C++树莓派机器人开发实战指南

绪论 001

第1章 选择并构建一个机器人计算机 002

1.1 什么是树莓派？ 002

1.1.1　树莓派和微控制器有什么区别呢？ 003

1.1.2　树莓派是机器人控制器的唯一选择吗？ 003

1.1.3　难道树莓派只是为学校、爱好者和玩具而设计的吗？ 003

1.2 树莓派型号的概念和应用以及为什么不是所有型号都能适合我们的需求 004

1.2.1　为什么树莓派型号不能适合我们所有的目的? 004

1.2.2　树莓派Zero型和树莓派Zero W型 005

1.2.3　树莓派2B型 006

1.2.4　树莓派3B型——最好的选择 006

1.2.5　树莓派3B 型 007

1.2.6　树莓派4代 007

1.3 操作系统的选择 007

1.3.1　Raspbian 008

1.3.2　Ubuntu 008

1.4 操作系统的安装和设置 009

1.4.1　在笔记本电脑或台式电脑上安装完整的Ubuntu桌面操作系统 010

1.4.2　在树莓派上安装Lubuntu系统 010

1.5 编程环境（IDE）的安装和设置 013

1.5.1　在笔记本电脑或台式电脑上安装VS Code 013

1.5.2　在树莓派上安装Code::Blocks 014

1.6 总结 015

1.7 问题 015

第2章 GPIO硬件接口引脚的概述及使用 016

2.1 简介 016

2.2 什么是GPIO引脚 016

2.3 GPIO到底是做什么的呢? 018

2.4 程序员的电子学 018

2.5 输出数据的类型 021

2.6 输入数据的类型 022

2.7 一些常见的电子硬件 024

2.7.1　面包板 024

2.7.2　作为输出的GPIO引脚 027

2.7.3　两种引脚编号系统 028

2.7.4　作为输入的GPIO引脚 028

2.8 使用Ｃ 程序访问树莓派的GPIO 030

2.8.1　安装PIGPIO 030

2.8.2　安装和设置PIGPIO库 031

2.8.3　确保Code::Blocks可以链接到PIGPIO 031

2.8.4　运行PIGPIO程序 032

2.9 我们的第一个GPIO项目——hello_blink 032

2.10 控制数字输出的数字输入——hello_button 034

2.11 GPIO事件的回调函数 036

2.12 结论 038

第3章 机器人平台 039

3.1 简介 039

3.2 目标 039

3.3 考虑机器人的尺寸大小和运行环境 040

3.4 差速驱动与阿克曼（Ackerman）转向的对比 041

3.4.1　差速驱动 042

3.4.2　阿克曼（Ackerman）转向 042

3.5 现成的机器人平台 042

3.5.1　大型的预搭建机器人 042

3.5.2　小型的预搭建机器人 043

3.6 自制机器人的技巧 044

3.6.1　搭建材料 045

3.6.2　电池 045

3.6.3　传动系统 045

3.6.4　机器人零件来源 046

3.7 改装扫地机器人或遥控车 047

3.7.1　带有接口的扫地机器人 047

3.7.2　与Roomba机器人对接 048

3.7.3　唤醒你的Roomba机器人 051

3.7.4　不带接口的扫地机器人 051

3.7.5　改装遥控车和卡车 052

3.8 总结 053

3.9 问题 053

第4章 机器人电机类型和电机控制 054

4.1 简介 054

4.2 目标 054

4.3 电机的类型 055

4.3.1　交流（AC）电机与直流（DC）电机 055

4.3.2　有刷直流电机 056

4.3.3　伺服电机 056

4.3.4　步进电机 057

4.3.5　无刷直流电机（又称为BLDC） 058

4.4 晶体管和电机驱动器的介绍 058

4.4.1　最基本的控制：开/关 058

4.4.2　晶体管 059

4.5 脉冲宽度调制（PWM） 061

4.5.1　用PWM来创造模拟电压 061

4.5.2　PWM作为控制信号 062

4.6 电机驱动器和电机控制器 063

4.6.1　电机驱动器 063

4.6.2　用L298N双H桥电机驱动器控制电机 065

4.7 电机控制器 067

4.8 结论 068

4.9 问题 068

4.10 挑战 068

第5章 与传感器和其他设备通信 069

5.1 简介 069

5.2 目标 069

5.3 二进制（逻辑）信号 069

5.3.1　开关去抖动 070

5.3.2　轮式编码器 071

5.3.3　来自模拟传感器的二进制信号 071

5.3.4　二进制通信简介 072

5.4 串行通信入门 072

5.4.1　UART串行通信 072

5.4.2　设置树莓派并测试UART串行通信 073

5.4.3　修复打开串行端口时的错误 076

5.5 I2C通信入门 076

5.5.1　在树莓派上设置和使用I2C设备 077

5.5.2　示例和测试程序：hello_i2c_lsm303 078

5.6 结论 081

5.7 问题 081

第6章 其他有用的硬件 082

6.1 简介 082

6.2 目标 082

6.3 电源 083

6.3.1　5V电源 083

6.3.2　可调电源 083

6.4 继电器模块 084

6.5 逻辑电平转换器 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 总结 087

6.10 问题 087

第7章 添加计算机来控制机器人 088

7.1 简介 088

7.2 结构 088

7.3 目标 089

7.4 步骤 089

7.4.1　安装计算机并为其供电 089

7.4.2　将计算机与机器人的其他组件相连 090

7.5 结论 091

7.6 问题 092

第8章 机器人的控制策略 093

8.1 简介 093

8.2 结构 093

8.3 目标 093

8.4 机器人控制：全局与局部 094

8.5 基本控制回路 095

8.5.1　观察和比较 095

8.5.2　响应 095

8.5.3　影响 096

8.6 开环控制器和闭环控制器 097

8.6.1　设计一个大局观控制器（也称为主控制器） 098

8.6.2　设计一个局部控制器(也称为进程控制器) 100

8.7 结论 104

8.8 问题 104

第9章 协调各个部件 105

9.1 简介 105

9.2 结构 105

9.3 目标 106

9.4 什么是机器人操作系统？ 106

9.5 ROS与编写机器人控制软件 106

9.6 ROS和商业机器人产业 107

9.7 ROS的设置 107

9.7.1　在你笔记本电脑或台式机上安装ROS Melodic 108

9.7.2　在你的树莓派3B上安装ROS Kinetic 108

9.8 ROS概述和速成课程 110

9.9 一些有用的建议 115

9.10 创建和编写ROS包和节点 116

9.10.1　ROS文件系统 116

9.10.2　创建ROS包 116

9.10.3　编写ROS程序(节点) 117

9.10.4　下载、审阅和运行章节下载程序 123

9.11 使用roslaunch和.launch来简化工作 124

9.12 结论 124

9.13 问题 125

第10章 用于机器人导航的地图构建 126

10.1 简介 126

10.2 目标 127

10.3 角度、航向和距离等常规参数的规则 127

10.4 接收传感器数据 128

10.5 占用栅格地图（OGM） 129

10.6 用传感器数据构建占用栅格地图（OGM） 131

10.6.1　标记被占用的单元格 134

10.6.2　标记空闲单元格 136

10.6.3　完成建图 136

10.6.4　将地图作为ROS消息发布 136

10.7 ROS中的变换 138

10.7.1　理解变换 138

10.7.2　ROS中如何使用变换 139

10.7.3　使用静态变换发布器发布变换 140

10.7.4　用变换广播器从节点向外发布变换 141

10.7.5　在节点中获得转换数据 142

10.7.6　从命令行查看变换数据 143

10.8 用Gmapping绘制地图 143

10.8.1　Gmapping 143

10.8.2　下载Gmapping 144

10.8.3　运行Gmapping和启动文件中的参数 144

10.8.4　创建地图的步骤 145

10.9 用Rviz实现地图的可视化 146

10.10 保存地图并在以后使用 147

10.10.1　保存地图 147

10.10.2　加载先前保存的地图 148

10.11 总结 148

10.12 问题 149

第11章 机器人跟踪和定位 150

11.1 简介 150

11.2 目标 150

11.3 机器人位姿 151

11.3.1　将欧拉角转换为四元数 152

11.3.2　将四元数转换为欧拉角 153

11.4 里程计算和航迹推算 153

11.4.1　轮速计 154

11.4.2　计算每个轮子行驶的距离 156

11.4.3　计算机器人移动的总距离 157

11.4.4　计算航向角的变化 157

11.4.5　将机器人中的朝向变化添加到原来的朝向上 158

11.4.6　计算在x和y方向上移动的距离（也被叫作转换） 158

11.4.7　将计算的距离添加到前一个姿态估计中 158

11.4.8　航位推测 159

11.5 在ROS中发布姿态数据 160

11.6 里程计数据变换发布 162

11.7 进一步跟踪和定位 164

11.8 基准点 164

11.9 激光特征跟踪和定位 165

11.10 GPS和GNSS 166

11.11 基于信标的定位系统 166

11.12 总结 167

11.13 问题 167

第12章 自主运动 168

12.1 简介 168

12.2 目标 168

12.3 ROS机器人运动综述 168

12.4 电机控制器——simple_diff_drive.cpp 169

12.4.1　simple_diff_drive电机控制器的代码步骤 170

12.4.2　差动驱动电机控制器代码概述 170

12.4.3　差动电机控制器代码 171

12.5 驱动器控制器:simple_drive_controller.cpp 176

12.6 结论 180

12.7 问题 180

第13章 自主路径规划 181

13.1 简介 181

13.2 目标 181

13.3 路径规划方法与挑战 181

13.3.1　挑战 182

13.3.2　路径规划方法 182

13.4 障碍物膨胀 183

13.4.1　代价地图 183

13.4.2　costmap_2d包 184

13.5 A*路径规划 186

13.5.1　A*是如何工作的 187

13.5.2　A*算法的步骤 189

13.5.3　完成A*程序 190

13.6 将A*程序写成ROS节点 194

13.6.1　标准内容、辅助函数和main() 195

13.6.2　A*节点的核心:find_path() 203

13.7 结论 207

13.8 问题 208

第14章 里程计的轮式编码器 209

14.1 简介 209

14.2 目标 209

14.3 轮式编码器 209

14.4 光电编码器 210

14.5 霍尔效应编码器 210

14.6 编码器的接线 211

14.7 编码器tick信号发布——tick_publisher.cpp 212

14.8 结论 216

14.9 问题 216

第15章 超声波测距仪 217

15.1 简介 217

15.2 目标 217

15.3 HC-SR04超声波测距传感器基础知识 218

15.4 HC-SR04的接线 218

15.5 超声波范围数据发布器——ultrasonic_publisher. cpp 219

15.5.1　超声波范围数据发布者步骤 219

15.5.2　超声波范围数据发布者代码 220

15.6 用于物体探测的超声波范围数据 222

15.7 结论 223

15.8 问题 223

第16章 惯性测量单元——加速度计，陀螺仪和磁力计 224

16.1 简介 224

16.2 目标 225

16.3 加速度计 225

16.3.1　加速度计的缺点 226

16.3.2　在ROS中发布IMU数据 226

16.3.3　ROS中sensor_msgs::Imu数据类型 226

16.3.4　IMU消息发布者代码 228

16.4 陀螺仪 230

16.4.1　陀螺仪的缺点 231

16.4.2　向IMU节点添加陀螺仪数据 231

16.5 磁力计 232

16.5.1　磁力计的缺点 232

16.5.2　向IMU节点添加磁力计数据 232

16.6 安装IMU 234

16.7 总结 234

16.8 问题 234

第17章 GPS和外部信标系统 235

17.1 简介 235

17.2 目标 235

17.3 信标系统是如何工作的 236

17.4 GPS和GNSS基础知识 237

17.5 2cm精度级的GPS/GNSS-RTK 238

17.6 GPS/GNSS的局限性 239

17.7 GPS/GNSS数据格式 240

17.7.1　NMEA 数据字符串 240

17.7.2　一些关键的纬度/经度数据表示法 241

17.8 在ROS中发布GPS/GNSS数据 242

17.8.1　ROS软件包：nmea_navsat_driver 242

17.8.2　安装 nmea_navsat_driver包 243

17.8.3　阅读ROS软件包说明 243

17.8.4　运行带参数的nmea_serial_driver节点 244

17.9 总结 245

17.10 问题 245

第18章 激光雷达设备和数据 246

18.1 简介 246

18.2 目标 246

18.3 激光雷达基础知识 247

18.4 激光雷达的局限性 247

18.5 激光雷达的种类 248

18.5.1　单向（单点）激光雷达 248

18.5.2　2D激光雷达 248

18.5.3　3D激光雷达 249

18.5.4　从机器人吸尘器中获得激光雷达 249

18.6 选择激光雷达考虑的因素 250

18.7 激光雷达数据消息格式sensor_msgs:: LaserScan 251

18.8 激光雷达安装注意事项 253

18.9 配置、运行和测试一个普通的激光雷达装置 254

18.10 LaserScan信息的可视化 255

18.11 总结 258

18.12 问题 258

第19章 相机的实时视觉 259

19.1 简介 259

19.2 目标 259

19.3 图像是什么 260

19.3.1　图像属性 260

19.3.2　像素坐标系 261

19.3.3　检查并安装所需软件 261

19.3.4　ROS Kinetic 262

19.3.5　ROS Melodic 262

19.3.6　在ROS中测试OpenCV 263

19.4 图像处理软件（OpenCV）和ROS 264

19.4.1　步骤1：在ROS上发布图片 264

19.4.2　安装usb_cam_node 265

19.4.3　运行usb_cam_node 265

19.4.4　测试相机输出 266

19.4.5　步骤2：在其他节点订阅图片 267

19.4.6　创建你的ROS视觉包 267

19.4.7　编写图像消息订阅者 268

19.4.8　步骤3：使用cv-bridge将ROS使用的RGB图像转化成OpenCV可处理的BGR图像 269

19.4.9　步骤4：对图像实施希望的操作 269

19.4.10　步骤5：发布任何非图像数据作为自身的ROS信息 270

19.4.11　步骤6：将处理后的图像转化回RGB格式 270

19.4.12　步骤7：在所属话题下发布结果图像 270

19.4.13　更多图片处理基础 271

19.4.14　核算子、孔径与块 271

19.5 使用图片副本而不是原图像的重要性 272

19.5.1　关于光照的问题 272

19.5.2　重新审视步骤4——更多可能的OpenCV操作 272

19.5.3　图片色彩格式转换函数：cvtColor() 273

19.5.4　图片滤波函数：blur(),medianBlur(),GaussianBlur() 273

19.5.5　图片边缘检测函数：Canny() 274

19.6 将图像上的边缘变为数字线条：HoughLinesP() 275

19.7 图片颜色空间转换函数：cvtColor()与inRange() 280

19.8 各式各样有用的ROS工具 283

19.9 高级OpenCV与进阶 283

19.10 基于云的图像识别 284

19.11 结论 284

19.12 问题 284

第20章 传感器融合 285

20.1 简介 285

20.2 目标 285

20.3 如何让传感器融合变得简单 286

20.4 博世BN0055绝对方向传感器 286

20.5 改进后的测距仪 287

20.6 集成BN0055——硬件和ROS发布者 288

20.7 整合BN0055——测距节点 289

20.7.1　第1步：订阅IMU信息 289

20.7.2　第2步：确认方向没有被标记为不使用 289

20.7.3　第3步：将四元数转换成欧拉角 290

20.7.4　第4步：如果是第一个IMU 信息，则保存偏移信息 290

20.7.5　第5.1步：如果不是第一条IMU信息，则保存 IMU航向 291

20.7.6　第5.2步：将新的航向应用于里程计中 291

20.8 第二代传感器融合——一种更全面的方法 292

20.9 协方差矩阵 293

20.10 ROS信息中的协方差矩阵 295

20.11 robot_pose_ekf节点 296

20.11.1　安装robot_pose_ekf 296

20.11.2　运行robot_pose_ekf 296

20.12 关于变换和roslaunch的最后说明 298

20.13 结论 298

20.14 问题 298

第21章 构建并完成一个自主的机器人的编程 299

21.1 简介 299

21.2 目标 300

21.3 第1部分——构建物理机器人平台 300

21.3.1　机器人平台——总体概览和零件清单 301

21.3.2　车轮/电机模块 302

21.3.3　电机驱动器 303

21.3.4　轮毂 303

21.3.5　电池和充电器 303

21.3.6　底盘/底座 304

21.3.7　计算机 305

21.3.8　激光雷达或其他测距传感器 305

21.3.9　轮式编码器 306

21.3.10　IMU 306

21.3.11　计算机的电压转换器 306

21.3.12　GPIO集线器分线板 307

21.3.13　相机 307

21.3.14　电压表 307

21.3.15　其他材料 308

21.3.16　安装机器人平台 308

21.3.17　安装轮毂模块和脚轮 310

21.3.18　安装电机驱动器、端子排和计算机电源 311

21.3.19　准备好GPIO分线板 311

21.3.20　安装计算机、GPIO分线板和IMU 312

21.3.21　完成布线并安装电池 312

21.3.22　安装激光雷达和摄像头 312

21.4 第1部分——结论 313

21.5 第2部分——为机器人编程 314

21.5.1　程序设计——总览 314

21.5.2　为你的机器人编程——详细步骤 315

21.5.3　运行你的自主机器人！ 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　动态避障 325

21.6.2　PID控制器 326

21.6.3　一个主控制器，管理各种程序或任务 326

21.6.4　实现从地图到地图的转换（完全定位） 326

21.6.5　请关注facebook.com/practicalrobotics和 youtube.com/practicalrobotics 326

21.7 结论 327