ROS 2機器人系統開發實踐（視頻教學版）

梁偉，高級工程師、軟件工程師，主要從事自動控制、電磁場仿真分析、PLC開發與應用、機器人系統開發等技術工作。重慶機電職業技術大學副教授、萬達集團機器人自動化業務培訓講師，主編企業技術標準20余項、行業標準1項、團體標準2項。主持企業電力系統運行監控平臺開發、大中型配電系統現場智能巡檢機器人系統開發等項目。 李園奇，副教授，高級技師。全國機械行業教學指導委員會委員，重慶市職業院校教學創新團隊主要成員，重慶市黃大年式教學團隊成員。主持重慶市青年項目1項，主研教學科研項目7項，主編教材2部，參與開發市級精品在線課程2門，發表論文7篇，授權專利5項，指導學生獲省部級以上獎項58項，其中國家級獎項16項，獲優秀指導教師稱號5次。 李海慧，高級工程師、副教授、工業機器人應用技術高級工程師，重慶市職業院校名師名匠工作室主要成員，先後擔任電氣設計師、高校自動化教師。主持重慶市青年項目1項，主研教學教改項目2項，主編教材5部，參與開發市級精品在線課程1門，發表論文5篇，授權專利10項，指導學生獲省部級以上獎項18項。

目    錄

 

第1章  開始你的機器人之旅 1

1.1  ROS生態介紹 1

1.1.1  ROS 2與機器人的關系 2

1.1.2  ROS 2系統概述及版本介紹 3

1.1.3  ROS 2開發工具介紹 5

1.2  ROS 2開發環境部署 10

1.2.1  在Ubuntu中安裝ROS 2 11

1.2.2  在Ubuntu中安裝VSCode 18

1.2.3  VSCode集成插件 21

1.2.4  VSCode運行ROS 2環境步驟 25

1.2.5  安裝編譯依賴項 26

1.2.6  創建工作空間和源碼空間 30

1.2.7  啟動VSCode並進行配置 31

1.2.8  測試編譯環境 33

1.3  啟動第一個機器人 37

1.3.1  啟動圖形模擬器 38

1.3.2  控制模擬器運行及分析 39

1.4  小結 41

第2章  ROS 2基礎（節點） 42

2.1  ROS 2節點介紹及程序編寫 42

2.1.1  ROS 2節點介紹 43

2.1.2  ROS 2節點實現（Python） 46

2.1.3  ROS 2節點實現（C++） 51

2.2  ROS 2功能包節點編寫 56

2.2.1  Python實現功能包節點編寫 56

2.2.2  C++實現功能包節點編寫 62

2.3  組織管理ROS 2 Workspace 65

2.4  ROS 2構建工具—colcon 67

2.4.1  安裝colcon 68

2.4.2  測試編譯 69

2.4.3  colcon其他命令 69

2.5  小結 71

第3章  ROS 2的發布-訂閱機制 72

3.1  主題通信的工作原理 72

3.2  Python實現主題交互 75

3.2.1  主題發布操作 75

3.2.2  如何訂閱主題 81

3.3  主題通信模型 85

3.3.1  理論模型 85

3.3.2  C++基本操作 86

3.3.3  Python基本操作 88

3.3.4  自定義主題通信接口 89

3.3.5  C++實現接口調用 91

3.3.6  Python實現接口調用 96

3.4  小結 99

第4章  ROS 2交互機制（服務與參數） 100

4.1  服務通信 100

4.1.1  通信模型介紹 101

4.1.2  SRV功能自定義 102

4.1.3  C++調用自定義SRV 106

4.1.4  Python調用自定義.srv 111

4.2  參數服務器 117

4.2.1  參數服務器模型介紹 117

4.2.2  C++實現參數操作 119

4.2.3  Python實現參數操作 125

4.3  Python實現機器視覺識別 128

4.3.1  安裝usb_cam包 128

4.3.2  啟動USB攝像頭 130

4.3.3  相機標定及使用 133

4.3.4  集成OpenCV功能 135

4.3.5  訂閱相機發布節點信息 138

4.3.6  服務器端分析及實現 142

4.3.7  客戶端分析及實現 147

4.4  Launch啟動腳本 150

4.4.1  編寫Launch腳本文件 150

4.4.2  ROS 2運行腳本 155

4.4.3  Launch腳本進階 156

4.5  小結 159

第5章  ROS 2常用開發組件 160

5.1  TF坐標變換 160

5.1.1  坐標消息msg 161

5.1.2  靜態坐標變換 162

5.1.3  動態坐標變換 166

5.1.4  多種坐標間的變換 170

5.1.5  坐標系關聯關系 175

5.1.6  坐標變換示例 178

5.2  rqt可視化工具組件 188

5.3  RViz可視化工具 190

5.3.1  安裝可視化工具 190

5.3.2  啟動可視化工具 191

5.3.3  界面及預定義插件介紹 192

5.4  小結 196

第6章  ROS 2機器人建模與仿真 197

6.1  機器人系統建模與仿真介紹 197

6.1.1  常見機器人結構 198

6.1.2  機器人系統仿真 200

6.1.3  機器人系統仿真相關組件 201

6.2  RViz集成URDF組件 202

6.2.1  集成流程與操作 203

6.2.2  創建功能包和導入依賴包 203

6.2.3  使用URDF建模 205

6.2.4  Launch腳本編寫 209

6.2.5  在RViz中顯示創建的模型 211

6.2.6  RViz啟動優化 215

6.3  URDF組件 216

6.3.1  URDF語法詳解 217

6.3.2  URDF常用工具 228

6.3.3  練習 230

6.4  Xacro優化URDF 238

6.4.1  Xacro及使用詳解 238

6.4.2  Xacro使用流程示例 240

6.4.3  Xacro優化實操 248

6.5  在URDF中使用Gazebo 259

6.5.1  安裝並使用Gazebo 259

6.5.2  URDF集成Gazebo基本設置 261

6.5.3  Gazebo仿真環境搭建 263

6.5.4  在Gazebo中加載機器人 267

6.5.5  利用Gazebo擴展URDF 268

6.6  ros2_control使用介紹 274

6.6.1  ros2_control安裝 274

6.6.2  使用Gazebo集成ros2_control 276

6.6.3  控制機器人 276

6.7  小結 279

第7章  智能導航系統開發案例 280

7.1  NAV2的導航功能結構及介紹 281

7.1.1  路徑規劃器 281

7.1.2  地圖服務器 285

7.1.3  NAV2導航定位 287

7.1.4  運動控制器 289

7.1.5  導航行為樹管理器 292

7.2  使用SLAM創建地圖 295

7.2.1  SLAM創建地圖的原理 295

7.2.2  SLAM Toolbox介紹 297

7.2.3  SLAM Toolbox啟動 298

7.2.4  創建地圖 302

7.2.5  地圖保存 306

7.3  NAV2導航全流程實現 308

7.3.1  安裝NAV2 308

7.3.2  NAV2參數設置 310

7.3.3  實現自主導航 316

7.3.4  運行自主導航 317

7.4  小結 321

第8章  視覺目標檢測與追蹤開發案例 322

8.1  視覺圖像數據獲取 322

8.1.1  ROS 2獲取圖像數據程序 322

8.1.2  仿真運行 328

8.2  OpenCV提取圖像特征及目標定位 330

8.2.1  ROS 2提取顏色特征 330

8.2.2  目標定位程序實現 338

8.2.3  Gazebo仿真相機測試 343

8.3  基於ROS 2的視覺目標追蹤 345

8.3.1  ROS 2視覺目標追蹤配置 345

8.3.2  節點代碼實現 349

8.3.3  運行測試 354

8.4  小結 358