发布时间：2020-10-08 23:46:57

作者：陶满礼

出版社：人民邮电出版社有限公司

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

书名：ROS机器人编程与SLAM算法解析指南

ISBN：978-7-115-52631-1

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主　　编　陶满礼

参　　编　夏丽娟　张志飞　夏文杰

责任编辑　张　爽

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　[email protected]

网址　http://www.ptpress.com.cn

读者服务热线：(010)81055410

反盗版热线：(010)81055315内容提要

目前ROS（Robot Operating System）正逐步成为机器人开发领域的主要工具平台，同时SLAM技术也日益成为机器人应用领域的研究热点。本书主要讲解ROS编程与SLAM算法，并介绍 ROS 与机器人仿真软件V-rep的结合应用。书中各章节所涉及的代码均有对应的源代码，可供读者下载，便于调试与应用。

本书可作为机器人开发从业人员或相关领域研究人员的参考用书，也适合没有机器人开发基础的人员自学使用，还可作为相关培训学校的教材。前　　言

本书以作者在机器人开发过程中遇到的问题及相关解决方案为基础，深入浅出地介绍了ROS的基础知识及其使用方法，涉及移动机器人自主建图、导航、SLAM算法源码解读、ROS Navigation源码解读，以及相关算法原理与代码实现。本书可帮助机器人领域的开发人员了解并使用ROS。

本书的创新之处在于提供了结合ROS进行机器人开发的V-rep环境。V-rep软件是一款优秀的机器人开发仿真软件。目前国内有关该软件的中文资料较少，与ROS结合进行开发的资料更是稀缺。本书结合ROS与V-rep这两款优秀的机器人开发软件，为读者提供了建图和导航实现的项目实例。

本书分为7章。

第1章主要介绍了Ubuntu系统、ROS的安装及常用命令操作。

第2章主要介绍了ROS开发IDE—RoboWare Studio的安装使用，以及ROS开发的基础知识。

第3章主要介绍了ROS开发过程的常用调试工具。

第4章主要介绍了TF知识及使用方法。

第5章主要介绍了SLAM功能包源码解读及自定义功能包再现建图过程。

第6章主要介绍了Navigation功能包解读及相关算法原理与代码实现。

第7章主要介绍了ROS与V-rep联合开发实现机器人建图与导航。

本书第1章由夏丽娟执笔，第2、5、6、7章由陶满礼执笔，第3章由张志飞执笔，第4章由夏文杰执笔。全书代码由陶满礼编写并校验。

本书内容是基于作者在新松公司服务机器人开发过程中遇到的问题及相关解决方案编写而成的。新松智能交通部门工程师张志飞为作者提供了许多重要的参考意见，并参与了相关章节的编写工作，在此表示感谢！

本书逻辑清晰、合理，内容简洁、实用、易懂。对于广大从事机器人开发的工作者及开展机器人研究的高校研究人员来说，是一本不可多得的自学及参考用书。

由于编者水平有限，书中难免存在错误和欠缺之处，敬请读者批评指正。编者2019年9月资源与支持

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ROS，全称Robot Operating System，是一个开源的机器人操作系统，能为异质计算机集群提供类似操作系统的功能（注意：ROS不是真正意义上的操作系统，它通常运行在Ubuntu系统上，且有固定的版本对应）。ROS提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象、底层设备控制、常用函数的实现、进程间消息传递，以及包管理。ROS也提供用于获取、编译、编写和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。

ROS系统起源于2007年斯坦福大学人工智能实验室与机器人技术公司Willow Garage合作的个人机器人项目PR2（Personal Robots Program）。2009年初推出测试版的ROS0.4，该版本已初步具备现有的ROS系统框架。2010年正式推出ROS1.0版本，并开发出一系列机器人操作的基础软件包。之后不断进行版本迭代和功能完善，目前ROS的最新版本为Lunar。除此之外，支持包括Linux、Windows、macOS等操作系统的ROS2也已推出（本书只介绍ROS1的使用，对ROS2不作讨论）。ROS各版本及其发布时间如表1-1所示。表1-1　ROS版本及发布时间ROS 版本发布时间Lunar Loggerhead2017.5Kinetic Kame2016.5Jade Turtle2015.5Indigo Igloo2014.7Hydro Medusa2013.9Groovy Galapagos2012.12Fuerte Turtle2012.4Electric Emys2011.8Diamondback2011.3C Turtle2010.8Box TurtleBox Turtle2010.31.2　Ubuntu系统

Ubuntu（乌班图）是一个基于Debian的以桌面应用为主的Linux操作系统，支持x86、amd64（即x64）架构，由全球化的专业开发团队（Canonical Ltd）打造。机器人操作系统ROS就是基于Ubuntu运行的，因此在学习ROS之前，我们需要先花一些时间来了解如何安装以及配置Ubuntu系统，为之后安装与配置ROS系统做准备。不同的ROS 版本对应不同版本的Ubuntu系统，其匹配关系如表1-2所示。表1-2　ROS版本及对应版本的Ubuntu系统ROS发布日期ROS版本Ubuntu系统版本2016.3ROS Kinetic Ubuntu 16.04 (Xenial) / Ubuntu 15.10 (Wily)Kame2015.3ROS Jade TurtleUbuntu 15.04 (Wily) / Ubuntu LTS 14.04 (Trusty)2014.7ROS Indigo IglooUbuntu 14.04 (Trusty)2013.9ROS Hydro Ubuntu 12.04 LTS (Precise)Medusa2012.12ROSGroovyGalaUbuntu 12.04pagos1.2.1　Ubuntu系统的安装

准备工作如下。● Ubuntu的镜像文件。● U盘，用于制作启动盘。● UltraISO软件，用于刻录启动U盘。

进入Ubuntu官网https://www.ubuntu.com/download/alternative-downloads下载安装包，界面显示可供下载的Ubuntu镜像选项如下。● Download the network installer for 18.10● Download the network installer for 18.04 LTS● Download the network installer for 16.04 LTS● Download the network installer for 14.04 LTS

选择下载对应版本（本书以14.04为例），后续对应ROS的Indigo版本使用。

为电脑分出30GB～70GB的存储空间，从现有的硬盘中直接压缩。具体操作是，右击“计算机→管理→磁盘管理”，可以很清楚地看到各个磁盘的分区情况，右击选中待压缩的磁盘，单击压缩卷，压缩出30GB～70GB的内存用于安装Ubuntu系统。

完成分区之后开始刻录U盘启动盘，安装下载好的UltraISO软件并打开，如图1-1所示，在菜单里找到“启动”选项，单击“写入硬盘映像”。图1-1　UltraISO软件启动界面

在弹出的窗口中单击“便捷启动”选项，在下拉菜单中选择“写入新的硬盘主引导记录（MBR）”，继续选择“USB-HDD+”，如图1-2所示。图1-2　写入磁盘映像

写入完成后，拔出U盘并关闭电脑，然后重新插入U盘，启动电脑，通过快捷键进入BIOS，选择U盘启动。各电脑进入BIOS的快捷键可参考表1-3。表1-3　BIOS快捷键参考笔记本启动按键台式机启动按键联想笔记本F12联想台式机F12宏基笔记本F12惠普台式机F12华硕笔记本Esc宏基台式机F12惠普笔记本F9戴尔台式机Esc联想ThinkPadF12神舟台式机F12戴尔笔记本F12华硕台式机F8神舟笔记本F12方正台式机F12东芝笔记本F12清华同方台式机F12三星笔记本F12明基台式机F8IBM笔记本F12  

进入BIOS之后，在安装界面选择“中文（简体）”，如图1-3所示，单击“安装Ubuntu”。图1-3　Ubuntu安装界面

在准备安装Ubuntu界面中单击“继续”，如图1-4所示。图1-4　准备安装界面

在新弹出的安装类型界面中选择“其他选项”，单击“继续”，如图1-5所示。图1-5　安装类型界面

在弹出的新建分区界面中，单击“新建分区表...”，如图1-6所示。图1-6　新建分区界面

此时，弹出窗口提示“要在此设备上创建新的空分区表吗？”，选择“继续”，如图1-7所示。图1-7　是否新建分区表界面

接下来，建立/boot分区。如图1-8所示，单击“空闲”磁盘分区，单击“+”添加新分区，将大小设置为500MB，类型为“主分区”，挂载点为“/boot”，最后单击“确定”。图1-8　新建boot分区

接下来，新建交换空间分区。如图1-9所示，单击“空闲”磁盘分区，单击“+”添加新分区，将大小设置为2048MB，类型为“主分区”，用于“交换空间”，最后单击“确定”。图1-9　新建交换空间分区

然后，新建根分区。如图1-10所示，单击“空闲”磁盘分区，单击“+”添加新分区，将大小设置为50GB，类型为“主分区”，挂载点为“/”根分区，最后单击“确定”。图1-10　新建根分区

接着，新建home分区。单击“空闲”磁盘分区，单击“+”添加新分区，将大小设置为剩余全部空间，类型为“逻辑分区”，挂载点为“/home”，单击“确定”，最后单击“现在安装”，如图1-11所示。图1-11　新建home分区

接下来，在页面中设置用户名、计算机名及密码，单击“继续”，安装完成后单击“现在重启”，如图1-12所示。图1-12　是否重启界面

重启后，可看到图1-13所示的安装成功界面。图1-13　安装成功界面

至此，Ubuntu系统在电脑上的安装工作完成。1.2.2　树莓派安装Ubuntu1．准备工作（1）树莓派：HDMI转VGA转接线（连接树莓派与显示器）、电源（树莓派供电）、microSD卡（安装系统）。.img镜像的官方下载地址为http://cdimage.ubuntu.com/ubuntu/releases/。（2）Win32diskmanager（镜像读写工具）的官方下载地址为https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/。2．安装步骤（1）将microSD卡插入读卡器。（2）打开Win32DiskImager，选择下载的.img镜像及microSD卡的盘符，然后写入。（3）将写好的系统内存卡插入树莓派，然后将键盘、鼠标、显示器、树莓派插上电源即可启动。（4）设置系统语言、用户名和密码等。1.3　ROS的安装

配置 Ubuntu 软件仓库，打开软件和更新对话框，具体可以在 Ubuntu 最左上角的“搜索”选项中搜索。打开后按照图1-14所示进行配置（确保勾选了“restricted”“universe”和“multiverse”）。图1-14　配置Ubuntu软件仓库

添加sources.lists，配置电脑使其能够安装来自 packages.ros.org的软件。 ROS Indigo 仅支持 Saucy (13.10) 和 Trusty (14.04)：sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

添加 keys：sudo apt-key adv --keyserver hkp://pool.sks-keyservers.net --recv-key 421C365BD9FF1F717815A3895523BAEEB01FA116

更新Debian软件包索引：sudo apt-get update

安装桌面完整版ROS：sudo apt-get install ros-indigo-desktop-full

在开始使用ROS之前，还需要初始化rosdep。rosdep可以在编译某些源码时为其安装一些系统依赖，也是某些ROS核心功能组件必须要用到的工具。sudo rosdep init rosdep update

下面开始配置环境。

打开终端，输入以下内容：$ echo "source /opt/ros/kinetic/setup.bash" >> ~/.bashrc $ source ~/.bashrc

安装rosinstall。rosintall是ROS中经常使用的命令行，可以便于我们在一行命令中同时下载多个ROS packages，其安装命令如下：sudo apt-get install python-rosinstall

测试时，在命令行输入“roscore”启动ROS节点管理器，如图1-15所示。图1-15　ROS节点管理器启动界面

如果看到图1-15所示的结果，说明已成功安装ROS。1.4　常用的操作命令1.4.1　Ubuntu系统的常用命令

由于ROS是基于Ubuntu系统运行的，因此在学习ROS之前，我们需要熟悉一些基本的Linux操作指令。常用的操作命令分为以下3类。（1）查找指令● ls：列出当前目录下的所有文件（不显示隐藏文件）。● ls –a：列出当前目录下的所有文件（显示隐藏文件）。● pwd：显示当前路径。● cat /etc/issue：查看Ubuntu版本。● sudofdisk –l：查看磁盘信息。● free –m：查看当前的内存使用情况。● ps –A：查看当前有哪些进程。（2）文件/文件夹操作命令● cd　~/file_path：转到（切换）路径。● mkdir dirname：新建目录。● rmdir dirname：删除空目录。● rm filename：删除文件。● rm –rf dirname：删除非空目录及其包含的所有文件。● mv file1file2：将文件1重命名为文件2。● mv file1 dir1：将文件1移动到目录1。（3）安装软件及创建用户命令● sudo apt-get install xxx：安装程序。● sudo apt-get remove –purge xxx：彻底卸载程序并清空配置。● sudo apt-get update：更新本地软件源文件。● sudo user add username：创建一个新的用户username。● sudo passwd username：设置用户username的密码。● sudo group add groupname：创建一个新的groupname组。● sudo usermod –g groupname username：把用户username加入

groupname组中。1.4.2　常用的ROS操作命令

ROS中包含丰富的调试命令。本书只提供一些常用的基本操作命令，这些命令会在后续章节中频繁地被使用，希望读者熟记。（1）工作空间及功能包相关命令● rosc：切换（cd）工作目录到某个程序包（或其子目录）roscd

[package[/subdir]]。● rosls：按程序包的名称执行ls命令rosls [package[/subdir]]。● catkin_create_pkg：创建功能包。● catkin_make：编译ROS工作空间。（2）节点启动及主题调试命令● roscore：启动管理器。● rosrun：运行ROS包中的一个可执行文件 rosrun package_name

executable_name。● ruslaunch：启动roscore、本地节点和远程节点（通过ssh），设

置参数服务器的参数。● roslaunch package_name file_name.launch：启动包中的一个文

件。● rospack：获取程序包的有关信息。● rospack find [package]：返回程序包的路径。● rospack list：获取所有的程序包。● rosdep：一个能够下载并安装ROS packages所需要的系统依赖

项的工具rosdep install [package]。● roswtf：可以检查ROS系统并尝试发现问题，如roswtf or roswtf

[file]。● rostopic –h：查看 rostopic的所有操作。● rostopic list：查看所有 Topic 列表。● rosrun rqt_plot rqt_plot：图形化显示Topic。● rostopic echo [topic]：查看某个Topic信息。第2章　ROS基础2.1　开发工具IDE

RoboWare Studio 是一个 ROS 集成开发环境，使ROS 开发更加直观、简单，并且易于操作，可用于ROS工作区及包的管理，代码编辑、构建及调试。RoboWare Studio专为ROS（indigo/jade/kinetic）设计，以图形化的方式完成ROS 工作区及包的创建、源码添加、message/service/action 文件创建、显示包及节点列表，并且可以实现CMakelists.txt 文件和 package.xml 文件的自动更新。下面介绍该开发环境的安装与使用。2.1.1　RoboWare Studio的安装1．准备工作（1）操作系统为 Ubuntu。（2）已完成 ROS 的安装配置。（3）可以使用 catkin_make 构建 ROS 包（若无法构建，可以运行下列命令来安装构建工具）：sudo apt-get install build-essential（4）安装 python-pip：sudo apt-get install python-pip2．安装

进入RoboWare官网，界面如图2-1所示。图2-1　RoboWare官网界面

选择下载对应的 RoboWare Studio版本，双击下载下来的.deb 文件即可完成安装。安装过程中若弹出用户协议，则直接按键；若弹出“您是否接受上述协议？”窗口，则单击“确定”，按回车键，自动开始安装，如图2-2所示。图2-2　用户协议界面

安装成功后，可看到图2-3所示的工作界面。图2-3　工作界面2.1.2　卸载

打开任意一个终端，执行以下指令来卸载 RoboWare Studio：sudo apt-get remove roboware-studio2.1.3　使用1．创建工作区

在欢迎界面中单击“新建工作区”（或选择“文件→新建工作区”），选择路径并填写工作区名称，如“catkin_ws”，则会创建一个名为“catkin_ws”的工作区，并显示在资源管理器窗口中，如图2-4所示。图2-4　创建工作区2．创建 ROS 包

右击ROS工作区下的“src”，选择“新建ROS包”，输入包名称及其依赖包的名称。按回车键后，会创建对应的ROS 包，如图2-5所示。图2-5　创建ROS包

右击 ROS 包目录下的“src”，选择“新建 CPP 源文件”，输入文件名后，按回车键，会弹出列表。在列表中选择类型“加入新的可执行文件中”，则会创建一个与 CPP 文件同名的执行文件（ROS节点），此时CMakeLists.txt 文件会自动更新。

右击包名文件夹，依次选择“新建 Msg 文件夹”“新建 Srv 文件夹”“新建 Action 文件夹”，可分别创建Message、Service、Action文件夹，右击相应文件夹即可添加 Message、Service、Action 文件。此时CMakeLists.txt文件会自动更新，如图2-6所示。图2-6　新建 Msg 文件夹3．编译文件

单击左上角的小锤子图标，进行编译文件，或者通过在菜单栏中单击“ROS →build”进行编译。4．添加并启动 Launch 文件

首先，右击包名文件夹（如“my_package”），选择“新建 Launch 文件夹”来创建Launch 文件夹，如图2-7所示。图2-7　新建Launch文件夹

然后，右击 Launch 文件夹，选择“新建LAUNCH文件”，输入文件名添加 Launch 文件，如图2-8所示。图2-8　新建 Launch 文件

编辑完成后，右击Launch 文件，选择“运行 Launch 文件”，RoboWare Studio就会自动打开集成终端并运行 Launch 文件，如图2-9所示。图2-9　运行Launch文件

在菜单栏中，依次选择“ROS-运行 roscore”“ROS-运行 RViz”“ROS-运行 rqt”“ROS-运行 rqt-reconfigure”“ROS-运行 rqt-graph”，可分别启动 roscore、 RViz、 rqt、 rqt-reconfigure、rqt-graph。图2-10所示为启动rqt-reconfigure的界面。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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