基于ROS的智能机器人系统设计、仿真与实践研究

本书详细介绍了基于ROS的多场景机器人系统的设计与仿真技术,覆盖校园、室内、餐厅、管道、展馆等多元应用场景,融合物块堆叠、仓库搬运、智能车系统及混沌路径规划算法等核心内容。通过模块化设计、功能集成与仿真测试,实现机器人导航、交互、作业等关键功能,为多领域机器人产业化应用提供技术支撑。
全书共11章,各章围绕对应场景机器人的开发环境、模块设计、功能实现与仿真测试展开,系统阐述技术细节与验证过程。
本书可作为高等学校机器人工程、自动化、智能制造等相关专业的教材或教学参考书,也适合从事机器人研发、仿真技术研究的工程技术人员参考,助力读者掌握基于ROS的机器人系统设计与应用核心技能。

本书主要对基于ROS 的多场景机器人系统进行设计和仿真， 在校园、室内、餐厅、管道、展馆等场景中进行机器人开发， 同时包含物块堆叠、仓库搬运、智能车系统以及混沌路径规划算法等内容， 采用模块化设计、功能集成、仿真测试等方式， 实现各个机器人的导航、交互、作业等功能， 为多领域机器人的产业化应用提供技术支持。
具体内容安排如下：
第1章为绪论部分， 对机器人技术的研究背景及意义做了详细的论述， 总结了国内外机器人应用（巡逻、家庭服务、消杀、管道勘探等）、关键技术（机器视觉、混沌路径规划等） 的研究现状。
第2章为理论基础， 包括环境搭建和相关技术介绍。
第3章主要对基于ROS 的校园巡逻机器人进行设计和仿真。首先介绍相关开发环境和工具， 然后完成校园巡逻机器人模块设计、URDF 文件创建， 其次开发机器人功能模块， 包括Gmapping 建图功能、导航框架（全局、局部路径规划）、定点导航/多点巡航、目标识别功能，
最后在Gazebo 仿真环境中对建图、导航、目标识别功能进行测试。
第4章为基于ROS 的室内语音导航机器人设计与仿真。首先完成室内语音导航机器人系统的总体架构、模型设计和地图构建， 然后开发定位、导航、语音交互等功能模块， 最后用仿真软件测试室内多点导航和语音导航功能的可行性。
第5章以ROS 为基础进行餐厅消杀机器人的设计与仿真。首先确定系统总体方案， 进行ROS 和底层控制器的通信设计以及功能需求、性能指标分析， 然后完成消杀机器人URDF 模型、消杀装置、餐厅仿真环境、路径规划、单点导航、AMCL 定位、语音控制等模块的设计， 最后用Gazebo 仿真软件测试建图、语音控制定点运动、单点导航消杀等功能， 验证其有效性。
第6章研究用ROS 搭建的管道勘探机器人的设计及仿真。首先进行需求分析， 确定系统总体架构， 建立机器人和管道的模型以及仿真环境， 然后开发机器人运动、视觉数据采集、勘探等功能模块， 最后用仿真实验来验证机器人运动和管道勘探功能的可行性。
第7章研究用ROS 实现展馆领航机器人的设计和仿真。首先确定系统的开发目标和功能需求， 建立展馆环境和机器人模型， 然后开发机器人基本功能模块， 包括定位、人机交互、导航避障等， 最后对人机交互、定位导航功能进行测试验证。
第8章是用机器视觉技术来设计物块堆叠机器人系统。首先介绍相关技术理论， 规划堆叠机器人系统的实现流程， 搭建三轴运动平台， 然后开发相机、视觉处理、堆叠控制、用户界面等模块， 最后调试、测试各个模块的功能是否有效。
第9章以ROS 为基础进行仓库搬运机器人的设计与仿真。首先分析应用背景、功能需求和技术要求， 建立仓库搬运机器人模型和仓库环境， 然后开发导航、三维视觉等功能模块， 最后用激光雷达、地图构建、路径规划、货物标识识别、抓取等测试验证系统功能。
第10章为基于ROS 的智能车系统的设计与实现。首先介绍ROS 架构、基本概念和关键技术， 完成智能车底盘、硬件系统的设计， 然后开发出建图、导航、定位、锥筒定位等模块， 最后用硬件组装、地图构建、OpenCV 黄线识别、多点导航等方式来测试主要功能。
第11章研究基于混沌的全覆盖路径规划算法。首先介绍混沌系统构造， 完成机器人运动模型和混沌路径规划器的设计， 然后用仿真软件测试机器人运动、全覆盖路径规划算法的有效性， 同时验证其在安全通信中的应用可行性。
本书的编写得到了荆门市重点科技计划项目（项目编号： 2025YFZD022）、荆楚理工学院校级科研项目（项目编号： ZKZD2401）、教育部产学合作协同育人项目“机器人工程专业产教融合创新实践基地建设”（项目编号： 251006627131904） 的资助和支持， 在此一并表示感谢！
由于著者水平有限， 时间仓促， 疏漏之处在所难免， 望读者给予批评指正。

著者

第1章　绪论　∥　001
1.1　研究背景及意义 001
1.1.1 研究背景 001
1.1.2 研究意义 003
1.2　国内外研究现状 004
1.2.1 机器人应用研究现状 005
1.2.2 机器人关键技术发展及研究现状 008

第2章　理论基础　∥　010
2.1　开发环境 010
2.2　相关技术和开发软件介绍 010

第3章　基于ROS 的校园巡逻机器人设计与仿真　∥　014
3.1　引言 014
3.2　校园巡逻机器人系统设计 014
3.2.1 校园巡逻机器人模块设计 014
3.2.2 URDF文件 014
3.3　校园巡逻机器人导航功能设计 017
3.3.1 机器人功能模块 017
3.3.2 Gmapping功能 017
3.3.3 导航框架 017
3.3.4 全局路径规划 020
3.3.5 局部路径规划 020
3.3.6 定点导航和多点巡航 022
3.3.7 目标识别功能 023
3.4　Gazebo 仿真环境中巡逻机器人实验 024
3.4.1 Gmapping算法建图功能测试 024
3.4.2 导航功能和目标识别功能测试 025
3.5　小结 028

第4章　基于ROS 的室内语音导航机器人设计与仿真　∥　029
4.1　引言 029
4.2　室内语音导航机器人系统总体设计 029
4.2.1 系统总体架构 029
4.2.2 机器人模型设计 030
4.2.3 室内地图搭建 031
4.3　室内语音导航机器人系统主要功能模块设计 031
4.3.1 系统总体功能设计 031
4.3.2 定位功能模块设计 032
4.3.3 系统导航模块设计 033
4.3.4 语音交互功能模块设计 034
4.4　室内语音导航机器人系统仿真测试 035
4.4.1 室内多点导航的设置 035
4.4.2 室内语音导航测试 036
4.5　小结 038

第5章　基于ROS 的餐厅消杀机器人设计与仿真　∥　039
5.1　引言 039
5.2　餐厅消杀机器人系统总体设计 040
5.2.1 系统总体方案设计 040
5.2.2 ROS与底层控制器通信设计 041
5.2.3 系统总体设计流程图 041
5.3　餐厅消杀机器人系统模块设计 042
5.3.1 消杀机器人URDF模型设计 042
5.3.2 消杀装置设计 043
5.3.3 餐厅仿真环境设计 043
5.3.4 路径规划模块设计 044
5.3.5 单点导航模块设计 044
5.3.6 AMCL定位模块设计 045
5.3.7 语音控制模块设计 046
5.4　餐厅消杀机器人系统仿真测试实现 047
5.4.1 Gmapping算法建图功能测试 047
5.4.2 语音控制定点运动仿真测试 047
5.4.3 单点导航消杀仿真测试 050
5.5　小结 051

第6章　基于ROS 的管道勘探机器人设计与仿真　∥　052
6.1　引言 052
6.2　总体设计方案 052
6.2.1 需求分析 052
6.2.2 机器人设计分析 053
6.2.3 系统总体架构 053
6.3　管道勘探机器人建模与环境搭建 054
6.3.1 机器人模型建立 054
6.3.2 管道仿真模型建立 055
6.3.3 仿真环境选择 056
6.4　管道勘探机器人功能设计 056
6.4.1 机器人运动功能设计 056
6.4.2 视觉数据采集功能设计 056
6.4.3 勘探功能设计 057
6.5　机器人仿真实验 057
6.5.1 机器人运动仿真实验 057
6.5.2 管道勘探仿真实验 059
6.6　小结 059

第7章　基于ROS 的展馆领航机器人设计与仿真　∥　060
7.1　引言 060
7.2　领航机器人系统总体设计 061
7.3　领航机器人及展馆环境搭建 061
7.3.1 展馆环境搭建 061
7.3.2 机器人模型搭建 061
7.4　领航机器人系统主要功能模块设计 063
7.4.1 机器人基本功能模块 063
7.4.2 定位模块设计 063
7.4.3 人机交互模块设计 064
7.4.4 导航模块设计 065
7.4.5 避障模块设计 065
7.5　领航机器人系统实现 066
7.5.1 人机交互功能测试 066
7.5.2 定位导航功能测试 067
7.6　小结 070

第8章　基于机器视觉的物块堆叠机器人系统设计　∥　071
8.1　引言 071
8.2　堆叠机器人系统总体设计 071
8.2.1 堆叠机器人系统实现总流程 071
8.2.2 三轴运动平台机器人系统 072
8.3　堆叠机器人系统详细设计 073
8.3.1 相机模块 073
8.3.2 视觉处理模块 073
8.3.3 堆叠控制模块 074
8.3.4 用户界面模块 076
8.4　堆叠机器人系统功能调试 077
8.4.1 相机模块调试 077
8.4.2 视觉处理模块调试 079
8.4.3 堆叠模块调试 080
8.5　小结 081

第9章　基于ROS 的仓库搬运机器人设计与仿真　∥　082
9.1　引言 082
9.2　仓库搬运机器人模型及环境搭建 082
9.2.1 仓库搬运机器人模型搭建 082
9.2.2 仓库环境搭建 085
9.3　仓库搬运机器人功能设计 086
9.3.1 仓库搬运机器人总体设计框图 086
9.3.2 仓库搬运机器人导航功能设计 086
9.3.3 仓库搬运机器人三维视觉模块设计 087
9.4　仓库搬运机器人功能测试 089
9.4.1 激光雷达测试 089
9.4.2 仓库地图构建 089
9.4.3 机器人路径规划测试 091
9.4.4 定位功能测试 091
9.4.5 货物坐标识别测试 091
9.4.6 机器人抓取测试 093
9.4.7 脚本代码测试 093
9.5　小结 094

第10章　基于ROS 的智能车系统设计与实现　∥　095
10.1　引言 095
10.2　智能车结构与硬件设计 095
10.2.1 智能车底盘设计 095
10.2.2 智能车硬件系统设计 097
10.3　智能车基本功能模块 101
10.3.1 建图模块设计 101
10.3.2 导航模块设计 103
10.3.3 定位模块设计 104
10.3.4 锥筒定位模块设计 105
10.4　系统实现与测试 106
10.4.1 硬件组装 106
10.4.2 智能车地图搭建 107
10.4.3 OpenCV黄线识别 108
10.4.4 多点导航 109
10.5　小结 110

第11章　基于混沌的全覆盖路径规划算法研究　∥　112
11.1　引言 112
11.2　混沌系统的构造 112
11.2.1 Chua系统电路 112
11.2.2 忆阻混沌系统 114
11.3　机器人路径规划器设计 117
11.3.1 机器人运动模型 117
11.3.2 混沌机器人路径规划器的设计 118
11.3.3 镜像映射 120
11.3.4 覆盖率 122
11.4　仿真测试 123
11.4.1 机器人仿真模型搭建 123
11.4.2 MATLAB与ROS通信 124
11.4.3 ROS机器人Simulink模型 125
11.4.4 机器人全覆盖路径规划算法测试 128
11.5　小结 129

参考文献 130