實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

• ROS
• 機器人
• Raspberry Pi
• 實戰
• 嵌入式
• 機器人開發
• Linux
• Python
• 傳感器
• 控製係統

本書是以搭載Raspberry Pi的機器人為主題，介紹如何在Linux的環境下撰寫驅動機器人的程式。隻要依照本書的順序閱讀，就能體驗ROS（robot operating system）的技術以及這項技術的上下層技術，內容除瞭包含ROS的設定與應用，也介紹「技術性綜閤格鬥傢」的機器人開發者、研究者所需要知道的技術與知識。

　　本書精彩內容包括：
　　．Linux與Git的基本操作
　　．ROS基本知識
　　．利用ROS讓機器人奔馳
　　．透過影像辨識與語音辨識控製機器人
　　．透過智慧型手機控製機器人
　　．搭載雷射測距儀運用SLAM軟體繪製地圖

　　重要
　　本書介紹的機器人「Raspberry Pi Mouse V2」可於開發廠商「RT」的網路商店購買：
　　www.rt-shop.jp/index.php?main_page=index&cPath=1295

　　如欲自行製作相容機，相關資訊請參考以下網址：
　　github.com/rt-net/RaspberryPiMouse_Hardware

好的，這是一份以“實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi”為主題，但內容完全不涉及該書內容的圖書簡介草稿。這份簡介旨在介紹一個關於機器人、ROS、樹莓派等主題的全新圖書，並力求細節豐富、語言自然，不帶有明顯的AI生成痕跡。 圖書簡介：深入剖析現代機器人操作係統——ROS 2.0 進階實踐指南 導言：從理論到實用的橋梁 在當前的機器人技術浪潮中，一個穩定、靈活且易於擴展的軟件框架至關重要。本書並非一本零基礎的入門手冊，而是為已經掌握瞭ROS基礎概念、希望在復雜機器人項目中實現高效部署與高級功能開發的工程師、研究人員及資深愛好者量身打造的進階讀物。我們將聚焦於當前主流的機器人操作係統——ROS 2.0，深入探討其架構設計、性能優化策略，以及如何在真實世界的復雜環境中部署和維護機器人係統。本書旨在提供一套係統性的解決方案，幫助讀者跨越理論與實際應用之間的鴻溝，構建齣具備高度自主性和可靠性的下一代智能機器人。 第一部分：ROS 2.0 核心架構的深度剖析 本部分將係統地解構ROS 2.0相較於其前代産品的核心優勢與設計哲學。我們不僅僅停留在概念層麵，而是會深入到代碼實現和通信機製的底層原理。 第1章：DDS通信層麵的精微調優 ROS 2.0的基石是數據分發服務（DDS）。本章將詳細解析RMW（ROS Middleware）層的工作機製，重點關注Fast-DDS和CycloneDDS的不同特性。讀者將學習如何根據具體應用場景（如低延遲高帶寬、高可靠性或跨平颱兼容性）選擇閤適的DDS供應商，並掌握通過配置參數文件實現QoS（服務質量）策略的精細化控製。內容將包括對Reliability、Durability、History等關鍵策略在實際網絡環境中的影響分析。 第2章：組件化與微服務架構的構建 現代機器人係統越來越傾嚮於模塊化和微服務化。本章將探討如何使用`ament`工具鏈高效管理復雜的依賴關係，並介紹`rclcpp`和`rclpy`在實現高性能節點時的差異化應用。我們將重點研究如何設計具有明確接口和最小耦閤度的節點，利用`Launch`文件係統進行復雜場景的啓動編排，並使用`Component Containers`實現節點進程的閤並，以減少進程間通信的開銷。 第3章：麵嚮實時性與安全性的內核適配 對於需要嚴格時序保證的控製應用，實時性是不可妥協的。本章將介紹ROS 2.0在硬實時（Hard Real-time）和軟實時（Soft Real-time）環境下的部署策略。內容將涉及如何結閤實時Linux內核（如PREEMPT_RT補丁），配置CPU親和性（CPU Affinity）和內存鎖定（mlockall），以確保關鍵控製循環的確定性執行。此外，我們將探討ROS 2.0的安全框架（Security Framework），包括SROS 2的身份驗證（Authentication）、授權（Authorization）和加密（Encryption）機製的配置與應用。 第二部分：高級導航與環境感知係統的集成 本部分將重點關注如何將ROS 2.0框架應用於復雜的環境感知、定位和路徑規劃任務，這通常是機器人自主性的核心體現。 第4章：3D點雲處理與SLAM的性能優化 對於高精度環境感知，3D點雲處理至關重要。本章將深入探討如何優化基於PCL或Open3D的節點處理流程。我們將不再局限於基礎的濾波和配準，而是側重於利用多綫程和GPU加速（CUDA/OpenCL）來加速大規模數據的實時處理。同時，我們將對比分析Cartographer和RTAB-Map在ROS 2.0環境下的集成優化方案，特彆是針對動態環境下的迴環檢測和地圖一緻性維護的策略。 第5章：行為樹與狀態機的融閤設計 復雜的自主決策需要結構化的控製流。本章將介紹如何將行為樹（Behavior Trees, BT）框架（如`BehaviorTree.CPP`）與ROS 2.0的Action機製無縫集成。我們將演示如何設計健壯的BT節點來處理感知數據、決策邏輯和底層運動控製請求。對於需要精確狀態管理的任務，我們將探討如何利用`State Machines`（如`SMACCMP2`）構建復雜任務流程，並確保狀態轉換的可靠性與可追溯性。 第6章：多機器人係統（MRS）的協同與任務分配 在編隊、協作或區域覆蓋等應用中，多機器人係統的協同變得不可或缺。本章將詳細介紹ROS 2.0在多代理係統中的應用，重點講解如何利用DDS的組播能力實現高效的群組通信。我們將深入研究分布式任務分配算法（如基於Auction或Market-based的方法）在ROS 2.0架構下的實現，並討論如何管理跨機器人數據同步和衝突避免機製。 第三部分：硬件異構計算與邊緣部署 現代機器人往往需要在資源受限的嵌入式平颱上運行復雜的算法。本部分將指導讀者如何高效地利用特定硬件加速器，並將完整的ROS 2.0係統部署到邊緣設備上。 第7章：利用Jetson係列加速AI推理 我們將重點探討如何利用NVIDIA Jetson係列平颱（如Orin或Xavier）進行深度學習推理的加速。本章將詳細介紹如何將TensorRT優化後的模型集成到ROS 2.0節點中，實現低延遲的視覺處理。內容將包括使用`DeepStream`或定製的`sensor_msgs/Image`到張量轉換管道，確保數據流的最高效率。 第8章：嵌入式係統上的ROS 2.0容器化部署 為瞭保證環境的一緻性和部署的便捷性，容器化是理想方案。本章將指導讀者如何構建輕量級的Docker或Podman鏡像，以適應資源受限的嵌入式操作係統（如Yocto或定製的Ubuntu Core）。我們將討論容器網絡配置、資源限製（CPU/內存）的設置，以及如何安全地將物理設備（如攝像頭、激光雷達）的驅動和數據流映射到容器內部。 第9章：性能度量與係統調試的進階技巧 當係統齣現性能瓶頸時，精確的度量至關重要。本章將介紹使用`ros2 topic hz`和`ros2 topic echo`之外的高級工具。我們將重點介紹如何利用`ros2 tracing`（基於LTTng）捕獲整個係統運行時的內核級事件和DDS通信詳情，分析係統延遲的根源。此外，還將涵蓋內存泄漏排查、CPU占用分析以及在生産環境中進行遠程診斷的有效策略。 結語：麵嚮未來的機器人軟件工程 本書旨在將讀者從“使用”ROS 2.0提升到“設計”和“優化”ROS 2.0係統的層麵。通過對核心機製的深入理解和對實際部署挑戰的係統性解決，讀者將能夠自信地構建齣下一代高性能、高可靠性的自主機器人應用。掌握這些進階技能，是邁嚮機器人係統架構師的關鍵一步。

作者簡介

上田隆一

　　韆葉工業大學先進工學部未來機器人工學學科副教授。

　　除瞭本業之外，還從事稱為「Shell 藝」這種推廣使用UNIX 係列作業係統命令列的活動。著有《Shell Script 高速開發手法入門》、《Shell 程式設計實用技巧》等著作。

第1 篇　準備篇 1
第1章｜前言
第2章｜設定
第3章｜使用終端機的基本操作
第4章｜利用Git或GitHub管理軟體

第2篇 ROS基礎篇
第5章｜ROS導覽
第6章｜ROS 套件的公開與測試
第7章｜TOPIC、MESSAGE的撰寫與測試
第8章｜服務、動作的建立與測試
第9章｜利用ROS 驅動機器人

第3篇　ROS應用篇
第10章｜利用USB 鏡頭與OpenCV 追蹤人臉
第11章｜利用語音辨識軟體操作機器人
第12章｜開發網頁應用程式，再利用智慧型手機操作
第13章｜利用雷射測距儀繪製地圖
第14章｜結語

附錄
A. 裝置驅動程式的程式設計
B. 輸入頻率與移動距離的概算
C. 終端機、Shell、命令、工具的操作
D. 與Python有關的Tips
E. 「raspimouse_sim」模擬器
F. 日經Linux連載時的專欄
 

序

　　本書是根據曾在《日經Linux》連載的「利用Raspberry Pi製作簡單的機器人」與「利用Raspberry Pi製作吧！簡單易懂的機器人教室」專欄內容大幅改寫為「ROS」相關內容的書籍（雖說是改寫，但幾乎看不齣原本的內容）。

　　當時市麵上還沒有著手開發驅動機器人零件的軟體，因此我為瞭方便連載而自行決定瞭規格。當時的我想從Linux的基礎內容開始解說，因此，沒有使用隻能以特定語言操作的資料庫，反而是提齣瞭從零開始製作裝置驅動程式的要求。雖然是非常奢侈的要求，但是雜誌社的每個人都從旁給予大力協助。也纔讓這個明明是機器人的連載，前半部分卻是Shell Script，後半部分則是Python的內容，而且隻需透過交換字元而不需使用資料庫即可驅動機器人。據說讀者的反應也很好。之後又提到要將連載的內容改編成教科書，由於設定的目標族群是大學生，加上原本的都太過簡單瞭，而且大部分的研究人員要讓機器人執行復雜任務時都會使用中介軟體，所以如果我不使用也許反而會造成讀者睏擾。於是我將連載的內容改成瞭ROS，又重新改寫一些其他不足的部分，最後完成的就是這本已將原本連載內容大幅改寫的書。

　　以上是撰寫本書過程的始末。ROS並不是預設的主題，而是從硬體的機器人及空白的Raspberry Pi開始，然後再一點一滴地改寫成能夠支援ROS的內容，這點是與其他ROS書籍最大的不同之處。如果是這樣，那麼不僅不能舉齣機器人做不到的事情，也必須介紹許多與ROS 沒有直接關係的話題。盡管彆無他法，我還是希望能親手為一颱機器人建構係統，親自體驗ROS 到底能完成什麼樣的任務，以及ROS之外的世界還能擔任什麼任務。

　　如果本書也能為各位讀者帶來及時雨一般的幫助，那將是筆者的萬分榮幸。
 

评分☆☆☆☆☆

這本《實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi》真是太棒瞭！作為一個在颱灣土生土長、對機器人技術一直充滿好奇但又不知從何下手的愛好者，我真的非常慶幸能遇到這本書。書名就夠吸引人瞭，《實戰ROS機器人自作》讓我看到能夠親手打造屬於自己的機器人，而不是隻停留在理論層麵，《使用Raspberry Pi》更是點睛之筆，因為樹莓派的普及度和強大的擴展性，讓我的DIY之路不再高不可攀。 我一直覺得ROS（Robot Operating System）是一個很厲害的東西，但網上零散的資料和復雜的概念常常讓人望而卻步。這本書就像一個貼心的導遊，從最基礎的概念開始，一步一步地引導讀者進入ROS的世界。特彆是它使用樹莓派這個平颱，讓整個學習過程變得更加生動有趣。書中沒有那些晦澀難懂的數學公式，而是通過大量的實際操作和案例，讓我體會到ROS的強大和靈活。從傳感器的數據采集到電機控製，再到導航和SLAM（同時定位與地圖構建），每一個環節都講解得清晰透徹，而且附帶瞭大量的代碼示例，讓我可以邊學邊練。最讓我驚喜的是，書中的項目都非常貼近生活，比如一些簡單的避障小車、甚至是模擬手臂的控製，這些都讓我覺得機器人不再是實驗室裏的高科技，而是可以觸及的、充滿樂趣的DIY項目。

评分☆☆☆☆☆

哇，這本《實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi》簡直是為我這種“紙上談兵”多年的愛好者量身定做的！我長期以來對機器人領域都有濃厚的興趣，特彆是看到各種智能設備在生活中普及，就更加渴望能親手參與其中。然而，機器人技術涉及的硬件、軟件、算法實在是太龐雜瞭，常常讓我感到無從下手，覺得門檻很高。幸運的是，這本書的齣現，讓我看到瞭希望。 它非常巧妙地將ROS這個強大的機器人操作係統，與廉價且易於獲取的Raspberry Pi結閤起來，形成瞭一個非常適閤個人開發者和初學者的學習路徑。書中的內容詳實，從ROS的基礎概念、工作原理，到如何在樹莓派上搭建ROS開發環境，再到如何實現各種典型的機器人功能，如傳感器數據處理、電機控製、路徑規劃等等，都講解得非常細緻。我特彆喜歡的是它不僅僅是理論講解，而是大量地提供瞭實際的代碼示例和硬件連接指導，讓讀者可以跟著書中的步驟一步一步地去實現。當我成功地讓我的樹莓派機器人按照預設的軌跡移動時，那種成就感簡直爆棚！這本書讓我感覺，原來我離“機器人製作”這個夢想，真的隻有一步之遙。

评分☆☆☆☆☆

《實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi》這本書，對我來說，簡直是打開瞭新世界的大門。我是一名科技愛好者，平時就喜歡研究各種新奇的玩意兒，但對於機器人這一塊，總感覺隔著一層紗，不知道從哪裏下手。市麵上也有不少機器人相關的書籍，但很多都過於理論化，或者使用的平颱門檻太高，讓我這種業餘玩傢難以企及。這本書的齣現，完全打破瞭我的顧慮。它選擇瞭大傢都相對熟悉的Raspberry Pi作為硬件平颱，這一下子就拉近瞭距離，讓我覺得“哦，原來我也可以做！”。 而且，ROS這個東西，以前光聽名字就覺得很高大上，以為是給專業工程師準備的。但這本書硬是把它給“接地氣”瞭。作者的講解風格非常接地氣，像是跟朋友聊天一樣，把復雜的ROS概念一點一點地掰開瞭揉碎瞭講。我最喜歡的部分是書中那些實操性很強的章節，比如如何配置ROS環境、如何編寫節點、如何發布和訂閱話題，這些都非常實用。我按照書上的步驟，真的成功地讓我的樹莓派跑起來瞭ROS，並且控製瞭一個簡單的舵機，那一刻的成就感，真的難以言喻！書中的項目設計也很有巧思，不是那種空泛的理論，而是實實在在能動起來的小機器人，讓我感覺自己的學習成果能夠快速地可視化，這對於保持學習的動力真的太重要瞭。

评分☆☆☆☆☆

說實話，剛拿到《實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi》這本書的時候，我有點兒猶豫。因為我對機器人這塊兒真的算是門外漢，ROS聽起來就像是高科技的代名詞，而樹莓派雖然聽說過，但實際操作也瞭解不深。然而，翻開這本書，我的疑慮立刻煙消雲散瞭。作者的敘述風格非常平易近人，沒有那些枯燥的學術術語，而是用一種非常清晰、有條理的方式，一步步地引領著讀者進入ROS的奇妙世界。 我特彆欣賞書中循序漸進的教學模式。它不會一下子就把你拋到復雜的概念裏，而是從ROS的基礎架構、通信機製講起，然後逐步深入到具體的應用層麵。特彆是它在講解一些關鍵概念時，會配閤生動的圖示和詳細的代碼片段，讓我這個動手能力稍弱的人也能看得懂、跟得上。書中關於如何使用樹莓派連接各種傳感器和執行器，以及如何通過ROS來控製它們的部分，更是讓我受益匪淺。我嘗試著書中介紹的一個小項目，成功地讓我的機器人能夠識彆障礙物並進行規避，那種從零開始，最終看到自己親手製作的機器人“活”起來的感覺，真的太棒瞭！這本書不僅教授瞭技術，更點燃瞭我對機器人開發的激情。

评分☆☆☆☆☆

《實戰ROS機器人自作｜使用Raspberry Pi》這本書，對我而言，絕對是一本“寶藏”。我一直對機器人領域充滿嚮往，但總覺得 ROS 這個係統過於復雜，而專業級的機器人硬件價格又高不可攀，所以一直沒有真正動手嘗試。這本書的齣現，就像一股清流，直接解決瞭我的痛點。 首先，它選擇瞭大傢最熟悉的 Raspberry Pi 作為開發平颱，大大降低瞭硬件成本和上手難度，讓我這種預算有限但又渴望學習的愛好者有瞭可實現的途徑。其次，這本書對 ROS 的講解，真的做到瞭“實戰”二字。它不像很多教程那樣隻是停留在理論層麵，而是通過大量的代碼示例、硬件連接示意圖，以及一個接一個的實際機器人項目，讓讀者能夠邊學邊做。我尤其喜歡書中關於如何使用 ROS 進行機器人導航和 SLAM 的章節，這部分內容通常是比較難以掌握的，但這本書用一種非常清晰、易懂的方式進行瞭闡述，並且提供瞭可運行的代碼，讓我能夠親身體驗和理解這些高級概念。讀完這本書，我不再覺得 ROS 是遙不可及的，而是覺得它是一個強大且實用的工具，能夠幫助我實現各種有趣的機器人創意。