ROS2 機器人開發技術基礎

第1章 ROS2 介紹與安裝
1.1 初識ROS2 001
1.1.1 ROS2 誕生與發展 001
1.1.2 ROS2 生態組成 003
1.1.3 ROS2 優勢 004
1.1.4 ROS2 應用方向 005
1.2 ROS2 的安裝及測試 005
1.2.1 選擇操作系統 005
1.2.2 ROS2 安裝與卸載 008
1.2.3 測試ROS2 009
1.3 Linux 命令行操作 010
1.3.1 常用Linux 命令行 010
1.3.2 使用命令行安裝軟件包 013
1.4 ROS2 集成開發環境搭建 014
1.4.1 VSCode 014
1.4.2 終端 014
1.4.3 git 016
1.4.4 下載配套源碼 016
1.5 二進制包與源代碼包 016
1.6 本章小結 017
習題一 018

第2章 ROS2 系統架構
2.1 ROS2 文件系統 019
2.1.1 ROS2 系統分層 019
2.1.2 工作空間 020
2.1.3 功能包 021
2.1.4 colcon 構建工具 025
2.2 ROS2 通信架構 026
2.2.1 節點 027
2.2.2 通信模型 027
2.2.3 接口文件 032
2.2.4 DDS 通信 034
2.2.5 分布式通信 036
2.2.6 質量服務策略 037
2.3 本章小結 037
習題二 038

第3章 ROS2 常用工具
3.1 啟動管理工具Launch 040
3.1.1 認識Launch 040
3.1.2 操作演示 040
3.2 模塊化可視化工具rqt 044
3.2.1 認識rqt 044
3.2.2 操作演示 044
3.3 數據可視化工具Rviz2 048
3.3.1 認識Rviz2 048
3.3.2 操作演示 048
3.4 仿真工具Gazebo 049
3.4.1 認識Gazebo 049
3.4.2 操作演示 050
3.5 rosbag2 功能包 051
3.5.1 認識rosbag2 051
3.5.2 操作演示 052
3.6 本章小結 053
習題三 053

第4章 ROS2 客戶端庫
4.1 ROS2 客戶端庫簡介 055
4.2 rclcpp 055
4.2.1 節點 056
4.2.2 話題 058
4.2.3 服務 063
4.2.4 動作 067
4.2.5 參數 074
4.3 rclpy 076
4.3.1 rclpy 與rclcpp 比較 077
4.3.2 節點 077
4.3.3 話題 078
4.3.4 服務 081
4.3.5 動作 083
4.3.6 參數 087
4.4 本章小結 089
習題四 089

第5章 坐標變換TF2 及編程
5.1 認識TF2 091
5.1.1 簡介 091
5.1.2 ROS2 中的TF2 092
5.1.3 ROS2 中TF2 坐標的基本規則 093
5.2 TF2 編程基礎 095
5.2.1 TF2 功能包及官方實例 095
5.2.2 TF2 工具 095
5.2.3 廣播器與監聽器 097
5.3 TF2 廣播及監聽 098
5.3.1 TF2 靜態廣播 098
5.3.2 TF2 動態廣播 101
5.3.3 TF2 監聽 104
5.4 烏龜跟隨案例的實現 107
5.5 本章小結 112
習題五 112

第6章 機器人建模與仿真
6.1 機器人URDF 模型 114
6.2 創建與顯示URDF 模型 117
6.2.1 機器人描述功能包 117
6.2.2 創建URDF 模型 118
6.2.3 解析URDF 模型 119
6.2.4 使用xacro 文件簡化URDF 模型 121
6.2.5 在Rviz2 中顯示模型 123
6.2.6 讓機器人動起來 125
6.3 添加碰撞和物理屬性 126
6.4 添加傳感器模型 127
6.4.1 添加攝像頭 127
6.4.2 添加激光雷達 128
6.5 機器人Gazebo 仿真 130
6.5.1 在Gazebo 中顯示機器人模型 130
6.5.2 Gazebo 插件 133
6.5.3 攝像頭仿真 134
6.5.4 激光雷達仿真 135
6.5.5 使用兩輪差速插件控制機器人運動 138
6.6 使用ros2_control 控制機器人運動 139
6.6.1 ros2_control 的安裝 139
6.6.2 ros2_control 的框架 139
6.6.3 ros2_control 的配置 141
6.7 輪式機器人Gazebo 運動仿真 144
6.7.1 URDF 模型 145
6.7.2 launch 文件 151
6.7.3 運行仿真 153
6.8 本章小結 155
習題六 156

第7章 SLAM 建圖與Nav2 導航開發技術
7.1 SLAM 基礎 157
7.1.1 圖像常見格式 157
7.1.2 占據柵格地圖 158
7.1.3 SLAM 原理和組成 158
7.1.4 SLAM 關鍵技術與分類 159
7.2 Cartographer 160
7.2.1 Cartographer 介紹 160
7.2.2 Cartographer 安裝 161
7.2.3 Cartographer 參數配置 162
7.3 Navigation 2 概述 164
7.3.1 Nav2 導航的介紹 164
7.3.2 Nav2 導航相關概念 165
7.3.3 Nav2 導航安裝與介紹 167
7.4 Nav2 行為樹 169
7.4.1 行為樹概述 169
7.4.2 導航到位姿行為樹 169
7.4.3 跟隨動態點行為樹 171
7.5 配置規劃器、恢覆器、控制器服務器和平滑器 172
7.5.1 配置規劃器 173
7.5.2 配置恢覆器 177
7.5.3 配置控制器服務器 178
7.5.4 配置平滑器 180
7.6 導航插件 182
7.6.1 Costmap Layers 插件 182
7.6.2 行為樹插件 186
7.6.3 控制器插件 190
7.6.4 規劃器插件 195
7.6.5 恢覆器插件 199
7.7 ROS2 SLAM 建圖及導航仿真 202
7.7.1 配置仿真環境 202
7.7.2 SLAM 建圖 203
7.7.3 導航驗證 205
7.8 輪式機器人建圖導航 208
7.8.1 地圖創建 208
7.8.2 建圖 212
7.8.3 導航 216
7.9 本章小結 220
習題七 221

第8章 視覺圖像應用開發技術
8.1 ROS2 圖像數據 222
8.1.1 視覺傳感器 222
8.1.2 二維圖像數據 223
8.1.3 三維點雲圖像 224
8.1.4 在ROS2 中使用攝像頭 225
8.2 攝像頭標定 227
8.2.1 camera_calibration 功能包 227
8.2.2 攝像頭標定過程 227
8.3 OpenCV 庫和人臉識別 228
8.3.1 使用OpenCV 庫 229
8.3.2 使用OpenCV 實現人臉識別 233
8.4 物體檢測 238
8.4.1 介紹與安裝 238
8.4.2 運行仿真 239
8.5 本章小結 240
習題八 241

第9章 機械臂應用開發技術
9.1 創建機械臂URDF 模型 242
9.1.1 機械臂的外形建立 242
9.1.2 機械臂link 的inertial 的設置 242
9.2 機械臂與MoveIt 的關聯 243
9.2.1 建立相關文件 243
9.2.2 創建項目 244
9.2.3 編譯試運行 247
9.3 機械臂與Gazebo 的關聯 247
9.3.1 建立文件 247
9.3.2 編譯、運行、測試 249
9.4 MoveIt 與Gazebo 的關聯 251
9.4.1 原理分析 251
9.4.2 launch 文件編寫 251
9.4.3 執行測試 254
9.5 本章小結 255
習題九 255

第10章 ROS2 機器人開發實例
10.1 ROS2 六足機器人仿真 256
10.1.1 launch 文件 256
10.1.2 運行仿真 258
10.2 TurtleBot4 建圖與導航 259
10.2.1 TurtleBot4 介紹與配置 260
10.2.2 控制TurtleBot4 262
10.2.3 TurtleBot4 建圖 265
10.2.4 TurtleBot4 導航 266
10.3 本章小結 268
習題十 268

參考文獻