本书是内容全面、偏重基础的ROS2 机器人开发入门书籍，是作者总结多年科研教学成果并在吸收国内外最新理论、方法和技术的基础上完成的。本书详细介绍了ROS2 的安装、集成开发环境搭建和常用工具，详细讲解了ROS2 系统架构、ROS2 客户端库、坐标变换TF2 及编程、机器人建模与仿真；以工程开发为重心，详细讲解SLAM 建图与Nav2 导航、视觉图像应用、机械臂应用等多方面ROS2 应用的实现原理和方法。本书结合大量实例，帮助读者在实现ROS2 基础功能的同时深入理解基于ROS2 的机器人开发技术，将书中的内容用于实践。本书注重运用CDIO工程教育理念，立足培养实际动手能力、综合应用能力、创新思维能力。
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本书可作为普通高等院校机器人工程、自动化、人工智能、电子信息工程、软件工程等相关专业的教材，也可供广大科技工作者和工程技术人员参考使用。
第1章 ROS2 介绍与安装
1.1 初识ROS2 001
1.1.1 ROS2 诞生与发展 001
1.1.2 ROS2 生态组成 003
1.1.3 ROS2 优势 004
1.1.4 ROS2 应用方向 005
1.2 ROS2 的安装及测试 005
1.2.1 选择操作系统 005
1.2.2 ROS2 安装与卸载 008
1.2.3 测试ROS2 009
1.3 Linux 命令行操作 010
1.3.1 常用Linux 命令行 010
1.3.2 使用命令行安装软件包 013
1.4 ROS2 集成开发环境搭建 014
1.4.1 VSCode 014
1.4.2 终端 014
1.4.3 git 016
1.4.4 下载配套源码 016
1.5 二进制包与源代码包 016
1.6 本章小结 017
习题一 018
第2章 ROS2 系统架构
2.1 ROS2 文件系统 019
2.1.1 ROS2 系统分层 019
2.1.2 工作空间 020
2.1.3 功能包 021
2.1.4 colcon 构建工具 025
2.2 ROS2 通信架构 026
2.2.1 节点 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 质量服务策略 037
2.3 本章小结 037
习题二 038
第3章 ROS2 常用工具
3.1 启动管理工具Launch 040
3.1.1 认识Launch 040
3.1.2 操作演示 040
3.2 模块化可视化工具rqt 044
3.2.1 认识rqt 044
3.2.2 操作演示 044
3.3 数据可视化工具Rviz2 048
3.3.1 认识Rviz2 048
3.3.2 操作演示 048
3.4 仿真工具Gazebo 049
3.4.1 认识Gazebo 049
3.4.2 操作演示 050
3.5 rosbag2 功能包 051
3.5.1 认识rosbag2 051
3.5.2 操作演示 052
3.6 本章小结 053
习题三 053
第4章 ROS2 客户端库
4.1 ROS2 客户端库简介 055
4.2 rclcpp 055
4.2.1 节点 056
4.2.2 话题 058
4.2.3 服务 063
4.2.4 动作 067
4.2.5 参数 074
4.3 rclpy 076
4.3.1 rclpy 与rclcpp 比较 077
4.3.2 节点 077
4.3.3 话题 078
4.3.4 服务 081
4.3.5 动作 083
4.3.6 参数 087
4.4 本章小结 089
习题四 089
第5章 坐标变换TF2 及编程
5.1 认识TF2 091
5.1.1 简介 091
5.1.2 ROS2 中的TF2 092
5.1.3 ROS2 中TF2 坐标的基本规则 093
5.2 TF2 编程基础 095
5.2.1 TF2 功能包及官方实例 095
5.2.2 TF2 工具 095
5.2.3 广播器与监听器 097
5.3 TF2 广播及监听 098
5.3.1 TF2 静态广播 098
5.3.2 TF2 动态广播 101
5.3.3 TF2 监听 104
5.4 乌龟跟随案例的实现 107
5.5 本章小结 112
习题五 112
第6章 机器人建模与仿真
6.1 机器人URDF 模型 114
6.2 创建与显示URDF 模型 117
6.2.1 机器人描述功能包 117
6.2.2 创建URDF 模型 118
6.2.3 解析URDF 模型 119
6.2.4 使用xacro 文件简化URDF 模型 121
6.2.5 在Rviz2 中显示模型 123
6.2.6 让机器人动起来 125
6.3 添加碰撞和物理属性 126
6.4 添加传感器模型 127
6.4.1 添加摄像头 127
6.4.2 添加激光雷达 128
6.5 机器人Gazebo 仿真 130
6.5.1 在Gazebo 中显示机器人模型 130
6.5.2 Gazebo 插件 133
6.5.3 摄像头仿真 134
6.5.4 激光雷达仿真 135
6.5.5 使用两轮差速插件控制机器人运动 138
6.6 使用ros2_control 控制机器人运动 139
6.6.1 ros2_control 的安装 139
6.6.2 ros2_control 的框架 139
6.6.3 ros2_control 的配置 141
6.7 轮式机器人Gazebo 运动仿真 144
6.7.1 URDF 模型 145
6.7.2 launch 文件 151
6.7.3 运行仿真 153
6.8 本章小结 155
习题六 156
第7章 SLAM 建图与Nav2 导航开发技术
7.1 SLAM 基础 157
7.1.1 图像常见格式 157
7.1.2 占据栅格地图 158
7.1.3 SLAM 原理和组成 158
7.1.4 SLAM 关键技术与分类 159
7.2 Cartographer 160
7.2.1 Cartographer 介绍 160
7.2.2 Cartographer 安装 161
7.2.3 Cartographer 参数配置 162
7.3 Navigation 2 概述 164
7.3.1 Nav2 导航的介绍 164
7.3.2 Nav2 导航相关概念 165
7.3.3 Nav2 导航安装与介绍 167
7.4 Nav2 行为树 169
7.4.1 行为树概述 169
7.4.2 导航到位姿行为树 169
7.4.3 跟随动态点行为树 171
7.5 配置规划器、恢复器、控制器服务器和平滑器 172
7.5.1 配置规划器 173
7.5.2 配置恢复器 177
7.5.3 配置控制器服务器 178
7.5.4 配置平滑器 180
7.6 导航插件 182
7.6.1 Costmap Layers 插件 182
7.6.2 行为树插件 186
7.6.3 控制器插件 190
7.6.4 规划器插件 195
7.6.5 恢复器插件 199
7.7 ROS2 SLAM 建图及导航仿真 202
7.7.1 配置仿真环境 202
7.7.2 SLAM 建图 203
7.7.3 导航验证 205
7.8 轮式机器人建图导航 208
7.8.1 地图创建 208
7.8.2 建图 212
7.8.3 导航 216
7.9 本章小结 220
习题七 221
第8章 视觉图像应用开发技术
8.1 ROS2 图像数据 222
8.1.1 视觉传感器 222
8.1.2 二维图像数据 223
8.1.3 三维点云图像 224
8.1.4 在ROS2 中使用摄像头 225
8.2 摄像头标定 227
8.2.1 camera_calibration 功能包 227
8.2.2 摄像头标定过程 227
8.3 OpenCV 库和人脸识别 228
8.3.1 使用OpenCV 库 229
8.3.2 使用OpenCV 实现人脸识别 233
8.4 物体检测 238
8.4.1 介绍与安装 238
8.4.2 运行仿真 239
8.5 本章小结 240
习题八 241
第9章 机械臂应用开发技术
9.1 创建机械臂URDF 模型 242
9.1.1 机械臂的外形建立 242
9.1.2 机械臂link 的inertial 的设置 242
9.2 机械臂与MoveIt 的关联 243
9.2.1 建立相关文件 243
9.2.2 创建项目 244
9.2.3 编译试运行 247
9.3 机械臂与Gazebo 的关联 247
9.3.1 建立文件 247
9.3.2 编译、运行、测试 249
9.4 MoveIt 与Gazebo 的关联 251
9.4.1 原理分析 251
9.4.2 launch 文件编写 251
9.4.3 执行测试 254
9.5 本章小结 255
习题九 255
第10章 ROS2 机器人开发实例
10.1 ROS2 六足机器人仿真 256
10.1.1 launch 文件 256
10.1.2 运行仿真 258
10.2 TurtleBot4 建图与导航 259
10.2.1 TurtleBot4 介绍与配置 260
10.2.2 控制TurtleBot4 262
10.2.3 TurtleBot4 建图 265
10.2.4 TurtleBot4 导航 266
10.3 本章小结 268
习题十 268
参考文献
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