移動機器人原理與設計（簡體書）

《21世紀高等院校電氣工程與自動化規劃教材：移動機器人原理與設計》介紹了小型移動機器人的基礎理論、基本原理及結構。以“創意之星”機器人為例，對機器人中常用的傳感器、驅動裝置作了較為詳細的介紹。《21世紀高等院校電氣工程與自動化規劃教材：移動機器人原理與設計》給出了幾個設計實例，供讀者參考；對移動機器人定位導航技術也作了介紹；最後給出了實驗指導，以方便實踐教學。
全書由9章組成，分別介紹機器人的概述，移動機器人的運動機構，移動機器人的運動學原理，“創意之星”機器人的開發環境，移動機器人的驅動技術，幾種常用的傳感器、不確定性表示及特徵提取，移動機器人導航技術，關於多機器人系統的理論，最後介紹幾個設計實例。
《21世紀高等院校電氣工程與自動化規劃教材：移動機器人原理與設計》簡潔易懂、實踐性較強，可作為高等院校智能科學與技術、自動化、機電一體化、機械設計製造及自動化等相關專業的教材。

《21世紀高等院校電氣工程與自動化規劃教材:移動機器人原理與設計》簡潔易懂、實踐性較強，可作為高等院校智能科學與技術、自動化、機電一體化、機械設計制造及自動化等相關專業的教材。

第1章緒論
1.1引言
1.2機器人的分類與組成
1.3機器人的體系結構
1.3.1分層式體系結構（HierarchicalArchitecture）
1.3.2包容式體系結構（SubsumptionArchitecture）
1.3.3混合式體系結構
1.4移動機器人
1.5機器人競賽
1.5.1機器人足球比賽
1.5.2機器人滅火比賽
1.5.3國際機器人奧林匹克競賽
1.5.4FLL世錦賽
1.5.5中國教育機器人大賽
1.5.6中國機器人大賽暨RoboCup公開賽
習題

第2章移動機器人的運動機構
2.1腿足式機器人
2.1.1腿的數目
2.1.2腿的自由度
2.1.3穩定性
2.1.4步態規劃
2.1.5步態設計
2.2輪式移動機器人
2.2.1輪子的設計
2.2.2常見的輪式底盤結構及運動關係
2.2.3輪子和底盤結構選取的原則
習題

第3章移動機器人運動學
3.1運動學概述
3.2運動學模型的建立
3.2.1機器人的位置表示
3.2.2運動學模型
3.3運動學約束
3.3.1輪子運動學約束
3.3.2機器人運動學約束
3.4移動機器人的機動性
3.4.1活動性程度
3.4.2可操縱度
3.4.3機動性
3.5運動控制
3.5.1非完整約束和非完整系統
3.5.2移動機器人運動控制
3.5.3點鎮定舉例
習題

第4章移動機器人驅動
4.1直流電機及其控制、驅動技術
4.1.1直流電機
4.1.2直流電機驅動電路
4.1.3驅動示例
4.2步進電機及其控制、驅動技術
4.2.1步進電機工作原理
4.2.2步進電機驅動
4.3舵機及其驅動、控制技術
4.3.1舵機的工作原理
4.3.2CDS5500舵機
4.3.3舵機調試軟件RobotSevoTerminal
習題

第5章開發平臺
5.1硬件系統
5.1.1結構件
5.1.2控制器
5.1.3傳感器
5.1.4執行器
5.1.5下載調試器
5.2軟件環境
5.2.1NorthSTAR軟件簡介
5.2.2控件庫
5.2.3NorthSTAR軟件設計
習題

第6章移動機器人感知
6.1移動機器人的傳感器
6.1.1傳感器分類
6.1.2紅外傳感器
6.1.3超聲波傳感器
6.1.4圖像傳感器（攝像頭）
6.2不確定性的表示
6.2.1誤差的統計表示
6.2.2誤差的傳播
6.3特徵提取
6.3.1基於距離數據的特徵提取
6.3.2基於可視表像的特徵提取
習題

第7章移動機器人導航
7.1移動機器人定位
7.1.1定位的基本方法
7.1.2定位用的傳感器
7.1.3基於激光雷達的地圖匹配自定位
7.1.4基於視覺的運動目標跟蹤自定位
7.1.5衛星定位
7.2移動機器人導航技術
7.2.1傳統的導航方法
7.2.2智能導航方法
習題

第8章多機器人系統
8.1多機器人協作
8.1.1多機器人協作的方法
8.1.2多機器人協作的關鍵問題
8.2多機器人定位與建圖
8.2.1多機器人交替定位建圖方法
8.2.2基於柵格地圖的複雜環境建圖
8.2.3基於PF-EKF的相對觀測定位方法
8.2.4基於免疫機理的多機器人建圖方法
習題

第9章移動機器人設計開發實例
9.1滅火機器人
9.1.1課題背景
9.1.2模擬房子介紹
9.1.3系統總體設計
9.1.4硬件設計
9.1.5軟件流程
9.1.6系統調試
9.1.7實物圖
9.2擂臺機器人
9.2.1課題背景
9.2.2擂臺賽場地介紹
9.2.3系統總體設計
9.2.4硬件設計
9.2.5軟件設計
9.2.6系統調試
9.2.7實物圖
9.3吸塵機器人
9.3.1課題背景
9.3.2模擬房子介紹
9.3.3系統總體設計
9.3.4硬件設計
9.3.5軟件設計
9.3.6系統調試
9.3.7實物圖
習題

課程實驗
實驗一入門實驗
實驗二簡易機械臂
實驗三四輪車
實驗四機器龜
實驗五兩輪自平衡小車
實驗六語音問答實驗
實驗七畫圖機器人
參考文獻

運動目標跟蹤的一般處理過程是：先針對包含目標的運動圖像序列進行分析處理，確定運動目標在每幀圖像中的具體位置，然后實現運動目標運動軌跡的三維重建。常見的運動目標跟蹤方法有基于區域匹配的跟蹤、輪廓匹配跟蹤和特征匹配跟蹤。
7.1.5衛星定位
衛星定位是一種絕對定位方法，目前最常用的是GPS（Global Positioning System），即全球定位系統。GPS全球衛星定位系統由3部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設備部分。
GPS系統的空間部分由覆蓋全球的24顆人造衛星組成，分布在6個軌道面，軌道傾角為55°，每個軌道面有4顆衛星，可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，使衛星可以采集到該觀測點的經緯度和高度，從而實現導航、定位、授時等功能。
地面控制部分由一個主控站，5個全球監測站和3個地面控制站組成。監測站將取得的衛星觀測數據傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據，計算出衛星的軌道和時鐘參數，然后將結果送到地面控制站。地面控制站在每顆衛星運行至上空時，把這些導航數據及主控站指令發送給衛星。
用戶設備部分即GPS信號接收機，分為天線單元和接收單元兩部分，主要功能是捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，并跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后，就可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。
GPS定位導航的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據，計算出接收機的具體位置。衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。用戶到衛星的距離通過衛星信號傳播到用戶所經歷的時間乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距。GPS不斷發出導航信息，當用戶接受到導航信息時，提取出衛星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離，再利用信息中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處的位置，便可得知用戶在WGS—84大地坐標系中的位置、速度等信息。
移動機器人通過安裝衛星信號接收裝置，可以實現自身定位。
7.2移動機器人導航技術
移動機器人在運動過程中，通過自身傳感器系統來檢測、確定自身位置，即定位。通過連續的定位信息，可以得出機器人的運動軌跡，稱為航跡推測。航跡推測，是在給定初始位姿后，在運動過程中，移動機器人利用里程計、陀螺儀等傳感器對環境狀態進行測量，計算相對于初始位姿的變化量，進而確定當前的位姿。在短距離、短時問內，這種方法效果良好。航跡推測要用到機器人的運動學模型，大多數模型是基于二維平面的假設，與實際運行環境有一定的差距。近年來對復雜非結構三維環境下的運動研究多了起來。
對輪式機器人而言，最直接的航跡推測方法是通過測量輪子的角速度來計算機器人參考中心的運動速度和方向，從而推測其運動軌跡。推測中，要建立機器人運動機構的運動學模型。此模型在前面已經給出。