本书首先简要介绍了移动机器人的基本概念、发展历史与趋势；其次从总体设计的角度介绍了需求分析、系统设计、硬件实现、软件开发、测试与调试、交付与部署等移动机器人设计的一般流程；然后详细介绍了移动机器人的运动平台、硬件系统、操作系统、嵌入式软件架构、软件开发等软硬件设计；接着详细介绍了移动机器人通信与人机交互设计，包括应用层通信协议设计、常用人机交互技术、图形化人机交互界面设计，以及机器人智能感知系统设计，包括机器人常用传感器、机器人感知系统设计、机器人同步定位与建图算法设计、机器人目标识别算法设计等，还介绍了机器人运动规划与控制系统设计，包括路径/轨迹规划算法设计、路径/轨迹跟踪控制、未知环境自主探索算法设计等；最后给出了智能自主探测回收机器人、智能搜救机器人、排爆机器人三个典型移动机器人的系统设计案例。 本书内容软硬件结合，同时兼顾理论和实践，为了便于读者把理论应用到机器人设计实践，书中给出了丰富的设计示例和应用案例。通过对这些示例、案例的学习，读者能进一步深入理解理论知识，学以致用，提升根据不同的任务场景需求设计实现移动机器人系统的创新实践能力。 本书可作为普通高等院校机器人工程、自动化、人工智能、智能科学与技术、无人装备、无人系统等相关专业的教材，也可供广大从事移动机器人系统开发和维护的工程技术人员参考。 本书配有电子课件、程序代码等教学资源，欢迎选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册后下载。
本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。
随着现代科技尤其是人工智能技术的快速发展，移动机器人在未来的社会中将扮演越来越重要的角色，它们不仅能助力工业生产，实现高效率、高质量的制造，还能深入服务行业，满足人们对医疗、餐饮、物流和零售等方面日益增长的需求。在家庭环境中，机器人能提供陪伴、清洁和教育等服务，使生活更为便利。此外，机器人在医疗领域的应用，如手术机器人和康复机器人等，将为患者带来更好的医疗体验。简而言之，随着技术的进步，机器人将在更多领域发挥其独特优势，进入人类的生产和生活。 机器人技术发展、更新迅速，具备机器人研发领域专业知识和技能的人才供不应求，这也制约了机器人技术的进一步发展和应用，因此，培养机器人技术领域高素质专业化研发人才成为迫切需求。当前机器人应用主要集中在工业领域，随着制造业的转型升级和智能制造的推进，工业机器人市场呈现出快速增长的态势，另一重要的趋势是服务机器人正在从婴儿期逐渐走向成熟期，未来大量服务机器人将走进千家万户，因此对机器人开发和维护人才的需求将出现爆发式的增长，这也是编写本书的一个重要契机。 本书为培养机器人研发领域的高素质人才，提供了较全面深入的学习资源。本书结合和运用国防科技大学智能科学学院在智能移动机器人领域的丰硕研究成果，并将指导学生在国际国内相关高水平学术/学科竞赛中设计实现的优秀智能移动机器人系统等作为教学案例，系统地介绍了移动机器人的设计原理、技术实现和具体应用，致力于为读者设计与开发一套完整的移动机器人提供有益的参考和指导，提高其技术水平和创新实践能力，激发读者对机器人技术的兴趣，引领其探索这一领域的奥秘，以期通过培养更多具备专业知识和技能的研发人才，推动移动机器人技术的进步和发展。本书的特色是：从应用场景和需求视角切入，突出需求牵引性；涵盖知识点全面，突出设计系统性；引入人工智能与机器人技术相结合的最新进展，突出技术前沿性。 本书编者均为国防科技大学智能科学学院智能机器人技术团队教师，有多年的智能移动机器人理论研究、技术开发和教学经验，常年指导机器人世界杯、中国机器人大赛、国际无人系统创新挑战赛、RoboMaster机甲大师赛等高水平学科竞赛并取得了优异成绩，积累了丰富的理论和实践经验。其中卢惠民负责编写第1章、第2章、3.1节、7.2节、7.3节；曾志文负责编写3.2节、6.1节、6.2节；肖军浩负责编写3.3节、5.1节、5.2节；徐明负责编写3.4节、3.5节、4.1节、4.2节；于清华负责编写4.4节；郭瑞斌负责编写5.3节、5.4节；唐景昇负责编写4.3节；代维负责编写6.3节；黄开宏负责编写7.1节。全书的统稿工作由卢惠民完成。 由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。 编者
高等院校教师
前言第1章 移动机器人概述 11.1 移动机器人的基本概念 11.1.1 移动机器人的分类 11.1.2 移动机器人的基本组成 21.2 移动机器人的发展历史与趋势 81.2.1 移动机器人的发展历史简介 81.2.2 移动机器人的关键技术与发展趋势 10本章小结 11第2章 移动机器人设计的一般流程 122.1 需求分析 122.2 系统设计 142.3 硬件实现 172.4 软件开发 182.5 测试与调试 192.6 交付与部署 20本章小结 20第3章 移动机器人的软硬件设计 213.1 机器人典型运动平台设计 213.1.1 轮式运动平台设计 213.1.2 足式运动平台设计 243.1.3 履带式运动平台设计 253.2 机器人主要硬件系统组成 263.2.1 感知系统 263.2.2 控制系统 273.2.3 决策系统 273.2.4 执行机构 273.2.5 通信系统 283.3 机器人操作系统及应用 293.3.1 机器人操作系统简介 293.3.2 ROS的起源和发展 303.3.3 机器人操作系统的基本概念 303.3.4 机器人操作系统的文件系统 323.3.5 机器人操作系统的常用工具 333.3.6 机器人操作系统的发展趋势 363.4 移动机器人嵌入式软件架构设计 363.4.1 软硬件结合的嵌入式软件特点 363.4.2 软件架构设计 373.4.3 软件各层设计思路 373.5 移动机器人软件开发 383.5.1 移动机器人控制层软件总体设计 393.5.2 电动机控制模块软件设计 393.5.3 超声测距模块软件设计 423.5.4 遥控接收模块软件设计 44本章小结 44参考文献 44第4章 移动机器人通信与人机交互设计 464.1 网络与通信基础知识 464.1.1 计算机网络定义 464.1.2 网络分类 474.1.3 通信协议 484.1.4 网络设备 494.2 移动机器人应用层通信协议设计 504.2.1 帧格式定义 504.2.2 通信协议设计 514.3 常用人机交互技术 544.3.1 键盘、鼠标、手柄交互 554.3.2 体感交互 594.3.3 语音交互 634.3.4 眼动交互 674.3.5 脑机交互 694.4 图形化人机交互界面设计 754.4.1 设计需求分析 754.4.2 基于Qt的交互界面设计 764.4.3 基于RVIZ的交互界面设计 80本章小结 84参考文献 84第5章 机器人智能感知系统设计 865.1 机器人常用传感器 865.1.1 机器人的本体感知型传感器 885.1.2 机器人的测距传感器 935.1.3 机器人视觉感知 1005.2 机器人感知系统设计 1105.2.1 传感器选择 1105.2.2 感知算法设计 1115.2.3 世界模型的构建 1125.2.4 感知系统集成 1135.3 机器人同步定位与建图算法设计 1135.3.1 机器人状态估计方法 1145.3.2 机器人地图构建方法 1195.4 机器人目标识别算法设计 1215.4.1 支持向量机 1215.4.2 随机森林 1235.4.3 K最近邻算法 1255.4.4 贝叶斯分类器 1265.4.5 深度学习识别算法 128本章小结 131参考文献 131第6章 机器人运动规划与控制系统设计 1336.1 机器人路径/轨迹规划算法设计 1336.1.1 图搜索算法 1346.1.2 基于采样的路径规划算法 1386.1.3 考虑运动学约束的路径规划（Hybrid A*） 1436.1.4 局部路径规划—动态窗口法（DWA） 1466.1.5 局部路径规划—Time Elastic Band（TEB）规划器 1496.2 机器人路径/轨迹跟踪控制 1556.2.1 路径/轨迹跟踪介绍 1556.2.2 无模型控制方法 1566.2.3 模型预测控制算法 1616.3 机器人未知环境自主探索算法设计 1736.3.1 基于边界的自主探索算法 1736.3.2 基于概率采样的自主探索算法 1746.3.3 基于强化学习的自主探索算法 1766.3.4 基于贝叶斯网络的自主探索算法 1786.3.5 机器人未知环境自主探索算法设计示例 180本章小结 187参考文献 187第7章 典型移动机器人系统设计案例 1897.1 智能自主探测回收机器人系统设计案例 1897.1.1 案例背景与需求 1897.1.2 硬件系统设计 1907.1.3 软件系统设计 1927.2 智能搜救机器人系统设计案例 2007.2.1 整体设计 2017.2.2 主动式自稳的二维激光雷达同步定位与建图模块 2027.2.3 自主探索模块 2047.2.4 受困者检测与定位模块 2067.2.5 系统性能验证 2087.3 排爆机器人系统设计案例 2097.3.1 案例背景 2097.3.2 任务需求及应对方案 2097.3.3 硬件系统设计 2117.3.4 核心算法设计 2187.3.5 思想启示：模块化设计思想 221本章小结 222参考文献 223
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