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当前，机器人操作系统（Robot Operating System, ROS）已成为机器人研发领域的主流通用软件平台和事实标准。本书较为系统地介绍了ROS的基本概念及开发方法，提供了大量的实例代码和具体的实验，能够帮助ROS零基础读者了解并快速走上ROS的开发实践之路。本书共10章，分别为ROS概述、Ubuntu系统基础、Python语言基础、ROS架构与体系、ROS编程基础、机器人传感系统、机器人视觉系统、机器人建模与仿真、ROS综合实例以及ROS实验。

本书可作为高等院校机器人工程或机电、自动化、计算机等相近专业的本科生教材，也可作为相关专业的研究生参考教材，还可供其他类型院校相关专业师生、工程技术人员及自学者参考。

本书配有电子课件和源代码，欢迎选用本书作教材的老师登录www.cmpedu.com注册下载，或发jinacmp@163.com索取。

前言

第1章ROS概述1

1.1ROS简介1

1.2ROS的安装6

本章小结8

本章习题9

第2章Ubuntu系统基础10

2.1Ubuntu简介10

2.2目录和文件系统11

2.3常用命令12

本章小结15

本章习题15

第3章Python语言基础16

3.1Python简介16

3.2基本语法16

3.3常用语句20

3.4函数与模块21

3.5类与对象22

本章小结23

本章习题23

第4章ROS架构与体系24

4.1ROS架构简介24

4.2ROS文件系统级24

4.3ROS计算图级28

4.4ROS开源社区级34

本章小结35

本章习题35

第5章ROS编程基础36

5.1工作空间和功能包的创建与编译36

5.2消息文件和服务文件的创建与编译39

5.3消息发布节点与主题订阅节点的

编写（C++）43

5.4消息发布节点与主题订阅节点的

编写（Python）50

5.5服务器端与客户端程序的

编写（C++）55

5.6服务器端与客户端程序的

编写（Python）62

5.7启动文件的编写66

5.8调试工具68

5.9可视化工具73

5.10坐标变换工具76

本章小结81

本章习题81

第6章机器人传感系统82

6.1RGB-D相机82

6.2激光雷达传感器84

6.3IMU传感器86

6.4GPS传感器89

本章小结92

本章习题92

第7章机器人视觉系统93

7.1OpenCV概述93

7.2在ROS中使用OpenCV的方法97

7.3PCL概述106

7.4在ROS中使用PCL的方法109

7.5与计算机视觉相关的ROS功能包113

本章小结115

本章习题115

第8章机器人建模与仿真116

8.1机器人模型描述格式——URDF116

8.2机器人仿真环境——Gazebo121

本章小结136

本章习题136

第9章ROS综合实例137

9.1机器人移动137

9.2机器人SLAM与自主导航153

9.3MoveIt!机械臂控制171

本章小结186

本章习题186

第10章ROS实验187

10.1基础实验187

10.2进阶实验213

附录常用指令表231

参考文献232

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前言

随着机器人技术的快速发展，越来越丰富与复杂的机器人本体及硬件（如控制器、传感器、驱动器等）对机器人系统的研发提出了巨大挑战，特别是对机器人软件系统的代码复用和模块化需求日益强烈。

从2007年，机器人操作系统（Robot Operating System, ROS）在斯坦福大学诞生以来，它便得到了广大机器人研发人员的广泛关注。ROS是各类智能机器人的基础性运行与软件开发平台。ROS不仅提供了硬件抽象描述、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息传递，以及程序包管理等机器人运行的支撑功能，还集成了大量用于获取、编辑、编译代码以及跨计算机运行程序所需的工具、库函数和协议，从而简化了在各种机器人平台上实现复杂而健壮的机器人行为的过程，为机器人研究和开发提供了代码复用和模块化的支持。从2010年1.0版本发布以来，ROS已成为机器人研发领域的主流通用软件平台和事实标准。

作为一本面向ROS零基础读者的入门教材，本书重点介绍了ROS的总体框架和编程方法。同时，对ROS开发常用工具（如三维可视化工具RViz、可视化调试工具rqt、三维仿真工具Gazebo等）和常用功能包（如机器人视觉、机械臂控制、SLAM(同步定位与地图构建制等）的使用方法进行了讲解，提供了具体的实验课程方案，可以有效帮助初学者快速理解ROS的基本概念并开展具体的实践，从而为后续从事机器人技术研发工作奠定基础。

本书共10章，可以分为4部分。第1部分为ROS开发的知识基础（第1~3章），主要介绍学习ROS之前所应掌握的知识基础，包括ROS概述、Ubuntu系统的基本概念和具体使用方法，一定的面向对象编程知识（以Python为例），以及ROS开发环境的搭建。第2部分为ROS开发的编程基础（第4、5章），主要介绍ROS中的关键概念和系统架构，并且以工作空间和功能包、话题通信机制、服务通信机制为核心介绍ROS程序的开发方法。第3部分为ROS常用功能包和开发工具的使用方法（第6~9章），包括机器人建模与仿真工具、机器人传感器、机器人视觉等，涉及移动机器人、机械臂控制、SLAM等应用领域。第4部分为ROS实验（第10章），主要为前述理论内容结合具体的实验设备可开展的实验，此部分内容重在提升读者的实践动手能力，实现理论学习与实际应用相结合。

在本书的编写过程中，得到了编者所带研究生及重庆安尼森智能科技有限公司周诗宇的鼎力相助，他们为本书的资料收集、图形绘制和实验验证做了大量工作，在此深表感谢。

本书由重庆理工大学何苗（第1~3、8、9章）、西安工程大学马晓敏（第4~7章）、重庆大学陈晓红（第10章）共同编写。

由于编者水平有限，书中难免存在缺点和不足，恳请广大读者批评指正。

编者