C++樹莓派機(jī)器人開發(fā)實戰(zhàn)指南

緒論    001
第1章  選擇并構(gòu)建一個機(jī)器人計算機(jī)  002
1.1  什么是樹莓派？  002
1.1.1　樹莓派和微控制器有什么區(qū)別呢？  003
1.1.2　樹莓派是機(jī)器人控制器的唯一選擇嗎？  003
1.1.3　難道樹莓派只是為學(xué)校、愛好者和玩具而設(shè)計的嗎？  003
1.2  樹莓派型號的概念和應(yīng)用以及為什么不是所有型號都能適合我們的需求  004
1.2.1　為什么樹莓派型號不能適合我們所有的目的?  004
1.2.2　樹莓派Zero型和樹莓派Zero W型  005
1.2.3　樹莓派2B型  006
1.2.4　樹莓派3B型——最好的選擇  006
1.2.5　樹莓派3B 型  007
1.2.6　樹莓派4代  007
1.3  操作系統(tǒng)的選擇  007
1.3.1　Raspbian  008
1.3.2　Ubuntu  008
1.4  操作系統(tǒng)的安裝和設(shè)置  009
1.4.1　在筆記本電腦或臺式電腦上安裝完整的Ubuntu桌面操作系統(tǒng)  010
1.4.2　在樹莓派上安裝Lubuntu系統(tǒng)  010
1.5  編程環(huán)境（IDE）的安裝和設(shè)置  013
1.5.1　在筆記本電腦或臺式電腦上安裝VS Code  013
1.5.2　在樹莓派上安裝Code::Blocks  014
1.6  總結(jié)  015
1.7  問題  015
第2章  GPIO硬件接口引腳的概述及使用  016
2.1  簡介  016
2.2  什么是GPIO引腳  016
2.3  GPIO到底是做什么的呢?  018
2.4  程序員的電子學(xué)  018
2.5  輸出數(shù)據(jù)的類型  021
2.6  輸入數(shù)據(jù)的類型   022
2.7  一些常見的電子硬件  024
2.7.1　面包板  024
2.7.2　作為輸出的GPIO引腳  027
2.7.3　兩種引腳編號系統(tǒng)  028
2.7.4　作為輸入的GPIO引腳  028
2.8  使用Ｃ 程序訪問樹莓派的GPIO  030
2.8.1　安裝PIGPIO  030
2.8.2　安裝和設(shè)置PIGPIO庫  031
2.8.3　確保Code::Blocks可以鏈接到PIGPIO  031
2.8.4　運(yùn)行PIGPIO程序  032
2.9  我們的第一個GPIO項目——hello_blink  032
2.10  控制數(shù)字輸出的數(shù)字輸入——hello_button  034
2.11  GPIO事件的回調(diào)函數(shù)  036
2.12  結(jié)論  038
第3章  機(jī)器人平臺  039
3.1  簡介  039
3.2  目標(biāo)  039
3.3  考慮機(jī)器人的尺寸大小和運(yùn)行環(huán)境  040
3.4  差速驅(qū)動與阿克曼（Ackerman）轉(zhuǎn)向的對比  041
3.4.1　差速驅(qū)動  042
3.4.2　阿克曼（Ackerman）轉(zhuǎn)向  042
3.5  現(xiàn)成的機(jī)器人平臺  042
3.5.1　大型的預(yù)搭建機(jī)器人  042
3.5.2　小型的預(yù)搭建機(jī)器人  043
3.6  自制機(jī)器人的技巧  044
3.6.1　搭建材料  045
3.6.2　電池  045
3.6.3　傳動系統(tǒng)  045
3.6.4　機(jī)器人零件來源  046
3.7  改裝掃地機(jī)器人或遙控車  047
3.7.1　帶有接口的掃地機(jī)器人  047
3.7.2　與Roomba機(jī)器人對接   048
3.7.3　喚醒你的Roomba機(jī)器人  051
3.7.4　不帶接口的掃地機(jī)器人  051
3.7.5　改裝遙控車和卡車  052
3.8  總結(jié)  053
3.9  問題  053
第4章  機(jī)器人電機(jī)類型和電機(jī)控制  054
4.1  簡介  054
4.2  目標(biāo)  054
4.3  電機(jī)的類型  055
4.3.1　交流（AC）電機(jī)與直流（DC）電機(jī)  055
4.3.2　有刷直流電機(jī)  056
4.3.3　伺服電機(jī)  056
4.3.4　步進(jìn)電機(jī)  057
4.3.5　無刷直流電機(jī)（又稱為BLDC）  058
4.4  晶體管和電機(jī)驅(qū)動器的介紹  058
4.4.1　最基本的控制：開/關(guān)  058
4.4.2　晶體管  059
4.5  脈沖寬度調(diào)制（PWM）  061
4.5.1　用PWM來創(chuàng)造模擬電壓  061
4.5.2　PWM作為控制信號  062
4.6  電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)控制器  063
4.6.1　電機(jī)驅(qū)動器  063
4.6.2　用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動器控制電機(jī)  065
4.7  電機(jī)控制器  067
4.8  結(jié)論  068
4.9  問題  068
4.10  挑戰(zhàn)  068
第5章  與傳感器和其他設(shè)備通信  069
5.1  簡介  069
5.2  目標(biāo)  069
5.3  二進(jìn)制（邏輯）信號  069
5.3.1　開關(guān)去抖動  070
5.3.2　輪式編碼器  071
5.3.3　來自模擬傳感器的二進(jìn)制信號  071
5.3.4　二進(jìn)制通信簡介  072
5.4  串行通信入門  072
5.4.1　UART串行通信  072
5.4.2　設(shè)置樹莓派并測試UART串行通信  073
5.4.3　修復(fù)打開串行端口時的錯誤  076
5.5  I2C通信入門  076
5.5.1　在樹莓派上設(shè)置和使用I2C設(shè)備  077
5.5.2　示例和測試程序：hello_i2c_lsm303   078
5.6  結(jié)論  081
5.7  問題  081
第6章  其他有用的硬件  082
6.1  簡介  082
6.2  目標(biāo)  082
6.3  電源  083
6.3.1　5V電源  083
6.3.2　可調(diào)電源  083
6.4  繼電器模塊  084
6.5  邏輯電平轉(zhuǎn)換器  084
6.6  FTDI芯片  085
6.7  Arduino微控制器  086
6.8  Digispark微控制器  086
6.9  總結(jié)  087
6.10  問題  087
第7章  添加計算機(jī)來控制機(jī)器人  088
7.1  簡介  088
7.2  結(jié)構(gòu)  088
7.3  目標(biāo)  089
7.4  步驟  089
7.4.1　安裝計算機(jī)并為其供電  089
7.4.2　將計算機(jī)與機(jī)器人的其他組件相連  090
7.5  結(jié)論  091
7.6  問題  092
第8章  機(jī)器人的控制策略  093
8.1  簡介  093
8.2  結(jié)構(gòu)  093
8.3  目標(biāo)  093
8.4  機(jī)器人控制：全局與局部  094
8.5  基本控制回路  095
8.5.1　觀察和比較    095
8.5.2　響應(yīng)  095
8.5.3　影響  096
8.6  開環(huán)控制器和閉環(huán)控制器  097
8.6.1　設(shè)計一個大局觀控制器（也稱為主控制器）  098
8.6.2　設(shè)計一個局部控制器(也稱為進(jìn)程控制器)  100
8.7  結(jié)論  104
8.8  問題  104
第9章  協(xié)調(diào)各個部件  105
9.1  簡介  105
9.2  結(jié)構(gòu)  105
9.3  目標(biāo)  106
9.4  什么是機(jī)器人操作系統(tǒng)？  106
9.5  ROS與編寫機(jī)器人控制軟件  106
9.6  ROS和商業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)  107
9.7  ROS的設(shè)置  107
9.7.1　在你筆記本電腦或臺式機(jī)上安裝ROS Melodic  108
9.7.2　在你的樹莓派3B上安裝ROS Kinetic  108
9.8  ROS概述和速成課程  110
9.9  一些有用的建議  115
9.10  創(chuàng)建和編寫ROS包和節(jié)點  116
9.10.1　ROS文件系統(tǒng)  116
9.10.2　創(chuàng)建ROS包  116
9.10.3　編寫ROS程序(節(jié)點)  117
9.10.4　下載、審閱和運(yùn)行章節(jié)下載程序  123
9.11  使用roslaunch和.launch來簡化工作  124
9.12  結(jié)論  124
9.13  問題  125
第10章  用于機(jī)器人導(dǎo)航的地圖構(gòu)建  126
10.1  簡介  126
10.2  目標(biāo)  127
10.3  角度、航向和距離等常規(guī)參數(shù)的規(guī)則  127
10.4  接收傳感器數(shù)據(jù)  128
10.5  占用柵格地圖（OGM）  129
10.6  用傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建占用柵格地圖（OGM）  131
10.6.1　標(biāo)記被占用的單元格  134
10.6.2　標(biāo)記空閑單元格  136
10.6.3　完成建圖  136
10.6.4　將地圖作為ROS消息發(fā)布  136
10.7  ROS中的變換  138
10.7.1　理解變換  138
10.7.2　ROS中如何使用變換  139
10.7.3　使用靜態(tài)變換發(fā)布器發(fā)布變換  140
10.7.4　用變換廣播器從節(jié)點向外發(fā)布變換  141
10.7.5　在節(jié)點中獲得轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)  142
10.7.6　從命令行查看變換數(shù)據(jù)  143
10.8  用Gmapping繪制地圖  143
10.8.1　Gmapping  143
10.8.2　下載Gmapping  144
10.8.3　運(yùn)行Gmapping和啟動文件中的參數(shù)  144
10.8.4　創(chuàng)建地圖的步驟  145
10.9  用Rviz實現(xiàn)地圖的可視化  146
10.10  保存地圖并在以后使用  147
10.10.1　保存地圖  147
10.10.2　加載先前保存的地圖  148
10.11  總結(jié)  148
10.12  問題  149
第11章  機(jī)器人跟蹤和定位  150
11.1  簡介  150
11.2  目標(biāo)  150
11.3  機(jī)器人位姿  151
11.3.1　將歐拉角轉(zhuǎn)換為四元數(shù)  152
11.3.2　將四元數(shù)轉(zhuǎn)換為歐拉角  153
11.4  里程計算和航跡推算  153
11.4.1　輪速計  154
11.4.2　計算每個輪子行駛的距離  156
11.4.3　計算機(jī)器人移動的總距離  157
11.4.4　計算航向角的變化  157
11.4.5　將機(jī)器人中的朝向變化添加到原來的朝向上  158
11.4.6　計算在x和y方向上移動的距離（也被叫作轉(zhuǎn)換）  158
11.4.7　將計算的距離添加到前一個姿態(tài)估計中  158
11.4.8　航位推測  159
11.5  在ROS中發(fā)布姿態(tài)數(shù)據(jù)  160
11.6  里程計數(shù)據(jù)變換發(fā)布  162
11.7  進(jìn)一步跟蹤和定位  164
11.8  基準(zhǔn)點  164
11.9  激光特征跟蹤和定位  165
11.10  GPS和GNSS  166
11.11  基于信標(biāo)的定位系統(tǒng)  166
11.12  總結(jié)  167
11.13  問題  167
第12章  自主運(yùn)動   168
12.1  簡介  168
12.2  目標(biāo)  168
12.3  ROS機(jī)器人運(yùn)動綜述  168
12.4  電機(jī)控制器——simple_diff_drive.cpp   169
12.4.1　simple_diff_drive電機(jī)控制器的代碼步驟  170
12.4.2　差動驅(qū)動電機(jī)控制器代碼概述  170
12.4.3　差動電機(jī)控制器代碼  171
12.5  驅(qū)動器控制器:simple_drive_controller.cpp  176
12.6  結(jié)論  180
12.7  問題  180
第13章  自主路徑規(guī)劃  181
13.1  簡介  181
13.2  目標(biāo)  181
13.3  路徑規(guī)劃方法與挑戰(zhàn)  181
13.3.1　挑戰(zhàn)  182
13.3.2　路徑規(guī)劃方法  182
13.4  障礙物膨脹  183
13.4.1　代價地圖  183
13.4.2　costmap_2d包  184
13.5  A*路徑規(guī)劃  186
13.5.1　A*是如何工作的  187
13.5.2　A*算法的步驟  189
13.5.3　完成A*程序  190
13.6  將A*程序?qū)懗蒖OS節(jié)點  194
13.6.1　標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容、輔助函數(shù)和main()  195
13.6.2　A*節(jié)點的核心:find_path()  203
13.7  結(jié)論  207
13.8  問題  208
第14章  里程計的輪式編碼器  209
14.1  簡介  209
14.2  目標(biāo)  209
14.3  輪式編碼器  209
14.4  光電編碼器  210
14.5  霍爾效應(yīng)編碼器  210
14.6  編碼器的接線  211
14.7  編碼器tick信號發(fā)布——tick_publisher.cpp  212
14.8  結(jié)論  216
14.9  問題  216
第15章  超聲波測距儀  217
15.1  簡介  217
15.2  目標(biāo)  217
15.3  HC-SR04超聲波測距傳感器基礎(chǔ)知識  218
15.4  HC-SR04的接線  218
15.5  超聲波范圍數(shù)據(jù)發(fā)布器——ultrasonic_publisher. cpp  219
15.5.1　超聲波范圍數(shù)據(jù)發(fā)布者步驟  219
15.5.2　超聲波范圍數(shù)據(jù)發(fā)布者代碼  220
15.6  用于物體探測的超聲波范圍數(shù)據(jù)  222
15.7  結(jié)論  223
15.8  問題  223
第16章  慣性測量單元——加速度計，陀螺儀和磁力計  224
16.1  簡介  224
16.2  目標(biāo)  225
16.3  加速度計  225
16.3.1　加速度計的缺點  226
16.3.2　在ROS中發(fā)布IMU數(shù)據(jù)  226
16.3.3　ROS中sensor_msgs::Imu數(shù)據(jù)類型  226
16.3.4　IMU消息發(fā)布者代碼  228
16.4  陀螺儀  230
16.4.1　陀螺儀的缺點  231
16.4.2　向IMU節(jié)點添加陀螺儀數(shù)據(jù)  231
16.5  磁力計  232
16.5.1　磁力計的缺點  232
16.5.2　向IMU節(jié)點添加磁力計數(shù)據(jù)  232
16.6  安裝IMU  234
16.7  總結(jié)  234
16.8  問題  234
第17章  GPS和外部信標(biāo)系統(tǒng)   235
17.1  簡介  235
17.2  目標(biāo)  235
17.3  信標(biāo)系統(tǒng)是如何工作的  236
17.4  GPS和GNSS基礎(chǔ)知識  237
17.5  2cm精度級的GPS/GNSS-RTK  238
17.6  GPS/GNSS的局限性  239
17.7  GPS/GNSS數(shù)據(jù)格式  240
17.7.1　NMEA 數(shù)據(jù)字符串  240
17.7.2　一些關(guān)鍵的緯度/經(jīng)度數(shù)據(jù)表示法  241
17.8  在ROS中發(fā)布GPS/GNSS數(shù)據(jù)  242
17.8.1　ROS軟件包：nmea_navsat_driver  242
17.8.2　安裝 nmea_navsat_driver包  243
17.8.3　閱讀ROS軟件包說明  243
17.8.4　運(yùn)行帶參數(shù)的nmea_serial_driver節(jié)點  244
17.9  總結(jié)  245
17.10  問題  245
第18章  激光雷達(dá)設(shè)備和數(shù)據(jù)  246
18.1  簡介  246
18.2  目標(biāo)  246
18.3  激光雷達(dá)基礎(chǔ)知識  247
18.4  激光雷達(dá)的局限性  247
18.5  激光雷達(dá)的種類  248
18.5.1　單向（單點）激光雷達(dá)  248
18.5.2　2D激光雷達(dá)  248
18.5.3　3D激光雷達(dá)  249
18.5.4　從機(jī)器人吸塵器中獲得激光雷達(dá)  249
18.6  選擇激光雷達(dá)考慮的因素  250
18.7  激光雷達(dá)數(shù)據(jù)消息格式sensor_msgs:: LaserScan  251
18.8  激光雷達(dá)安裝注意事項  253
18.9  配置、運(yùn)行和測試一個普通的激光雷達(dá)裝置  254
18.10  LaserScan信息的可視化  255
18.11  總結(jié)  258
18.12  問題  258
第19章  相機(jī)的實時視覺  259
19.1  簡介  259
19.2  目標(biāo)  259
19.3  圖像是什么  260
19.3.1　圖像屬性  260
19.3.2　像素坐標(biāo)系  261
19.3.3　檢查并安裝所需軟件  261
19.3.4　ROS Kinetic  262
19.3.5　ROS Melodic  262
19.3.6　在ROS中測試OpenCV  263
19.4  圖像處理軟件（OpenCV）和ROS  264
19.4.1　步驟1：在ROS上發(fā)布圖片  264
19.4.2　安裝usb_cam_node  265
19.4.3　運(yùn)行usb_cam_node  265
19.4.4　測試相機(jī)輸出  266
19.4.5　步驟2：在其他節(jié)點訂閱圖片  267
19.4.6　創(chuàng)建你的ROS視覺包  267
19.4.7　編寫圖像消息訂閱者  268
19.4.8　步驟3：使用cv-bridge將ROS使用的RGB圖像轉(zhuǎn)化成OpenCV可處理的BGR圖像  269
19.4.9　步驟4：對圖像實施希望的操作  269
19.4.10　步驟5：發(fā)布任何非圖像數(shù)據(jù)作為自身的ROS信息  270
19.4.11　步驟6：將處理后的圖像轉(zhuǎn)化回RGB格式  270
19.4.12　步驟7：在所屬話題下發(fā)布結(jié)果圖像  270
19.4.13　更多圖片處理基礎(chǔ)  271
19.4.14　核算子、孔徑與塊  271
19.5  使用圖片副本而不是原圖像的重要性  272
19.5.1　關(guān)于光照的問題  272
19.5.2　重新審視步驟4——更多可能的OpenCV操作  272
19.5.3　圖片色彩格式轉(zhuǎn)換函數(shù)：cvtColor()  273
19.5.4　圖片濾波函數(shù)：blur(),medianBlur(),GaussianBlur()  273
19.5.5　圖片邊緣檢測函數(shù)：Canny()  274
19.6  將圖像上的邊緣變?yōu)閿?shù)字線條：HoughLinesP()  275
19.7  圖片顏色空間轉(zhuǎn)換函數(shù)：cvtColor()與inRange()  280
19.8  各式各樣有用的ROS工具  283
19.9  高級OpenCV與進(jìn)階  283
19.10  基于云的圖像識別  284
19.11  結(jié)論  284
19.12  問題  284
第20章  傳感器融合  285
20.1  簡介  285
20.2  目標(biāo)  285
20.3  如何讓傳感器融合變得簡單  286
20.4  博世BN0055絕對方向傳感器  286
20.5  改進(jìn)后的測距儀  287
20.6  集成BN0055——硬件和ROS發(fā)布者  288
20.7  整合BN0055——測距節(jié)點  289
20.7.1　第1步：訂閱IMU信息  289
20.7.2　第2步：確認(rèn)方向沒有被標(biāo)記為不使用  289
20.7.3　第3步：將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角  290
20.7.4　第4步：如果是第一個IMU 信息，則保存偏移信息  290
20.7.5　第5.1步：如果不是第一條IMU信息，則保存 IMU航向  291
20.7.6　第5.2步：將新的航向應(yīng)用于里程計中   291
20.8  第二代傳感器融合——一種更全面的方法  292
20.9  協(xié)方差矩陣  293
20.10  ROS信息中的協(xié)方差矩陣  295
20.11  robot_pose_ekf節(jié)點  296
20.11.1　安裝robot_pose_ekf  296
20.11.2　運(yùn)行robot_pose_ekf  296
20.12  關(guān)于變換和roslaunch的最后說明  298
20.13  結(jié)論  298
20.14  問題  298
第21章  構(gòu)建并完成一個自主的機(jī)器人的編程  299
21.1  簡介  299
21.2  目標(biāo)  300
21.3  第1部分——構(gòu)建物理機(jī)器人平臺  300
21.3.1　機(jī)器人平臺——總體概覽和零件清單  301
21.3.2　車輪/電機(jī)模塊  302
21.3.3　電機(jī)驅(qū)動器  303
21.3.4　輪轂  303
21.3.5　電池和充電器  303
21.3.6　底盤/底座  304
21.3.7　計算機(jī)  305
21.3.8　激光雷達(dá)或其他測距傳感器  305
21.3.9　輪式編碼器  306
21.3.10　IMU  306
21.3.11　計算機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換器  306
21.3.12　GPIO集線器分線板  307
21.3.13　相機(jī)  307
21.3.14　電壓表  307
21.3.15　其他材料  308
21.3.16　安裝機(jī)器人平臺  308
21.3.17　安裝輪轂?zāi)K和腳輪  310
21.3.18　安裝電機(jī)驅(qū)動器、端子排和計算機(jī)電源  311
21.3.19　準(zhǔn)備好GPIO分線板  311
21.3.20　安裝計算機(jī)、GPIO分線板和IMU  312
21.3.21　完成布線并安裝電池  312
21.3.22　安裝激光雷達(dá)和攝像頭  312
21.4  第1部分——結(jié)論  313
21.5  第2部分——為機(jī)器人編程  314
21.5.1　程序設(shè)計——總覽  314
21.5.2　為你的機(jī)器人編程——詳細(xì)步驟  315
21.5.3　運(yùn)行你的自主機(jī)器人！  324
21.5.4　一些故障排除提示  324
21.6  下一步需要是什么？  325
21.6.1　動態(tài)避障  325
21.6.2　PID控制器  326
21.6.3　一個主控制器，管理各種程序或任務(wù)  326
21.6.4　實現(xiàn)從地圖到地圖的轉(zhuǎn)換（完全定位）  326
21.6.5　請關(guān)注facebook.com/practicalrobotics和 youtube.com/practicalrobotics  326
21.7  結(jié)論  327