本书首先介绍GoPiGo3及其配备的传感器和执行器。然后，通过从零开始创建3D模型并使用Gazebo在ROS中运行模拟机器人来使用GoPiGo3的数字孪生模型。接下来展示如何使用GoPiGo3构建和运行一个了解周围环境的自主移动机器人。还探索了机器人如何学习尚未在代码中编程但通过观察其环境而获得的任务。本书甚至还涵盖深度学习和强化学习等主题。在本书的末尾，读者将熟悉在机器人技术中构建特定用途应用程序的基础知识，并具备从零起步开发高度智能自主机器人的能力。本书适合机器人技术人员和业余爱好者阅读。

ROS工程师经常面临使用机器人操作系统（ROS）基础设施并将物理机器人连接到机器人仿真系统的挑战。通过本书，读者将学习如何在虚拟环境中对机器人进行仿真并在等效的实际场景中实现所需的行为。
本书首先介绍GoPiGo3及其配备的传感器和执行器。然后，通过从零开始创建3D模型并使用Gazebo在ROS中运行仿真来使用GoPiGo3的数字孪生模型。接下来展示如何使用GoPiGo3构建和运行一个了解周围环境的自主移动机器人，探索机器人如何学习尚未在代码中编程但通过观察其环境而获得的任务。本书还涵盖诸如深度学习和强化学习之类的主题。
在本书的*后，读者将熟悉在机器人技术中构建专用应用程序的基础知识，并具备从零开发高度智能自主机器人的能力。
本书涵盖的主要内容：
?开发有环境感知能力的机器人。
?机器人在物理环境中的反应。
?将期望的行为分解为一系列机器人行动。
?将传感器数据与上下文相关联以产生自适应响应。
?应用强化学习让机器人通过反复试验进行学习。
?通过深度学习使机器人能够识别周围环境。

为什么要写一本关于如何使用ROS学习机器人技术的新书呢？其实，编程只是使用机器人进行工作的一小部分。如果你想真正成为擅长机器人技术的开发者，那么还需要其他领域的技能，如机电、机器人仿真、自主导航以及机器学习/强化学习等。这四个主题中的每一个都是组成机器人技术的基石，需要掌握它们才能获得完整的机器人技能。本书分为四部分，每个部分专门针对这些组成模块中的一个。
部分（第1～3章）侧重于机电，并讲解机器人硬件的每个组成部分，提供测试机器人所配备的每个传感器和执行器的实际演示。该部分可使你对移动机器人的工作原理有一个很好的了解。
第二部分（第4～5章）涉及机器人仿真。该部分介绍ROS并开发一个两轮机器人仿真，用其模拟实际机器人的物理属性和行为。该部分探讨数字孪生的概念，即虚拟机器人，它是物理机器人的孪生。这是开发机器人应用程序的基本部分，相比测试真实机器人硬件的相关成本，Gazebo免费且方便。数字孪生使我们能够加快开发过程并节省物理机器人在高级开发阶段的测试。
第三部分（第6～9章）重点介绍机器人导航（robot navigation），这是移动机器人常见的任务。该部分分别通过仿真和物理机器人的方式，基于实用项目讲解的算法和技术。
第四部分（第10～12章）着重于机器学习（machine learning）和强化学习（reinforcement learning），这是机器人研究和实际机器人应用中活跃的领域。通过使用该技术，机器人能够从纯粹的全自动转变成柔性的行为机器，包括每一个可能的行为或应答的程序，其中机器人能够通过一个巧妙的方法从数据中学习对环境要求的反应。该数据可以从机器人的先前经验中获得，也可以从类似机器人的经验中收集。
要构建的机器人应用程序，首先需要掌握这四个构建模块，然后组合它们，这就是所谓的智能机器人（smart robot）。这是你的任务，也是你的挑战。
目标读者
如果你是一名工程师，希望构建使用ROS和AI驱动的机器人，那么本书非常适合你。对于希望开发自定义ROS机器人项目的技术人员和业余爱好者而言，也可以在本书中发现对自己有用的资源。
内容提要
第1章提供书中内容所基于的移动机器人的关键概念和实际组装准则。我们将从务实的角度深入研究GoPiGo3的特性，使其成为学习机器人技术的理想且经济、高效的平台。通过组装GoPiGo3，你将获得处理机器人组件的手技能。
第2章提供GoPiGo3如何工作的实用解析。为此，引入了JupyterLab环境，它是一个友好的界面，采用了笔记本的结构，该笔记本的结构由人类可读的段落和Python代码片段组成。该章为每个测试程序生成两个版本：JupyterLab笔记本和纯Python脚本。使用这些编程工具，分别测试每个传感器、执行器，检查其是否正常工作，并了解其背后的技术。
第3章解释ROS的基本概念,使用易于理解的语言介绍ROS框架，避免非常技术性的描述因为我们的主要目标是从概念上准确地展示ROS的含义。在接下来的章节中，将提供深入的技术说明，以便终能够将ROS集成到项目中。
第4章介绍如何构建简单的两轮机器人，即GoPiGo3的数字孪生机器人。该模型以统一机器人描述格式（Unified Robot Description Format，URDF）编写，并使用RViz展示效果。RViz是一种提供可配置的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）的ROS工具，允许用户显示其所需要的特定信息，可用于全局机器人可视化以及在构建模型时调试特定功能。
第5章讲解如何将机器人的数字化定义（URDF文件）转为Gazebo的仿真环境，这由能够模拟逼真行为的物理引擎提供动力。你还将加深对检查和测试数字机器人的理解，确保其行为能很好地代表现实情况。
第6章介绍ROS中的命令行交互，以及ROS命令的类型。我们将探讨ROS中常用的通信模式，包括发布-订阅模型（publish-subscribe model）。为了处理所有的ROS数据，我们将介绍rqt，它简化了开发和调试应用程序的过程。此外，还引入了ROS参数，概述它们在高层管理机器人配置方面的功能。
第7章讲解如何使用GoPiGo3为真正的机器人设置ROS环境。我们从使用笔记本电脑键盘查看远程控制开始，然后进一步使用ROS主题等更技术性的方法。该章使你从基于键盘和主题的手动控制过渡到内部编程逻辑，以便机器人能够自主执行任务。
第8章探讨使用实际方法和GoPiGo3的数字孪生技术的同时定位和地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技术。阐述为什么在正确导航之前需要SLAM。该仿真将在ROS本机仿真工具Gazebo中运行，该工具拥有可显示逼真效果的物理引擎。
第9章通过GoPiGo3物理机器人将焦点转回现实世界。该章重点介绍在实际环境中面对机器人任务时出现的许多细节和实际问题。可以先进行仿真，但是只有通过在实际场景中执行任务，才能获得机器人可以按预期方式运行的真实证据。该章是你深入了解机器人导航的起点，并且如果你想研究这一领域，这对增加你的知识储备至关重要。
第10章通过温和的方式而非复杂的数学公式介绍机器人的机器学习主题，并把重点放在了解该领域的常用概念上，这将有

译者序
前言
作者简介
审校者简介
部分　物理机器人组装与测试
第1章　组装机器人 2
1.1GoPiGo3机器人介绍 2
1.1.1机器人技术角度 3
1.1.2编程角度 3
1.1.3机器人套件和资源 4
1.2熟悉嵌入式硬件 7
1.2.1GoPiGo3开发板 7
1.2.2Raspberry Pi 3B 9
1.2.3为什么机器人需要CPU 10
1.3深入理解机电 10
1.4整合到一起 17
1.5快速硬件测试 18
1.5.1资源 18
1.5.2DexterOS入门 19
1.5.3用Bloxter编程 20
1.5.4校准机器人 20
1.5.5驱动机器人 22
1.5.6检查传感器 22
1.5.7关闭机器人 23
1.6总结 23
1.7习题 24
1.8进一步阅读 24
第2章　GoPiGo3的组件测试 25
2.1技术要求 25
2.2Python和JupyterLab入门 25
2.2.1为GoPiGo3启动JupyterLab 26
2.2.2硬件测试 29
2.3传感器和驱动的组件测试 32
2.3.1快速入门传感器和电动机 32
2.3.2机器人漫游 32
2.3.3距离传感器 35
2.3.4伺服软件包 40
2.3.5巡线跟随器 42
2.3.6IMU 43
2.3.7Raspberry Pi 43
2.3.8GoPiGo3项目 45
2.4总结 46
2.5习题 46
2.6进一步阅读 47
第3章　ROS入门 48
3.1技术要求 48
3.2ROS基本概念 49
3.2.1ROS图 50
3.2.2roscore 51
3.2.3工作空间和catkin 51
3.3配置ROS开发环境 52
3.3.1安装ROS 52
3.3.2集成开发环境 55
3.4ROS节点之间的通信消息和主题 56
3.4.1创建工作空间 56
3.4.2设置ROS软件包 60
3.4.3发布主题的节点 62
3.4.4订阅主题的节点 65
3.4.5在同一节点中合并发布者和订阅者 67
3.5对ROS使用公开可用的软件包 69
3.6总结 69
3.7习题 70
3.8进一步阅读 70
第二部分　使用Gazebo进行
机器人仿真
第4章　创建虚拟两轮ROS机器人 72
4.1技术要求 72
4.2RViz机器人可视化入门 73
4.3使用URDF构建差动驱动机器人 74
4.3.1用于GoPiGo3的URDF概述 75
4.3.2机器人主体URDF 76
4.3.3左右轮的URDF模型 79
4.4使用RViz在ROS中查看GoPiGo3模型 81
4.4.1理解roslaunch命令 82
4.4.2通过RViz控制GoPiGo3机器人的车轮 84
4.5URDF模型中的机器人参考坐标系 86
4.6在构建时使用RViz查看模型 88
4.6.1在RViz窗口中更改模型的外观 88
4.6.2使用ROS工具进行检查 89
4.7总结 90
4.8习题 90
4.9进一步阅读 91
第5章　使用Gazebo进行机器人行为仿真 92
5.1技术要求 92
5.2Gazebo仿真器入门 93
5.3修改机器人URDF 96
5.3.1扩展URDF以生成SDF机器人定义 97
5.3.2碰撞和物理性质 97
5.3.3Gazebo标签 99
5.4验证Gazebo模型并查看URDF 99
5.5移动模型 102
5.6总结 105
5.7习题 105
5.8进一步阅读 106
第三部分　使用SLAM进行自主导航
第6章　在ROS中编程命令和工具 108
6.1技术要求 109
6.2设置物理机器人 109
6.2.1下载并设置Ubuntu Mate 18.04 109
6.2.2访问自定义 110
6.2.3设置VNC服务器（x11vnc） 110
6.2.4Geany IDE 112
6.2.5安装GoPiGo3和DI传感器的驱动程序 112
6.2.6设置Pi Camera 114
6.2.7安装ROS Melodic 115
6.3ROS编程快速入门 116
6.3.1设置工作空间 116
6.3.2克隆ROS软件包 117
6.3.3次执行ROS节点 117
6.4案例研究1：编写ROS距离传感器软件包 118
6.4.1创建一个新软件包 119
6.4.2编写自己的源代码 119
6.5使用ROS命令 125
6.5.1Shell命令 125
6.5.2执行命令 126
6.5.3信息命令 127
6.5.4软件包和catkin工作空间 128
6.6创建并运行发布者和订阅者节点 129
6.7使用roslaunch自动执行节点 131
6.8案例研究2：ROS GUI开发工具Pi Camera 133
6.8.1使用rqt_graph分析ROS图 134
6.8.2使用rqt_image_view显示图像数据 135
6.8.3用rqt_plot绘制传感器数据的时间序列 135
6.8.4使用rqt_bag播放录制的ROS会话 136
6.9使用ROS参数自定义机器人功能 138
6.10总结 140
6.11习题 140
6.12进一步阅读 141
第7章　机器人控制与仿真 142
7.1技术要求 142
7.2设置GoPiGo3开发环境 143
7.3案例研究3：使用键盘进行远程控制 146
7.3.1在机器人中运行gopigo3节点 146
7.3.2遥控软件包 149
7.3.3在笔记本电脑上运行远程操作 149
7.4使用ROS主题进行远程控制 151
7.4.1运动控制主题/cmd_vel 151
7.4.2使用/cmd_vel直接驱动GoPiGo3 152
7.4.3检查GoPiGo3的X、Y和Z轴 154
7.4.4组合运动 154
7.5远程控制物理和虚拟机器人 155
7.5.1将ROS主节点还原到本地计算机 155
7.5.2用Gazebo仿真GoPiGo3 156
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