機器人開發是一項復雜的系統工程，ROS 2為智能機器人開發提供了強有力的支持，極大地提高了機器人軟件開發效率。本書首先對ROS 2的基礎概念、通信機制、常用庫和工具進行介紹，帶領讀者入門ROS 2機器人開發；接著引導讀者完成移動機器人的建模和仿真、建圖和導航、自定義控制器和規劃器等一系列實踐；然后在真機實戰環節，通過制作一個基于ROS 2的真實機器人，幫助讀者打通仿真與真機之間的壁壘；最后，本書深入講解了ROS 2進階使用的相關知識，為讀者進一步在實戰中使用ROS 2進行機器人開發打下夯實基礎。考慮讀者基礎，書中示例均以C 和Python兩種語言實現，同時加入了關于C 新特性、Git工具、多線程和回調函數等基礎知識的講解。
不同于其他書籍，本書更加以讀者的需求為導向。在編寫過程中，作者根據原在線教程動手學ROS 2的讀者反饋，對本書內容進行了大量的打磨。針對很多ROS 2 初學者容易受阻的編程，本書在前面幾章穿插介紹了Linux和Git等知識；針對很多小伙伴反饋學完ROS 2不知道怎么用，本書加入了大量實踐環節，例如，結合ROS 2 實現語音合成、人臉識別和界面繪制等，讓讀者可以真正學以致用；針對需要仿真的小伙伴，本書著重介紹了ROS 2仿真建模的過程，同時結合仿真介紹了ros2_control 的使用；針對對實體機器人硬件開發感興趣的小伙伴，本書引入了micro-ROS 框架，從零介紹了實體機器人的軟件開發流程；針對需要深入使用ROS 2 的小伙伴，本書在最后一章深入探討了ROS 2 進階相關知識，讓你可以輕松地在實際項目中使用ROS 2。
前 言
為什么寫這本書
大家好，我是本書的作者小魚。我在學生時代就開始接觸并使用ROS，隨后參加工作，在工作中又進一步使用ROS進行機器人開發。2020年一個偶然的機會，公司安排我來調查ROS的缺陷，以及替代方案，就在那時我被ROS 2的強大功能所吸引，為其提供的機器人開發工具而興奮，于是開始學習ROS 2。
在后續的學習和使用過程中，我深感ROS 2的中文資料少之又少，于是在2021年7月發起了魚香ROS社區，開始分享機器人和ROS 2的相關知識。在學習ROS 2的過程中，我深知動手實踐的重要性，就發布了動手學ROS 2一系列在線教程，希望讀者可以通過動手實踐來掌握 ROS 2，同年又與睿慕課合作發布了相應的視頻教程。
隨著學習動手學ROS 2課程的小伙伴越來越多，我收到了大量的反饋，通過反饋深知初學者入門ROS 2和機器人開發的困難，以及動手學ROS 2系列課程的不足之處。恰逢此時，編輯找到我，我們一拍即合，打算從ROS 2入門角度出發寫一本書，帶領讀者通過學習ROS 2來入門機器人系統開發。所以在本書中，不僅有ROS 2的基礎知識、機器人建模和仿真知識、還有從零實現一個真實機器人系統的開發教程。
本書主要內容
本書的內容按照知識結構可以分為五個部分。
第一部分對應第1～5章，主要講解ROS 2的基礎軟件庫和工具集的使用，通過該部分的學習，可以讓你快速掌握ROS 2的核心部分。
第二部分對應第6章，主要結合ROS 2常用的建模工具，從零創建一個移動機器人模型，然后在仿真工具中完成模型仿真，同時結合仿真機器人講解ros2_control開源框架。
第三部分對應第7章和第8章，主要介紹基于ROS 2的導航框架Navigation 2，同時在第6章仿真移動機器人的基礎上實現導航，最后在第8章介紹如何在Navigation 2中部署測試自定義的規劃算法和控制算法。
第四部分對應第9章，主要講解如何搭建一個實體機器人，著重介紹移動機器人控制系統實現和使用micro-ROS接入ROS 2，最后介紹實體機器人的建圖和導航實現方法。
第五部分對應第10章，主要介紹ROS 2進階相關知識，包括服務質量QoS、執行器和回調組、生命周期節點、消息過濾器和ROS 2中間件DDS的進階使用。
本書的目標讀者
對于非機器人行業中對機器人感興趣并且想要入門機器人開發的讀者，本書穿插講解了學習ROS 2所需的Linux和編程的基礎知識，讓基礎薄弱的讀者也可以輕松學習。
對于機器人從業者，不僅可以從本書中學習到ROS 2的基礎知識，還可以通過本書深入學習ROS 2，并將其應用到實際工程中。
對于機器人相關專業的高校師生，本書中每一章都涉及大量的動手實踐環節，可以把本書當作機器人操作系統的學習實驗教材。
對于那些對機器人感興趣的讀者，可以通過本書學習如何制作屬于自己的仿真和實體移動機器人，并在此基礎上實現自主移動導航。
本書特色
不同于其他書籍，本書更加以讀者的需求為導向。在編寫過程中，我根據原在線教程動手學ROS 2的讀者反饋，對本書內容進行了大量的打磨。針對很多ROS 2初學者容易受阻的編程，本書在前面幾章穿插介紹了Linux和Git等知識；針對很多小伙伴反饋學完ROS 2不知道怎么用，本書加入了大量實踐環節，例如，結合ROS 2實現語音合成、人臉識別和界面繪制等，讓讀者可以真正學以致用；針對需要仿真的小伙伴，本書著重介紹了ROS 2仿真建模的過程，同時結合仿真介紹了ros2_control的使用；針對對實體機器人硬件開發感興趣的小伙伴，本書引入了micro-ROS框架，從零介紹了實體機器人的軟件開發流程；針對需要深入使用ROS 2的小伙伴，本書在最后一章深入探討了ROS 2進階相關知識，讓你可以輕松地在實際項目中使用ROS 2。
閱讀指南和配套資源
本書用到的部分開源庫托管到了GitHub，讀者在學習過程中如遇到網絡問題，可以使用本書提供的專用代理工具，工具地址為http://github.fishros.org。在本書的代碼塊中，以$ 開頭表示命令行，使用---分割命令和執行結果，對于非命令行的代碼塊，粗體部分表示重點更新，...表示被省略掉的不重要代碼。
本書提供了大量的配套資源，如配套視頻、ROS 2中文文檔、官方資料網站等，這些都統一放到了本書的交流社區：https://fishros.org.cn。ROS如此璀璨，本人自知才疏學淺，本書難免有錯誤和不足之處，讀者可以在社區中提出，除此之外，若在學習過程中遇到相關問題，也可以通過社區和我交流。
很多小伙伴都是從公眾號魚香ROS開始認識我的，小魚每天都會在公眾號分享機器人和 ROS 2相關的文章。因為篇幅所限，本書中刪減掉的內容都會以文章的形式在公眾號中發表，歡迎訂閱獲取。
致謝
本書能夠編寫完成和出版，最要感謝的是廣大魚粉對我的支持，沒有你們的反饋和鼓勵，我很難將本書完成。其次要感謝的是一直站在我身邊的家人，感謝來自父親、母親和姐姐的鞭策，感謝幫助我整理稿件的魚嫂馬靖雯（也是本書的第一個讀者）的無條件支持。還要感謝在我的成長路上提供很大幫助的老師，他們是高中時期帶我學習編程和參加比賽的老師趙言言、大學時期的老師殷華博士、工作時的導師陳養斌博士，以及趙洋、蘇琦、曾凡國、覃建州等為我提供過幫助的老師。同時感謝機械工業出版社對本書的大力支持。最后要感謝的是機器人和ROS生態的前行者和趕路人，他們是張新宇教授、胡春旭老師、張瑞雷老師、金海華、張鵬、熊穎、侯燕青、李德永等。除此之外，還有很多和我一起交流成長和做出貢獻的愛好者、開發者和教育者，此處無法一一列舉，但我都感恩
在心。
小魚
2024年1月于廣東廣州
桑欣
魚香ROS機器人社區（公眾號、B站、知乎）發起人，一鍵安裝ROS等機器人開源庫作者，擁有多年機器人與自動化開發經驗。他在網上發布有動手學ROS2等機器人教程，還制作了開源機器人FishBot，獲得了廣大機器人愛好者的一致好評，深受機器人開發者的喜愛。
目 錄 Contents
推薦序一
推薦序二
前言
第1章 啟程讓你的第一個
機器人動起來 1
1.1 ROS部落的自我介紹 1
1.1.1 機器人與ROS 2
1.1.2 ROS 2系統架構 3
1.1.3 ROS 2的已發布版本 4
1.1.4 ROS 2機器人開發特色 4
1.2 開發環境搭建 5
1.2.1 準備所需軟件 6
1.2.2 安裝虛擬機VirtualBox 6
1.2.3 在虛擬機中安裝
Ubuntu 22.04 7
1.2.4 安裝ROS 2 11
1.3 運行你的第一個機器人 14
1.3.1 啟動海龜模擬器 14
1.3.2 使用鍵盤控制海龜 15
1.3.3 海龜例子的簡單分析 16
1.4 ROS 2基礎之Linux 17
1.4.1 Linux終端基礎操作 17
1.4.2 在Linux中安裝軟件 20
1.4.3 在Linux中編寫Python
程序 23
1.4.4 在Linux中編寫C 程序 26
1.4.5 Linux基礎之環境變量 28
1.5 小結與點評 29
第2章 ROS 2基礎入門
從第一個節點開始 30
2.1 編寫你的第一個節點 30
2.1.1 Python示例 30
2.1.2 C 示例 33
2.2 使用功能包組織Python節點 37
2.2.1 在功能包中編寫Python
節點 37
2.2.2 功能包結構分析 40
2.3 使用功能包組織C 節點 41
2.3.1 在功能包中編寫C 節點 41
2.3.2 功能包結構分析 44
2.4 多功能包的最佳實踐Workspace 44
2.5 ROS 2基礎之編程 46
2.5.1 面向對象編程 46
2.5.2 用得到的C 新特性 53
2.5.3 多線程與回調函數 58
2.6 小結與點評 62
第3章 訂閱和發布話題通信
探索 63
3.1 話題通信介紹 63
3.2 Python話題訂閱與發布 66
3.2.1 通過話題發布小說 66
3.2.2 訂閱小說并合成語音 69
3.3 C 話題訂閱與發布 71
3.3.1 發布速度控制海龜畫圓 71
3.3.2 訂閱Pose實現閉環控制 74
3.4 話題通信最佳實踐 77
3.4.1 完成工程架構設計 77
3.4.2 自定義通信接口 78
3.4.3 系統信息獲取與發布 81
3.4.4 在功能包中使用Qt 83
3.4.5 訂閱數據并用Qt顯示 84
3.5 ROS 2基礎之Git入門 87
3.5.1 新建代碼倉庫 87
3.5.2 學會提交代碼 88
3.5.3 學會使用Git忽略文件 90
3.6 小結與點評 90
第4章 服務和參數深入
ROS 2通信 92
4.1 服務與參數通信介紹 92
4.1.1 服務通信介紹 92
4.1.2 基于服務的參數通信 95
4.2 用Python服務通信實現人臉檢測 97
4.2.1 自定義服務接口 98
4.2.2 人臉檢測 100
4.2.3 人臉檢測服務實現 102
4.2.4 人臉檢測客戶端的實現 104
4.3 用C 服務通信做一個巡邏
海龜 106
4.3.1 自定義服務接口 107
4.3.2 服務端代碼實現 107
4.3.3 客戶端代碼實現 109
4.4 在Python節點中使用參數 111
4.4.1 參數聲明與設置 112
4.4.2 訂閱參數更新 113
4.4.3 修改其他節點的參數 114
4.5 在C 節點中使用參數 116
4.5.1 參數聲明與設置 117
4.5.2 接收參數事件 117
4.5.3 修改其他節點的參數 119
4.6 使用launch啟動腳本 121
4.6.1 使用launch啟動多個節點 121
4.6.2 使用launch傳遞參數 123
4.6.3 launch使用進階 124
4.7 小結與點評 126
第5章 ROS 2常用開發工具 127
5.1 坐標變換工具介紹 127
5.1.1 通過命令行使用TF 128
5.1.2 對TF 原理的簡單探究 131
5.2 Python中的手眼坐標變換 133
5.2.1 通過Python發布靜態TF 133
5.2.2 通過Python發布動態TF 136
5.2.3 通過Python查詢TF關系 137
5.3 C 中的地圖坐標系變換 139
5.3.1 通過C 發布靜態TF 139
5.3.2 通過C 發布動態TF 141
5.3.3 通過C 查詢TF關系 143
5.4 常用可視化工具rqt與RViz 145
5.4.1 GUI框架rqt 145
5.4.2 數據可視化工具RViz 147
5.5 數據記錄工具ros2 bag 149
5.6 ROS 2基礎之Git進階 153
5.6.1 查看修改內容 153
5.6.2 學會撤銷代碼 154
5.6.3 進階掌握Git分支 156
5.7 小結與點評 158
第6章 建模與仿真創建
自己的機器人 160
6.1 機器人建模與仿真概述 160
6.1.1 移動機器人的結構介紹 160
6.1.2 常用機器人仿真平臺 161
6.2 使用URDF創建機器人 162
6.2.1 幫機器人創建一個身體 162
6.2.2 在RViz中顯示機器人 165
6.2.3 使用Xacro簡化URDF 170
6.2.4 創建機器人及傳感器部件 173
6.2.5 完善機器人執行器部件 177
6.2.6 貼合地面，添加虛擬部件 179
6.3 添加物理屬性讓機器人更真實 180
6.3.1 為機器人部件添加碰撞
屬性 180
6.3.2 為機器人部件添加質量
與慣性 181
6.4 在Gazebo中完成機器人仿真 183
6.4.1 安裝與使用Gazebo構建
世界 184
6.4.2 在Gazebo中加載機器人
模型 189
6.4.3 使用Gazebo標簽擴展
URDF 191
6.4.4 使用兩輪差速插件控制
機器人 193
6.4.5 激光雷達傳感器仿真 197
6.4.6 慣性測量傳感器仿真 200
6.4.7 深度相機傳感器仿真 203
6.5 使用ros2_control驅動機器人 205
6.5.1 ros2_control介紹與安裝 205
6.5.2 使用Gazebo接入
ros2_control 209
6.5.3 使用關節狀態發布控制器 213
6.5.4 使用力控制器控制輪子 216
6.5.5 使用兩輪差速控制器控制
機器人 218
6.6 小結與點評 221
第7章 自主導航讓機器人
自己動起來 222
7.1 機器人導航介紹 222
7.1.1 同步定位與地圖構建 222
7.1.2 機器人導航 224
7.2 使用slam_toolbox完成建圖 225
7.2.1 構建第一張導航地圖 225
7.2.2 將地圖保存為文件 227
7.3 機器人導航框架Navigation 2 229
7.3.1 Navigation 2介紹與安裝 229
7.3.2 配置Navigation 2參數 231
7.3.3 編寫launch并啟動導航 232
7.3.4 進行單點與路點導航 234
7.3.5 導航過程中進行動態避障 236
7.3.6 優化導航速度和膨脹半徑 237
7.3.7 優化機器人到點精度 239
7.4 導航應用開發指南 240
7.4.1 使用話題初始化機器人
位姿 240
7.4.2 使用TF獲取機器人實時
位置 243
7.4.3 調用接口進行單點導航 244
7.4.4 使用接口完成路點導航 250
7.5 導航最佳實踐之做一個自動巡檢
機器人 253
7.5.1 完成機器人系統架構設計 253
7.5.2 編寫巡檢控制節點 253
7.5.3 添加語音播報功能 258
7.5.4 訂閱圖像并記錄 261
7.6 ROS 2基礎之Git倉庫托管 262
7.6.1 添加自描述文件 262
7.6.2 將代碼托管在Gitee 265
7.6.3 將代碼托管在GitHub 266
7.7 小結與點評 270
第8章 使用自己的規劃器和
控制器導航 271
8.1 掌握ROS 2插件機制 271
8.1.1 pluginlib介紹與安裝 271
8.1.2 定義插件抽象類 272
8.1.3 編寫并生成第一個插件 272
8.1.4 編寫插件測試程序 275
8.2 自定義導航規劃器 276
8.2.1 自定義規劃器介紹 276
8.2.2 搭建規劃器插件框架 279
8.2.3 實現自定義規劃算法 283
8.2.4 配置導航參數并測試 284
8.3 自定義導航控制器 286
8.3.1 自定義控制器介紹 286
8.3.2 搭建控制器插件框架 287
8.3.3 實現自定義控制算法 292
8.3.4 配置導航參數并測試 294
8.4 小結與點評 295
第9章 搭建一個實體移動
機器人 296
9.1 移動機器人系統設計 296
9.1.1 機器人傳感器 296
9.1.2 機器人執行器 297
9.1.3 機器人決策系統 298
9.2 單片機開發基礎 298
9.2.1 開發平臺介紹與安裝 298
9.2.2 第一個HelloWorld工程 301
9.2.3 使用代碼點亮LED燈 303
9.2.4 使用超聲波測量距離 304
9.2.5 使用開源庫驅動IMU 305
9.3 機器人控制系統的實現 306
9.3.1 使用開源庫驅動多路
電動機 307
9.3.2 電動機速度測量與轉換 308
9.3.3 使用PID控制輪子轉速 311
9.3.4 運動學正逆解的實現 315
9.3.5 機器人里程計計算 320
9.4 使用micro-ROS接入ROS 2 322
9.4.1 第一個節點 323
9.4.2 訂閱話題控制機器人 327
9.4.3 發布機器人里程計話題 329
9.5 移動機器人建圖與導航實現 333
9.5.1 驅動并顯示雷達點云 334
9.5.2 移動機器人的坐標系框架
介紹 337
9.5.3 準備機器人URDF 338
9.5.4 發布里程計TF 341
9.5.5 完成機器人建圖并保存
地圖 343
9.5.6 完成機器人導航 347
9.6 小結與點評 348
第10章 ROS 2使用進階 349
10.1 消息服務質量之QoS 349
10.1.1 QoS策略介紹 349
10.1.2 QoS的兼容性 352
10.1.3 Python QoS兼容性測試 353
10.1.4 C QoS兼容性測試 354
10.2 執行器與回調組 356
10.2.1 執行器與回調組介紹 356
10.2.2 在Python中使用回
調組 358
10.2.3 在C 中使用回調組 361
10.3 生命周期節點 364
10.3.1 生命周期節點介紹 364
10.3.2 在Python中編寫生命
周期節點 367
10.3.3 在C 中編寫生命周期
節點 369
10.4 同一進程組織多個節點 371
10.4.1 使用執行器組織多個
節點 371
10.4.2 使用組件運行組合
節點 375
10.4.3 編寫自己的組件 378
10.5 使用消息過濾器同步數據 380
10.5.1 消息過濾器介紹 380
10.5.2 在Python中同步傳感器
數據 380
10.5.3 在C 中同步傳感器
數據 381
10.6 DDS中間件進階 384
10.6.1 使用不同的DDS進行
通信 384
10.6.2 配置局域網通信 386
10.6.3 調整DDS配置 386
10.6.4 使用DDS共享內存 388
10.7 小結與點評 390
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