内容推荐
本书以智能机器人开发的基本技术为主要脉络，以 ROS 作为核心开发平台，以企业真实产品为载体，以岗位能力要求为导向。本书主要内容包括智能机器人认知与组成架构、智能机器人运动控制、智能机器人环境建图、智能机器人自主导航、智能机器人自主无线充电、智能机器人避障、智能机器人语音控制、智能机器人目标跟随、智能机器人的机械臂运动控制、智能机器人的机械臂视觉抓取、智能机器人目标检测、智能机器人戴口罩人脸识别、智能机器人仓储应用场景开发、智能机器人导游应用场景开发、智能机器人家政服务应用场景开发。
目录
目 录
工作场景 1 智能机器人系统搭建
工作项目 1 智能机器人认知与组成架构 ............................................................................................... 2
1.1 智能机器人的发展现状与发展趋势 ............................................................................................ 2
1.1.1 智能机器人产业链 ................................................................................................................... 2
1.1.2 智能机器人的产业格局 ........................................................................................................... 3
1.1.3 智能机器人的发展趋势 ........................................................................................................... 6
1.2 智能机器人关键技术 ...................................................................................................................... 6
1.3 典型的智能机器人及智能机器人的组成 ................................................................................... 9
1.3.1 典型的智能机器人 ................................................................................................................... 9
1.3.2 智能机器人的组成 ................................................................................................................. 11
1.4 智能机器人实训平台 .................................................................................................................... 13
工作项目 1 练习 ....................................................................................................................................... 19
工作项目 2 智能机器人运动控制 ........................................................................................................... 21
2.1 ROS 通信方式 ................................................................................................................................. 21
2.2 底盘控制节点.................................................................................................................................. 22
2.2.1 kobuki 功能包架构 ................................................................................................................. 22
2.2.2 底盘控制节点启动代码 ......................................................................................................... 23
2.3 速度话题消息.................................................................................................................................. 24
2.4 多种控制方式的优先级 ................................................................................................................ 24
工作项目 2 练习 ....................................................................................................................................... 28
工作项目 3 智能机器人环境建图 ........................................................................................................... 30
3.1 SLAM ................................................................................................................................................ 30
3.1.1 地图 ......................................................................................................................................... 30
3.1.2 算法 ......................................................................................................................................... 32
智能机器人应用开发
3.2 Cartographer ..................................................................................................................................... 32
3.2.1 Cartographer 简介 ................................................................................................................... 32
3.2.2 Cartographer 安装 ................................................................................................................... 34
工作项目 3 练习 ....................................................................................................................................... 43
工作项目 4 智能机器人自主导航 ........................................................................................................... 45
4.1 Navigation 自主导航 ...................................................................................................................... 45
4.1.1 Navigation 架构 ...................................................................................................................... 45
4.1.2 自适应蒙特卡洛定位节点 ..................................................................................................... 50
4.2 参数含义 .......................................................................................................................................... 51
4.2.1 amcl 定位节点参数 ................................................................................................................ 51
4.2.2 代价地图公用参数 ................................................................................................................. 52
4.2.3 全局代价地图参数 ................................................................................................................. 53
4.2.4 局部代价地图参数 ................................................................................................................. 53
4.3 参数配置示例.................................................................................................................................. 54
4.3.1 amcl 定位算法节点 ................................................................................................................ 54
4.3.2 代价地图公用参数 ................................................................................................................. 55
4.3.3 全局代价地图参数 ................................................................................................................. 56
4.3.4 局部代价地图参数 ................................................................................................................. 56
4.3.5 运动规划器 planner 参数 ....................................................................................................... 57
4.3.6 导航节点启动文件 ................................................................................................................. 58
4.4 Navigation 多点导航 ...................................................................................................................... 59
4.4.1 导航节点动作通信 ................................................................................................................. 59
4.4.2 多点导航节点实现 ................................................................................................................. 61
工作项目 4 练习 ....................................................................................................................................... 67
工作项目 5 智能机器人自主无线充电.................................................................................................. 70
5.1 无线充电技术原理 ......................................................................................................................... 70
5.1.1 电磁感应式 ............................................................................................................................. 70
5.1.2 微波辐射式 ............................................................................................................................. 70
5.1.3 磁耦合谐振式 ......................................................................................................................... 71
5.2 自主无线充电案例 ......................................................................................................................... 72
5.2.1 自主无线充电硬件系统 ......................................................................................................... 72
5.2.2 自主无线充电软件系统 ......................................................................................................... 73
工作项目 5 练习 ....................................................................................................................................... 80
- VI -
目录
工作场景 2 智能机器人能力展现
工作项目 6 智能机器人避障 .................................................................................................................... 84
6.1 传感器测距 ...................................................................................................................................... 84
6.1.1 超声波测距原理 ..................................................................................................................... 84
6.1.2 激光雷达测距原理 ................................................................................................................. 85
6.2 智能机器人避障案例 .................................................................................................................... 86
6.2.1 超声波避障案例 ..................................................................................................................... 86
6.2.2 激光雷达避障案例 ................................................................................................................. 93
工作项目 6 练习 ..................................................................................................................................... 106
工作项目 7 智能机器人语音控制 ......................................................................................................... 109
7.1 语音处理技术................................................................................................................................ 109
7.1.1 语音模块 ............................................................................................................................... 110
7.1.2 语音合成 ............................................................................................................................... 113
7.1.3 语音识别 ............................................................................................................................... 114
7.2 语音控制运动案例 ....................................................................................................................... 120
7.2.1 语音控制运动思路 ............................................................................................................... 120
7.2.2 识别语法与节点实现 ........................................................................................................... 121
工作项目 7 练习 ..................................................................................................................................... 127
工作项目 8 智能机器人目标跟随 ......................................................................................................... 129
8.1 基于视觉的目标跟随 .................................................................................................................. 129
8.1.1 目标跟随算法 ....................................................................................................................... 129
8.1.2 目标跟随技术现状 ............................................................................................................... 130
8.2 基于深度摄像头的目标跟随 ..................................................................................................... 131
8.2.1 深度摄像头启动 ................................................................................................................... 131
8.2.2 目标跟随节点 ....................................................................................................................... 133
工作项目 8 练习 ..................................................................................................................................... 136
工作项目 9 智能机器人的机械臂运动控制 ...................................................................................... 139
9.1 机械臂的运动控制系统 .............................................................................................................. 139
9.1.1 笛卡儿空间路径规划 ........................................................................................................... 140
9.1.2 运动学逆解 ........................................................................................................................... 140
9.1.3 关节空间路径规划 ............................................................................................................... 140
9.1.4 轨迹插补 ............................................................................................................................... 141
- VII -
智能机器人应用开发
9.1.5 伺服控制器 ........................................................................................................................... 141
9.2 机械臂运动控制的实现方式 ..................................................................................................... 142
9.2.1 MoveIt ................................................................................................................................... 142
9.2.2 手写的运动控制解算包 ....................................................................................................... 146
工作项目 9 练习 ..................................................................................................................................... 155
工作项目 10 智能机器人的机械臂视觉抓取 .................................................................................... 157
10.1 机械臂视觉抓取概述 ................................................................................................................ 157
10.1.1 机械臂与摄像头的相对位置 ............................................................................................. 157
10.1.2 摄像头启动与内参标定 ..................................................................................................... 159
10.1.3 物体识别定位 ..................................................................................................................... 162
10.2 机械臂视觉抓取案例 ................................................................................................................ 163
10.2.1 机械臂视觉抓取思路 ......................................................................................................... 163
10.2.2 视觉抓取节点实现 ............................................................................................................. 164
工作项目 10 练习 ................................................................................................................................... 174
工作项目 11 智能机器人目标检测....................................................................................................... 176
11.1 目标检测 ...................................................................................................................................... 176
11.1.1 目标检测的发展 ................................................................................................................. 176
11.1.2 目标检测相关概念 ............................................................................................................. 177
11.2 目标检测模型 ............................................................................................................................. 179
11.3 OpenVINO 简介 ......................................................................................................................... 179
11.4 目标检测案例 ............................................................................................................................. 180
工作项目 11 练习 ................................................................................................................................... 187
工作项目 12 智能机器人戴口罩人脸识别 ........................................................................................ 189
12.1 人脸识别概述 ............................................................................................................................. 189
12.2 人脸识别发展历史 ..................................................................................................................... 190
12.3 人脸识别的难点 ......................................................................................................................... 190
12.4 人脸识别的用途 ......................................................................................................................... 190
工作项目 12 练习 ................................................................................................................................... 200
工作场景 3 智能机器人应用场景开发
工作项目 13 智能机器人仓储应用场景开发 .................................................................................... 204
13.1 智慧物流 ...................................................................................................................................... 204
13.1.1 由来 ..................................................................................................................................... 204
- VIII -
目录
13.1.2 体系架构 ............................................................................................................................. 205
13.2 仓储应用场景开发案例 ............................................................................................................ 206
13.2.1 功能分析 ............................................................................................................................. 206
13.2.2 功能开发接口 ..................................................................................................................... 207
13.2.3 应用场景开发 ..................................................................................................................... 207
工作项目 13 练习 ................................................................................................................................... 218
工作项目 14 智能机器人导游应用场景开发 .................................................................................... 222
14.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 222
14.2 应用开发接口 ............................................................................................................................. 223
14.3 应用场景开发 ............................................................................................................................. 223
工作项目 14 练习 ................................................................................................................................... 233
工作项目15 智能机器人家政服务应用场景开发 .................................................................................. 238
15.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 238
15.2 应用开发接口 ............................................................................................................................. 239
15.2.1 导航动作服务接口 ............................................................................................................. 239
15.2.2 二维码识别定位话题接口 ................................................................................................. 239
15.2.3 机械臂服务接口 ................................................................................................................. 239
15.2.4 语音处理通信接口 ............................................................................................................. 239
15.3 应用场景开发 ............................................................................................................................. 239
15.3.1 编程思路 ............................................................................................................................. 239
15.3.2 节点启动与实现 ................................................................................................................. 240
工作项目 15 练习 ................................................................................................................................... 254
- IX
工作场景 1 智能机器人系统搭建
工作项目 1 智能机器人认知与组成架构 ............................................................................................... 2
1.1 智能机器人的发展现状与发展趋势 ............................................................................................ 2
1.1.1 智能机器人产业链 ................................................................................................................... 2
1.1.2 智能机器人的产业格局 ........................................................................................................... 3
1.1.3 智能机器人的发展趋势 ........................................................................................................... 6
1.2 智能机器人关键技术 ...................................................................................................................... 6
1.3 典型的智能机器人及智能机器人的组成 ................................................................................... 9
1.3.1 典型的智能机器人 ................................................................................................................... 9
1.3.2 智能机器人的组成 ................................................................................................................. 11
1.4 智能机器人实训平台 .................................................................................................................... 13
工作项目 1 练习 ....................................................................................................................................... 19
工作项目 2 智能机器人运动控制 ........................................................................................................... 21
2.1 ROS 通信方式 ................................................................................................................................. 21
2.2 底盘控制节点.................................................................................................................................. 22
2.2.1 kobuki 功能包架构 ................................................................................................................. 22
2.2.2 底盘控制节点启动代码 ......................................................................................................... 23
2.3 速度话题消息.................................................................................................................................. 24
2.4 多种控制方式的优先级 ................................................................................................................ 24
工作项目 2 练习 ....................................................................................................................................... 28
工作项目 3 智能机器人环境建图 ........................................................................................................... 30
3.1 SLAM ................................................................................................................................................ 30
3.1.1 地图 ......................................................................................................................................... 30
3.1.2 算法 ......................................................................................................................................... 32
智能机器人应用开发
3.2 Cartographer ..................................................................................................................................... 32
3.2.1 Cartographer 简介 ................................................................................................................... 32
3.2.2 Cartographer 安装 ................................................................................................................... 34
工作项目 3 练习 ....................................................................................................................................... 43
工作项目 4 智能机器人自主导航 ........................................................................................................... 45
4.1 Navigation 自主导航 ...................................................................................................................... 45
4.1.1 Navigation 架构 ...................................................................................................................... 45
4.1.2 自适应蒙特卡洛定位节点 ..................................................................................................... 50
4.2 参数含义 .......................................................................................................................................... 51
4.2.1 amcl 定位节点参数 ................................................................................................................ 51
4.2.2 代价地图公用参数 ................................................................................................................. 52
4.2.3 全局代价地图参数 ................................................................................................................. 53
4.2.4 局部代价地图参数 ................................................................................................................. 53
4.3 参数配置示例.................................................................................................................................. 54
4.3.1 amcl 定位算法节点 ................................................................................................................ 54
4.3.2 代价地图公用参数 ................................................................................................................. 55
4.3.3 全局代价地图参数 ................................................................................................................. 56
4.3.4 局部代价地图参数 ................................................................................................................. 56
4.3.5 运动规划器 planner 参数 ....................................................................................................... 57
4.3.6 导航节点启动文件 ................................................................................................................. 58
4.4 Navigation 多点导航 ...................................................................................................................... 59
4.4.1 导航节点动作通信 ................................................................................................................. 59
4.4.2 多点导航节点实现 ................................................................................................................. 61
工作项目 4 练习 ....................................................................................................................................... 67
工作项目 5 智能机器人自主无线充电.................................................................................................. 70
5.1 无线充电技术原理 ......................................................................................................................... 70
5.1.1 电磁感应式 ............................................................................................................................. 70
5.1.2 微波辐射式 ............................................................................................................................. 70
5.1.3 磁耦合谐振式 ......................................................................................................................... 71
5.2 自主无线充电案例 ......................................................................................................................... 72
5.2.1 自主无线充电硬件系统 ......................................................................................................... 72
5.2.2 自主无线充电软件系统 ......................................................................................................... 73
工作项目 5 练习 ....................................................................................................................................... 80
- VI -
目录
工作场景 2 智能机器人能力展现
工作项目 6 智能机器人避障 .................................................................................................................... 84
6.1 传感器测距 ...................................................................................................................................... 84
6.1.1 超声波测距原理 ..................................................................................................................... 84
6.1.2 激光雷达测距原理 ................................................................................................................. 85
6.2 智能机器人避障案例 .................................................................................................................... 86
6.2.1 超声波避障案例 ..................................................................................................................... 86
6.2.2 激光雷达避障案例 ................................................................................................................. 93
工作项目 6 练习 ..................................................................................................................................... 106
工作项目 7 智能机器人语音控制 ......................................................................................................... 109
7.1 语音处理技术................................................................................................................................ 109
7.1.1 语音模块 ............................................................................................................................... 110
7.1.2 语音合成 ............................................................................................................................... 113
7.1.3 语音识别 ............................................................................................................................... 114
7.2 语音控制运动案例 ....................................................................................................................... 120
7.2.1 语音控制运动思路 ............................................................................................................... 120
7.2.2 识别语法与节点实现 ........................................................................................................... 121
工作项目 7 练习 ..................................................................................................................................... 127
工作项目 8 智能机器人目标跟随 ......................................................................................................... 129
8.1 基于视觉的目标跟随 .................................................................................................................. 129
8.1.1 目标跟随算法 ....................................................................................................................... 129
8.1.2 目标跟随技术现状 ............................................................................................................... 130
8.2 基于深度摄像头的目标跟随 ..................................................................................................... 131
8.2.1 深度摄像头启动 ................................................................................................................... 131
8.2.2 目标跟随节点 ....................................................................................................................... 133
工作项目 8 练习 ..................................................................................................................................... 136
工作项目 9 智能机器人的机械臂运动控制 ...................................................................................... 139
9.1 机械臂的运动控制系统 .............................................................................................................. 139
9.1.1 笛卡儿空间路径规划 ........................................................................................................... 140
9.1.2 运动学逆解 ........................................................................................................................... 140
9.1.3 关节空间路径规划 ............................................................................................................... 140
9.1.4 轨迹插补 ............................................................................................................................... 141
- VII -
智能机器人应用开发
9.1.5 伺服控制器 ........................................................................................................................... 141
9.2 机械臂运动控制的实现方式 ..................................................................................................... 142
9.2.1 MoveIt ................................................................................................................................... 142
9.2.2 手写的运动控制解算包 ....................................................................................................... 146
工作项目 9 练习 ..................................................................................................................................... 155
工作项目 10 智能机器人的机械臂视觉抓取 .................................................................................... 157
10.1 机械臂视觉抓取概述 ................................................................................................................ 157
10.1.1 机械臂与摄像头的相对位置 ............................................................................................. 157
10.1.2 摄像头启动与内参标定 ..................................................................................................... 159
10.1.3 物体识别定位 ..................................................................................................................... 162
10.2 机械臂视觉抓取案例 ................................................................................................................ 163
10.2.1 机械臂视觉抓取思路 ......................................................................................................... 163
10.2.2 视觉抓取节点实现 ............................................................................................................. 164
工作项目 10 练习 ................................................................................................................................... 174
工作项目 11 智能机器人目标检测....................................................................................................... 176
11.1 目标检测 ...................................................................................................................................... 176
11.1.1 目标检测的发展 ................................................................................................................. 176
11.1.2 目标检测相关概念 ............................................................................................................. 177
11.2 目标检测模型 ............................................................................................................................. 179
11.3 OpenVINO 简介 ......................................................................................................................... 179
11.4 目标检测案例 ............................................................................................................................. 180
工作项目 11 练习 ................................................................................................................................... 187
工作项目 12 智能机器人戴口罩人脸识别 ........................................................................................ 189
12.1 人脸识别概述 ............................................................................................................................. 189
12.2 人脸识别发展历史 ..................................................................................................................... 190
12.3 人脸识别的难点 ......................................................................................................................... 190
12.4 人脸识别的用途 ......................................................................................................................... 190
工作项目 12 练习 ................................................................................................................................... 200
工作场景 3 智能机器人应用场景开发
工作项目 13 智能机器人仓储应用场景开发 .................................................................................... 204
13.1 智慧物流 ...................................................................................................................................... 204
13.1.1 由来 ..................................................................................................................................... 204
- VIII -
目录
13.1.2 体系架构 ............................................................................................................................. 205
13.2 仓储应用场景开发案例 ............................................................................................................ 206
13.2.1 功能分析 ............................................................................................................................. 206
13.2.2 功能开发接口 ..................................................................................................................... 207
13.2.3 应用场景开发 ..................................................................................................................... 207
工作项目 13 练习 ................................................................................................................................... 218
工作项目 14 智能机器人导游应用场景开发 .................................................................................... 222
14.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 222
14.2 应用开发接口 ............................................................................................................................. 223
14.3 应用场景开发 ............................................................................................................................. 223
工作项目 14 练习 ................................................................................................................................... 233
工作项目15 智能机器人家政服务应用场景开发 .................................................................................. 238
15.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 238
15.2 应用开发接口 ............................................................................................................................. 239
15.2.1 导航动作服务接口 ............................................................................................................. 239
15.2.2 二维码识别定位话题接口 ................................................................................................. 239
15.2.3 机械臂服务接口 ................................................................................................................. 239
15.2.4 语音处理通信接口 ............................................................................................................. 239
15.3 应用场景开发 ............................................................................................................................. 239
15.3.1 编程思路 ............................................................................................................................. 239
15.3.2 节点启动与实现 ................................................................................................................. 240
工作项目 15 练习 ................................................................................................................................... 254
- IX
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