机器人操作系统（ROS）入门必备：机器人编程一学就会

本书是针对机器人操作系统（ROS）初学者的入门教程，从基础的如何安装ROS，到ROS的框架介绍和C/C++、Python编程基础概念介绍，直至完整搭建一个机器人项目，每一个部分都有详细的操作过程和相应实例代码，读者需要做的只是打开计算机并应用起来。

全书共分6章，分别为用于机器人的Ubuntu Linux、机器人编程的C++基础知识、机器人编程的Python基础、ROS概述、基于ROS编程、基于ROS的机器人项目。本书可供学习基于ROS的机器人编程的人员使用，也可作为高等院校相关专业学生的参考书。

序一

很高兴《机器人操作系统(ROS)入门必备—机器人编程一学就会》这本书即将出版，我也非常荣幸为该书作序。我在美国卡耐基梅隆大学机器人研究所读博士的时候，与本书的作者Lentin Joseph以及译者曾庆喜教授和朱德龙博士在一起工作过。在他们离开实验室之后，我们也一直保持交流，因此我也很愿意为推广该书尽绵薄之力。我记得当时和他们一起合作了无人机的自动导航项目，他们对机器人有着丰富的实际工程经验和高度的研究热情，给我留下了深刻的印象，他们在机器人领域的专业知识也为本书的翻译提供了科学的指导。

ROS经过十几年的发展，已经得到了极大的推广和应用，尤其是在学术界。卡耐基梅隆大学机器人研究所的大部分实验室都是基于ROS编程的，我现在所在的Facebook Reality Lab中，很多来自不同国家的研究人员也大多使用ROS编程。ROS简单的接口、良好的通用性和扩展性，可以很轻松地让不同专业、具有不同编程能力的人一起合作开发大型机器人项目。例如，无人车及无人机系统的定位、建图、导航、控制等模块之间的通信都可以通过ROS来实现。

本书简单介绍了C++面向对象编程和Python编程，详细讲解了ROS的框架和概念，并提供了实际的机器人案例分析，非常有助于机器人方向的初学者提高编程能力，从而快速参与并完成实际的科研项目。书中内容由浅入深，语言简单易懂，我看后也受益匪浅。

最后祝愿本书译者在机器人领域有更多研究成果，也祝愿本书读者从书中体会到机器人研究的乐趣。Facebook Reality Lab 杨士超 博士

于美国西雅图

序二

多年来我一直跟曾庆喜教授团队合作开发各种用途的机器人，深切体会到曾教授对机器人教育教学的极大热情。收到曾教授的邀请，为他的译著作序，我感到很荣幸。

经过十多年的发展，ROS已经得到了极大的推广和应用，由于其开源性以及友好的商用版权协议，大部分从事机器人研发的人员都在基于ROS开发机器人应用软件。ROS的通信机制及算法架构使所开发的代码很容易进行重用，大大地减少了重复劳动的时间消耗，势必会受到越来越多人的青睐。

多年前我学ROS的时候，没有合适的中文版教材，只能看外文书籍，而且在学习这些教材之前，既要求具备C++/Python的开发基础，又要求熟悉Linux开发环境，入门的门槛较高。为此，我只能通过逛社区、查维基百科等方法来理解ROS，走了很多弯路，前后花了近一年的时间来摸索基于ROS的开发方法，最终才将ROS应用到自己的机器人项目中。

在看了曾教授团队翻译的这本书后，我觉得这是一本非常适合初学者入门的图书。这本书从编程语言入门到系统架构的详细介绍，从理论基础到自己动手实践，从硬件架构到软件开发，涵盖了ROS学习过程中需要经历的各个方面，是ROS入门的必备书籍之一。我相信，通过阅读本书，读者可以很快地体验到ROS的乐趣。

最后，感谢曾教授团队为ROS推广所做出的努力，也希望越来越多的读者能够通过本书发现ROS世界的精彩。

罗普森机器人 技术总监胡义轩

译者序

当前，机器人的新技术、新产品大量涌现，成为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力，既为发展先进制造业提供了重要突破口，也为改善人们生活提供了有力支撑。

ROS是一个运行在Linux上的中间件，它能连接真正的操作系统和所写的程序。自2004年起，经过十几年的发展，ROS已成为主流的机器人操作系统。官方将ROS解释为框架、工具、功能和社区。ROS实际上相当于一个软件工具集，采用分布式架构，通信框架是其主要组成部分，可将多个单独设计的进程（节点）组合起来并同时运行。各节点可实现各种不同的功能，并通过ROS这一桥梁实现相互通信。这样的特点使其拓展性好，复用率高，极大地提高了庞大和冗杂的机器人设计过程的效率。ROS能给开发人员提供可视化界面工具，包含诸如Gazebo、Rviz等用于仿真和调试的基本工具，以及各种基础程序包（控制、路径、规划等），只需在其上设计所要实现的特殊功能的部分并将它们组合起来即可。

本书风格简洁，是针对ROS零基础读者的入门教程，从基础的如何安装ROS，到C/C++、Python编程基础概念，再到ROS的框架介绍，直至完整搭建一个机器人项目，每一个部分都有详细的操作过程和相应代码，对于初学者来说是一本不错的入门教材。

本书共分6章。第1章介绍了安装Ubuntu系统的方法,包括在VirtualBox虚拟机上安装和在实际的计算机上安装,同时还介绍了Ubuntu系统的基本使用方法和机器人编程中常用的shell命令。第2章介绍了机器人编程的C++编程基础知识,主要包括如何使用GCC编译器编译代码,并通过实例具体阐述了C++中面向对象(OOP)的概念。另外,第2章还描述了如何在Ubuntu中建立一个完整的C++工程,以及编译C++源代码。第3章介绍了Python编程语言的基础知识、Python解释器的使用、在Ubuntu中创建Python脚本并运行的方法,以及简要介绍了一些机器人编程中常用的Python库。第4章介绍了ROS系统的安装方法,还介绍了ROS架构及相关的概念和工具,并且通过两个ROS应用实例来演示常用的ROS操作,展示了Rviz和Rqt两个ROS可视化接口。第5章介绍了如何使用C++和Python进行ROS编程,包括创建工作空间和程序包、创建节点和启动文件,并在turtlesim中实现了一些有趣的应用。最后介绍了如何使用ROS在Arduino和树莓派等嵌入式开发板上编程。第6章结合前面几章所学的内容,介绍能够与ROS兼容的低成本差速驱动机器人,并编写ROS节点来控制机器人的移动和执行航位推算算法。在第6章中可以看到如何制作一个由ROS接口控制的机器人,并使用ROS对实际机器人进行开发和测试。

本书内容基于ROS Kinetic（2016）LTS版本，该版本的官方维护时间为5年，更多细节和文档可在其官方网站和GitHub上查询。

希望本书可以帮助有意学习机器人编程的读者。

感谢南京航空航天大学野外机器人实验室的吕查德、高唱、阚宇超、许诗曼、张润心、李心怡、徐子玥、卞尹蕾等同学在本书翻译和校对方面所做的大量工作。大家的共同努力才使得本书能够完美地呈现在读者面前。

由于译者时间和水平所限,书中难免存在错误及不妥之处,敬请广大读者批评指正。

序一

序二

译者序

第1章用于机器人的Ubuntu Linux

11从GNU/Linux入门

12安装Ubuntu

131Ubuntu文件系统

14shell命令入门

15本章小结

第2章机器人编程的C++基础知识

21C++入门

22在Ubuntu Linux中运行C/C++

23从实例中学习OOP概念

24建立一个C++工程

25本章小结

第3章机器人编程的Python基础

31开始使用Python

32Ubuntu/Linux中的Python

33本章小结

第4章ROS概述

41什么是机器人编程

42为什么机器人编程与众不同

43开始使用ROS

44本章小结

第5章基于ROS编程

51什么是使用ROS编程

52创建ROS工作空间和程序包

53使用ROS客户端库

54使用ROS对嵌入式板卡编程

55本章小结

第6章基于ROS的机器人项目

61从轮式机器人开始

62差速驱动机器人的运动学

63搭建机器人硬件

64使用URDF创建一个三维ROS模型

65编写机器人固件程序

66使用ROS对机器人编程

67最终运行

68本章小结