無論是業余愛好者還是專業的機器人開發人員，在開始進行機器人系統及程序設計時，首先要面對的問題都是基本的如何驅動機器人的輪子的設計。ROS通過軟件代碼復用集成了眾多已經開發完成的功能組件。本書專門幫助讀者從對ROS一無所知到能夠通過ROS系統完成小型機器人系統的開發和編程工作。本書提供了各種實際的示例代碼供讀者學習和理解ROS的軟件框架。你可以在仿真環境中自行構建機器人相應的功能程序。本書第2版在第1版的基礎上增加了與ROSHydro一起工作，如何創建、可視化和處理不同傳感器的點云信息，如何控制和利用多關節機械臂，并提供簡單易懂的實用教程編寫自己的機器人。
前 言 Preface
本書第2版概括性地介紹了ROS系統的各種工具。ROS是一個先進的機器人操作系統框架，現今已有數百個研究團體和公司將其應用在機器人行業中。對于機器人技術的非專業人士來說，它也相對容易上手。在本書中，你將了解如何安裝ROS，如何開始使用ROS的基本工具，以及最終如何應用先進的計算機視覺和導航工具。
在閱讀本書的過程中無需使用任何特殊的設備。書中每一章都附帶了一系列的源代碼示例和教程，你可以在自己的計算機上運行。這是你唯一需要做的事情。
當然，我們還會告訴你如何使用硬件，這樣你可以將你的算法應用到現實環境中。我們在選擇設備時特意選擇一些業余用戶負擔得起的設備，同時涵蓋了在機器人研究中最典型的傳感器或執行器。
最后，由于ROS系統的存在使得整個機器人具備在虛擬環境中工作的能力。你將學習如何創建自己的機器人并結合功能強大的導航功能包集。此外如果使用Gazebo仿真環境，你將能夠在虛擬環境中運行一切。第2版在最后增加了一章，講如何使用“Move it!”包控制機械臂執行抓取任務。讀完本書后，你會發現已經可以使用ROS機器人進行工作了，并理解其背后的原理。
主要內容第1章介紹安裝ROS系統最簡單的方法，以及如何在不同平臺上安裝ROS，本書使用的版本是ROS Hydro。這一章還會說明如何從Debian軟件包安裝或從源代碼進行編譯安裝，以及在虛擬機和ARM CPU中安裝。
第2章涉及ROS框架及相關的概念和工具。該章介紹節點、主題和服務，以及如何使用它們，還將通過一系列示例說明如何調試一個節點或利用可視化方法直觀地查看通過主題發布的消息。
第3章進一步展示ROS強大的調試工具，以及通過對節點主題的圖形化將節點間的通信數據可視化。ROS提供了一個日志記錄API來輕松地診斷節點的問題。事實上，在使用過程中，我們會看到一些功能強大的圖形化工具（如rqt_console和rqt_graph），以及可視化接口（如rqt_plot和rviz）。最后介紹如何使用rosbag和rqt_bag記錄并回放消息。
第4章介紹ROS系統與真實世界如何連接。這一章介紹在ROS下使用的一些常見傳感器和執行器，如激光雷達、伺服電動機、攝像頭、RGB-D傳感器、GPS等。此外，還會解釋如何使用嵌入式系統與微控制器（例如非常流行的Arduino開發板）。
第5章介紹ROS對攝像頭和計算機視覺任務的支持。首先使用FireWire和USB攝像頭驅動程序將攝像頭連接到計算機并采集圖像。然后，你就可以使用ROS的標定工具標定你的攝像頭。我們會詳細介紹和說明什么是圖像管道，學習如何使用集成了OpenCV的多個機器視覺API。最后，安裝并使用一個視覺里程計軟件。
第6章將展示如何在ROS節點中使用點云庫。該章從基本功能入手，如讀或寫PCL數據片段以及發布或訂閱這些消息所必需的轉換。然后，將在不同節點間創建一個管道來處理3D數據，以及使用PCL進行縮減采樣、過濾和搜索特征點。
第7章介紹在ROS系統中實現機器人的第一步是創建一個機器人模型，包括在Gazebo仿真環境中如何從頭開始對一個機器人進行建模和仿真，并使其在仿真環境中運行。你也可以仿真攝像頭和激光測距傳感器，為后續學習如何使用ROS的導航功能包集和其他工具奠定基礎。
第8章是兩章關于ROS導航功能包集中的第1章。該章介紹如何對你的機器人進行使用導航功能包集所需的初始化配置。然后用幾個例子對導航功能包集進行說明。
第9章延續第8章的內容，介紹如何使用導航功能包集使機器人有效地自主導航。該章介紹使用ROS的Gazebo仿真環境和rviz創建一個虛擬環境，在其中構建地圖、定位機器人并用障礙回避做路徑規劃。
第10章討論ROS中移動機器人機械臂的一個工具包。該章包含安裝這個包所需要的文檔，以及使用MoveIt!操作機械臂進行抓取、放置，簡單的運動規劃等任務的演示示例。
預備知識我們寫作本書的目的是讓每位讀者都可以完成本書的學習并運行示例代碼。基本上，你只需要在計算機上安裝一個Linux發行版。雖然每個Linux發行版應該都能使用，但還是建議你使用Ubuntu 12.04 LTS。這樣你可以根據第1章的內容安裝ROS Hydro。
對于ROS的這一版本，你將需要Ubuntu 14.04之前的版本，因為之后的版本已經不再支持Hydro了。
對于硬件要求，一般來說，任何臺式計算機或筆記本電腦都滿足。但是，最好使用獨立顯卡來運行Gazebo仿真環境。此外，如果有足夠的外圍接口將會更好，因為這樣你可以連接幾個傳感器和執行器，包括攝像頭和Arduino開發板。
你還需要Git（git-core Debian軟件包），以便從本書提供的源代碼中復制庫。同樣，你需要具備Bash命令行、GNU/Linux工具的基本知識和一些C/C++編程技巧。
目標讀者本書的目標讀者包括所有機器人開發人員，可以是初學者也可以是專業人員。它涵蓋了整個機器人系統的各個方面，展示了ROS系統如何幫助完成使機器人真正自主化的任務。對于聽說過卻從未使用過ROS的機器人專業學生或科研人員來說，本書將是非常有益的。ROS初學者能從本書中學習ROS軟件框架的很多先進理念和工具。不僅如此，經常使用ROS的用戶也可能從某些章節中學習到一些新東西。
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About the Authors 作者簡介Enrique Fernández在拉斯帕爾馬斯大學獲得計算機工程博士學位，目前是Clearpath Robotics公司高級機器人工程師。2009年他完成了關于SLAM的碩士學位論文。2013年他的博士論文解決了自主水下滑翔器（AUG）的路徑規劃問題。那段時間，他還研究了計算機視覺、人工智能以及其他機器人學課題，例如赫羅納大學的CIRS/ViCOROB研究實驗室AUV的慣性導航系統和視覺SLAM。他在2012年參加了歐洲學生自主水下航行器設計挑戰賽（Student Autonomous Underwater Challenge-Europe，SAUC-E）并獲獎，在2013年作為合作者參與了SAUC-E。
獲得博士學位后，Enrique作為高級機器人工程師在2013年6月加入PAL Robotics公司的自主導航部門。在那里，他開發了用于REEM、REEM-C和移動機器人以及相關項目的軟件，如使用ROS框架的Stockbot。他的研究方向包括運動規劃（路徑規劃和移動機器人控制）、機器人定位和SLAM。在2015年，他作為高級自主系統開發人員加盟Clearpath Robotics公司的自主系統部門從事SLAM相關工作。
在學術方面，Enrique發表了多篇會議論文，其中兩篇于2011年發表在《International Conference of Robotics and Automation》（ICRA）上。他是Packt Publishing出版的第1版《ROS機器人程序設計》和其他一些書部分章節的作者。他的碩士學位論文是關于室內機器人的FastSLAM算法，此機器人裝備了SICK激光掃描儀以及Pioneer差動平臺的輪式里程計。他的博士學位論文是關于AUG的路徑規劃算法和工具。他還擁有電子和嵌入式系統（如PC104和Arduino）的開發經驗。他的研究背景包括SLAM、計算機視覺、路徑規劃、優化、機器人學和人工智能。
我要感謝這本書的合著者，感謝他們為完成這本書所付出的努力以及提供了無數示例的代碼。我還要感謝博士論文期間大學智能系統和計算工程研究所（University Institute of Intelligent Systems and Computational Engineering，SIANI）和水下機器人研究中心（Center of Underwater Robotics Research，CIRS/ViCOROB）的研究小組成員。我也要感謝在PAL機器人公司的同事，在那里我學到很多關于ROS、機器人運動以及仿人雙足機器人的知識，不僅有軟件，還有電子和硬件設計。后，我要感謝我的家人和朋友的幫助與支持。
Luis Sánchez Crespo在拉斯帕爾馬斯大學獲得了電子與電信工程的雙碩士學位。他曾在技術開發和創新研究所（IDETIC）、加那利群島海洋平臺（PLOCAN）和應用微電子研究所（IUMA）與不同的研究小組合作，進行超分辨率算法成像研究。
他的專業興趣包括應用于機器人系統的計算機視覺、信號處理和電子設計。因此，他加入了AVORA團隊，這批年輕的工程師和學生從零開始從事自主水下航行器（AUV）的開發工作。在這個項目中，Luis開始開發聲學和計算機視覺系統，用于提取不同傳感器的信息，例如水聽器、聲吶和攝像頭。
依托海洋技術的強大背景，Luis與人合作創辦了一家新的初創公司Subsea Mechatronics，致力于為水下環境開發遙控操作和自主航行器。
下面是海洋技術工程師和企業家（LPA Fabrika：Gran Canaria Maker Space的聯合創始人和制造商）Dario Sosa Cabrera對Luis的評價：
“他很熱情，是一個多學科的工程師。他對工作負責。他可以自我管理，并承擔一個團隊領導者的責任，如在SAUC-E競賽中領導了AVORA團隊。他在電子和電信領域的背景讓其具備從信號處理和軟件到電子設計和制造的廣泛專業知識。”
Luis作為技術審校者參與了Packt Publishing出版的第1版《ROS機器人程序設計》的相關工作。
首先，我要感謝Aaron、Anil以及Enrique邀請我參與編寫這本書。和他們一起工作非常快樂。同時，我也要感謝水下機電團隊關于重型水下機器人的豐富經驗，這些年我們一起成長。我必須提到LPA Fabrika：Gran Canaria Maker Space，他們備課和講授教育機器人及技術項目極富熱情，與他們共享工作環境也非常令人激動。
后，我要感謝我的家人和女朋友對我參與的每個項目的大力支持和鼓勵。
Anil Mahtani是一名從事水下機器人工作5年的計算機科學家。他在該領域工作是在完成碩士論文期間為低成本ROV開發軟件架構。在此期間，他也成為AVORA的團隊領導者和主要開發人員，這個團隊的高校學生設計和開發了一個自主水下航行器并參加了2012年的SAUC-E。同年，他完成了論文并獲得了拉斯帕爾馬斯大學的計算機科學碩士學位。此后不久，他成為SeeByte公司的軟件工程師，這家公司是水下系統智能軟件解決方案的全球領導者。
在SeeByte公司工作期間，Anil參與了軍方、石油和天然氣公司的一些半自主和自主水下系統的核心開發。在這些項目中，他積極參與自主系統開發、分布式軟件體系結構設計和底層軟件開發，同時也為前視聲吶圖像提供計算機視覺解決方案。他還獲得了項目經理職位，管理一個開發和維護內核C++庫的工程師團隊。
他的專業興趣主要包括軟件工程、算法、分布式系統、網絡和操作系統。Anil在機器人方向主要負責提供高效和健壯的軟件解決方案，不僅解決當前存在的問題，還預見未來的問題或可能的改進。鑒于他的經驗，他在計算機視覺、機器學習和控制問題上也有獨特的見解。Anil對DIY和電子學有興趣，并且開發了一些Arduino庫回饋社區。
首先，我要感謝我的家人和朋友的支持，他們總是在我需要的時候幫助我。我也要感謝我的同事和朋友David Rubio Vidal、Emilio Miguelá?ez Martín和John Brydon給我大的支持，他們以專業的方式教我很多知識。我還要感謝我在SeeByte和AVORA團隊的同事，這些年從他們那里學習并經歷很多。后，我要特別感謝Jorge Cabrera Gámez，他的指導和建議成就了我自己從未想象到的職業生涯。
Aaron Martinez是數字化制造領域的電腦工程師、企業家和專家。他于2010年在拉斯帕爾馬斯大學的Instituto Universitario de Cienciasy Tecnologias Ciberneticas（IUCTC）完成碩士論文。他在遠程監控領域使用沉浸式設備和機器人平臺準備碩士論文。得到學位后，他參加了在奧地利林茨開普勒大學研究所的機器人學實習計劃。在實習期間，他作為團隊的一員使用ROS和導航包集進行移動平臺開發。之后，他參與了有關機器人的項目，其中一個是拉斯帕爾馬斯大學的AVORA項目。在這個項目中，他參與自主水下航行器制作，并參與意大利的SAUC-E。2012年，他負責維護這個項目；2013年，他幫助從ROS向機器人平臺移植導航包集和其他算法。
近，Aaron與人共同創立了一家名為SubSeaMechatronics SL的公司。這家公司從事與水下機器人和遙控系統相關的項目，還設計和制造水下傳感器。公司的主要目標是開發用于研發原型和重型機械手的定制解決方案。
Aaron有許多領域的經驗，比如編程、機器人、機電一體化、數字化制造以及Arduino、BeagleBone、服務器和激光雷達等設備。如今，他在SubSeaMechatronics SL公司從事水下和空中環境的機器人平臺設計。
我要感謝我的女朋友，她在我寫這本書時給我支持以及給我繼續成長的動力。我還要感謝Donato Monopoli（加那利群島技術研究所（ITC）生物醫學工程部門的主管），以及ITC所有的工作人員，感謝他們使我懂得數字制造、機械以及組織工程，我在此度過了生命中美好的時光。
感謝我大學的同事，特別是Alexis Quesada，他給了我在準備碩士論文時創建我第壹個機器人的機會。和他們一起工作，使我學習到很多關于機器人的知識。
最后，我要感謝家人和朋友的幫助與支持。
推薦序一
推薦序二
譯者序
前言
作者簡介
審校者簡介
第1章 ROS Hydro系統入門 1
1.1 PC安裝教程 3
1.2 使用軟件庫安裝ROS Hydro 3
1.2.1配置Ubuntu軟件庫 4
1.2.2添加軟件庫到sources.list文件中 4
1.2.3設置密鑰 5
1.2.4安裝ROS 5
1.2.5初始化rosdep 6
1.2.6配置環境 6
1.2.7安裝rosinstall 7
1.3 如何安裝VirtualBox和Ubuntu 8
1.3.1下載VirtualBox 8
1.3.2創建虛擬機 8
1.4在BeagleBone Black上安裝ROS Hydro 11
1.4.1準備工作 12
1.4.2配置主機和source.list文件 13
1.4.3設置密鑰 14
1.4.4安裝ROS功能包 14
1.4.5初始化rosdep 15
1.4.6在BeagleBone Black中配置環境 15
1.4.7在BeagleBone Black中安裝rosinstall 15
1.5 本章小結 15
第2章 ROS系統架構及概念 16
2.1 理解ROS文件系統級 16
2.1.1工作空間 17
2.1.2功能包 18
2.1.3綜合功能包 19
2.1.4消息 20
2.1.5服務 21
2.2 理解ROS計算圖級 22
2.2.1節點與nodelet 23
2.2.2主題 24
2.2.3服務 25
2.2.4消息 26
2.2.5消息記錄包 26
2.2.6節點管理器 26
2.2.7參數服務器 27
2.3 理解ROS開源社區級 27
2.4 ROS系統試用練習 28
2.4.1ROS文件系統導覽 28
2.4.2創建工作空間 29
2.4.3創建ROS功能包和綜合功能包 30
2.4.4編譯ROS功能包 30
2.4.5使用ROS節點 31
2.4.6如何使用主題與節點交互 33
2.4.7如何使用服務 36
2.4.8使用參數服務器 38
2.4.9創建節點 38
2.4.10 編譯節點 41
2.4.11創建msg和srv文件 42
2.4.12使用新建的srv和msg文件 44
2.4.13啟動文件 48
2.4.14動態參數 50
2.5 本章小結 54
第3章 可視化和調試工具 55
3.1 調試ROS節點 57
3.1.1使用gdb調試器調試ROS節點 57
3.1.2ROS節點啟動時調用gdb調試器 58
3.1.3ROS節點啟動時調用valgrind分析節點 59
3.1.4設置ROS節點core文件轉儲 59
3.2 日志信息 59
3.2.1輸出日志信息 59
3.2.2設置調試信息級別 60
3.2.3為特定節點配置調試信息級別 61
3.2.4信息命名 62
3.2.5按條件顯示信息與過濾信息 62
3.2.6顯示信息的方式——單次、可調、組合 63
3.2.7使用rqt_console和rqt_logger_level在運行時修改調試級別 63
3.3 檢測系統狀態 66
3.3.1檢測節點、主題、服務和參數 67
3.3.2使用rqt_graph在線檢測節點狀態圖 70
3.4 設置動態參數 71
3.5 當出現異常狀況時使用 roswtf 72
3.6 可視化節點診斷 74
3.7 繪制標量數據圖 75
3.8 圖像可視化 77
3.9 3D可視化 79
3.9.1使用rqt_rviz在3D世界中實現數據可視化 79
3.9.2主題與坐標系的關系 82
3.9.3可視化坐標變換 82
3.10 保存與回放數據 83
3.10.1什么是消息記錄包文件 84
3.10.2使用rosbag在消息記錄包中記錄數據 84
3.10.3回放消息記錄包文件 85
3.10.4檢查消息記錄包文件的主題和消息 86
3.11 應用rqt與rqt_gui插件 88
3.12 本章小結 88
第4章 在ROS下使用傳感器和執行器 90
4.1 使用游戲桿或游戲手柄 90
4.1.1joy_node如何發送游戲桿動作消息 91
4.1.2使用游戲桿數據在turtlesim中移動海龜 92
4.2 使用激光雷達——Hokuyo URG-04lx 95
4.2.1了解激光雷達如何在ROS中發送數據 96
4.2.2訪問和修改激光雷達數據 98
4.3 使用Kinect傳感器查看3D環境中的對象 100
4.3.1如何發送和查看Kinect數據 101
4.3.2創建使用Kinect的示例 102
4.4 使用伺服電動機——Dynamixel 104
4.5 使用Arduino添加更多的傳感器和
執行器 107
4.6 在Arduino上使用超聲波傳感器 111
4.7 距離傳感器如何發送消息 113
4.7.1創建使用超聲波的示例 113
4.7.2Xsens如何在ROS中發送數據 116
4.7.3創建使用Xsens的示例 116
4.8 使用10自由度低成本慣性測量模組IMU 118
4.8.1下載加速度傳感器庫 119
4.8.2Arduino Nano和10自由度傳感器編程 120
4.8.3創建ROS節點以使用10自由度傳感器數據 121
4.9 GPS的使用 123
4.9.1GPS如何發送信息 125
4.9.2創建一個使用GPS的工程實例 126
4.10 本章小結 127
第5章 計算機視覺 128
5.1 連接和運行攝像頭 129
5.1.1FireWire IEEE1394攝像頭 129
5.1.2USB攝像頭 133
5.2 使用OpenCV制作USB攝像頭 驅動程序 134
5.2.1通過cv_bridge使用OpenCV處理ROS圖像 139
5.2.2使用image transport發布圖像 139
5.2.3在ROS中使用OpenCV 140
5.2.4顯示攝像頭輸入的圖像 140
5.3 標定攝像頭 141
5.4 ROS圖像管道 148
5.5 計算機視覺任務中有用的ROS功能包 152
5.6 使用viso2實現視覺里程計 153
5.6.1攝像頭位姿標定 154
5.6.2運行viso2在線演示 157
5.6.3使用低成本雙目攝像頭運行viso2 159
5.7 使用RGBD深度攝像頭實現視覺里程計 160
5.7.1安裝fovis 160
5.7.2用Kinect RGBD深度攝像頭運行fovis 160
5.8 計算兩幅圖像的單應性 161
5.9 本章小結 162
第6章 點云 163
6.1 理解點云庫 163
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