練習 ..................................................................................................................................... 136
工作項目 9 智能機器人的機械臂運動控制 ...................................................................................... 139
9.1 機械臂的運動控制系統 .............................................................................................................. 139
9.1.1 笛卡兒空間路徑規劃 ........................................................................................................... 140
9.1.2 運動學逆解 ........................................................................................................................... 140
9.1.3 關節空間路徑規劃 ............................................................................................................... 140
9.1.4 軌跡插補 ............................................................................................................................... 141
- VII -
智能機器人應用開發
9.1.5 伺服控制器 ........................................................................................................................... 141
9.2 機械臂運動控制的實現方式 ..................................................................................................... 142
9.2.1 MoveIt ................................................................................................................................... 142
9.2.2 手寫的運動控制解算包 ....................................................................................................... 146
工作項目 9 練習 ..................................................................................................................................... 155
工作項目 10 智能機器人的機械臂視覺抓取 .................................................................................... 157
10.1 機械臂視覺抓取概述 ................................................................................................................ 157
10.1.1 機械臂與攝像頭的相對位置 ............................................................................................. 157
10.1.2 攝像頭啟動與內參標定 ..................................................................................................... 159
10.1.3 物體識別定位 ..................................................................................................................... 162
10.2 機械臂視覺抓取案例 ................................................................................................................ 163
10.2.1 機械臂視覺抓取思路 ......................................................................................................... 163
10.2.2 視覺抓取節點實現 ............................................................................................................. 164
工作項目 10 練習 ................................................................................................................................... 174
工作項目 11 智能機器人目標檢測....................................................................................................... 176
11.1 目標檢測 ...................................................................................................................................... 176
11.1.1 目標檢測的發展 ................................................................................................................. 176
11.1.2 目標檢測相關概念 ............................................................................................................. 177
11.2 目標檢測模型 ............................................................................................................................. 179
11.3 OpenVINO 簡介 ......................................................................................................................... 179
11.4 目標檢測案例 ............................................................................................................................. 180
工作項目 11 練習 ................................................................................................................................... 187
工作項目 12 智能機器人戴口罩人臉識別 ........................................................................................ 189
12.1 人臉識別概述 ............................................................................................................................. 189
12.2 人臉識別發展歷史 ..................................................................................................................... 190
12.3 人臉識別的難點 ......................................................................................................................... 190
12.4 人臉識別的用途 ......................................................................................................................... 190
工作項目 12 練習 ................................................................................................................................... 200
工作場景 3 智能機器人應用場景開發
工作項目 13 智能機器人倉儲應用場景開發 .................................................................................... 204
13.1 智慧物流 ...................................................................................................................................... 204
13.1.1 由來 ..................................................................................................................................... 204
- VIII -
目錄
13.1.2 體系架構 ............................................................................................................................. 205
13.2 倉儲應用場景開發案例 ............................................................................................................ 206
13.2.1 功能分析 ............................................................................................................................. 206
13.2.2 功能開發接口 ..................................................................................................................... 207
13.2.3 應用場景開發 ..................................................................................................................... 207
工作項目 13 練習 ................................................................................................................................... 218
工作項目 14 智能機器人導游應用場景開發 .................................................................................... 222
14.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 222
14.2 應用開發接口 ............................................................................................................................. 223
14.3 應用場景開發 ............................................................................................................................. 223
工作項目 14 練習 ................................................................................................................................... 233
工作項目15 智能機器人家政服務應用場景開發 .................................................................................. 238
15.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 238
15.2 應用開發接口 ............................................................................................................................. 239
15.2.1 導航動作服務接口 ............................................................................................................. 239
15.2.2 二維碼識別定位話題接口 ................................................................................................. 239
15.2.3 機械臂服務接口 ................................................................................................................. 239
15.2.4 語音處理通信接口 ............................................................................................................. 239
15.3 應用場景開發 ............................................................................................................................. 239
15.3.1 編程思路 ............................................................................................................................. 239
15.3.2 節點啟動與實現 ................................................................................................................. 240
工作項目 15 練習 ................................................................................................................................... 254
- IX
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