機器人運動腦原理與應用

目錄
基 礎 篇
第1章 移動機器人綜述 1
1.1 移動機器人概述 2
1.1.1 定義與分類 2
1.1.2 發展歷程 4
1.2 移動機器人的核心技術 5
1.2.1 環境感知技術 5
1.2.2 定位導航技術 6
1.2.3 路徑規劃技術 7
1.2.4 運動控制技術 8
1.2.5 自主決策與學習技術 9
1.3 移動機器人技術面臨的挑戰 10
1.3.1 環境感知的準確性 10
1.3.2 定位導航的精度與魯棒性 10
1.3.3 路徑規劃的實時性與動態適應性 11
1.3.4 運動控制的穩定性與靈活性 11
1.3.5 自主決策與學習的智能性與可解釋性 11
1.4 移動機器人技術的未來發展趨勢 12
1.4.1 多傳感器融合與協同感知 12
1.4.2 智能化與自主化水平的提升 12
1.4.3 人機協作與共融 12
1.4.4 跨領域應用拓展 13
1.4.5 標準化與規範化發展 13
1.4.6 人形機器人的爭議 13
1.4.7 機器人運動腦 13
第2章 語義分割基礎 15
2.1 語義分割的基本概念 15
2.1.1 基本原理 15
2.1.2 應用實例 15
2.2 語義分割算法概述 17
2.2.1 全卷積網絡 17
2.2.2 U-Net 19
2.2.3 DeepLab 25
2.2.4 Mask R-CNN 43
2.3 語義分割中的關鍵技術 44
2.4 評估與性能指標 57
進 階 篇
第3章 目標檢測與追蹤 60
3.1 色塊追蹤 60
3.2 目標檢測與物體識別追蹤 65
3.2.1 YOLOv8簡介 65
3.2.2 環境搭建 66
3.2.3 使用YOLOv8進行目標檢測 67
3.2.4 結合PID控制實現物體識別追蹤 68
3.3 基於特征檢測的圖像拼接技術 75
3.3.1 環境準備 75
3.3.2 特征檢測 76
3.3.3 特征匹配 77
3.3.4 計算變換矩陣 78
3.3.5 圖像變換 79
3.3.6 圖像拼接 80
第4章 深度學習模型優化 82
4.1 目標與背景 82
4.2 硬件與軟件環境準備 83
4.2.1 硬件要求 83
4.2.2 軟件要求 83
4.2.3 安裝Python及依賴庫 84
4.3 YOLOv8 模型準備 85
4.3.1 YOLO系列算法發展簡介 85
4.3.2 YOLOv8模型訓練 86
4.4 TensorRT 加速 89
4.4.1 工作原理 89
4.4.2 核心功能 89
4.4.3 硬件加速 89
4.4.4 跨框架兼容 90
4.4.5 YOLOv8 模型轉換與推理 90
4.4.6 常見問題與解決 90
第5章 硬件設計與系統集成 92
5.1 系統總體概述 92
5.1.1 系統功能概述 92
5.1.2 系統架構 93
5.1.3 應用場景 93
5.2 硬件設計以及I/O配置 94
5.2.1 核心處理器選型 94
5.2.2 外設接口設計 95
5.3 底盤控制系統 100
5.3.1 差速移動機器人介紹 100
5.3.2 兩輪差速底盤原理與特點 103
5.3.3 四輪差速底盤原理與特點 106
5.4 兩輪差速底盤與四輪差速底盤的性能對比 111
5.4.1 設計與結構 111
5.4.2 轉彎與機動性 111
5.4.3 控制精度與穩定性 112
5.4.4 成本與功耗 112
5.4.5 適用場景 113
5.4.6 輪轂電機選擇 113
5.4.7 運動學建模和分析 114
5.5 裏程計數據采集與位置解算 115
5.5.1 裏程計工作原理 115
5.5.2 裏程計數據采集 116
5.5.3 裏程計數據處理與融合 124
5.6 數據通信模塊 129
5.6.1 數據通信模塊概述 129
5.6.2 裏程計數據幀的構建與發送 135
實 戰 篇
第6章 可視化控制系統設計 137
6.1 Qt開發環境與項目配置 137
6.1.1 安裝Python和PyQt5 137
6.1.2 使用VSCode設置開發環境 138
6.1.3 創建PyQt5項目結構 139
6.2 PyQt5界面開發基礎 143
6.2.1 窗口與布局設計 143
6.2.2 常用控件詳解 145
6.2.3 事件與信號槽機制 149
6.2.4 常見問題與解決方案 154
6.3 Python與Shell腳本的交互 154
6.3.1 Shell腳本簡介 155
6.3.2 在PyQt5中調用Shell腳本 155
6.3.3 在PyQt5中觸發Shell腳本 156
6.3.4 處理腳本執行中的錯誤與進度 158
6.4 多任務與並發處理 159
6.4.1 多任務處理與並發概述 159
6.4.2 Python 中的並發處理 159
6.4.3 PyQt5中的並發處理 160
6.4.4 Python 中的多進程 162
第7章 語音控制系統設計 164
7.1 系統概述 164
7.1.1 語音控制系統的定義與作用 164
7.1.2 系統的核心組成部分 165
7.1.3 語音控制系統在機器人中的應用場景 165
7.2 語音識別配置 166
7.2.1 M260C環形麥克風陣列 167
7.2.2 Linux 環境配置 168
7.3 語音指令啟動 169
7.3.1 啟動流程 169
7.3.2 主要函數與調用流程 170
7.4 語音控制導航系統 170
7.4.1 工作原理 171
7.4.2 語音指令的解析與執行 172
7.4.3 語音指令與功能實現 174
7.5 語音控制物聯網 175
7.5.1 系統結構與控制原理 175
7.5.2 串口通信協議與控制指令說明 176
7.5.3 模塊控制示例與語音響應 176
第8章 群體協同系統設計 178
8.1 WebSocket通信原理 178
8.1.1 WebSocket協議概述 178
8.1.2 WebSocket握手過程 179
8.1.3 WebSocket協議的安全性 180
8.1.4 WebSocket協議的優缺點 180
8.1.5 WebSocket協議的全雙工通信 181
8.1.6 WebSocket與HTTP/2、HTTP/3的對比 183
8.1.7 WebSocket的底層實現與擴展 184
8.2 群體設備組網及編隊控制 185
8.2.1 系統架構與總體設計 185
8.2.2 Leader模塊程序解析 186
8.2.3 Follower模塊程序解析 192
8.3 去中心化組網及控制 201
8.3.1 系統架構 201
8.3.2 Leader模塊程序解析 203
8.3.3 Follower模塊程序解析 206
8.4 二維柵格地圖合並 215