機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐 - 習(xí)題及答案 第1-11章 機(jī)器人系統(tǒng)組成 - ROS 20介紹與編程基礎(chǔ)

第1章機(jī)器人系統(tǒng)組成

(1)城市場(chǎng)景下，交通工具常使用哪種移動(dòng)底盤驅(qū)動(dòng)方式，為什么

不使用全向驅(qū)動(dòng)方式？

答：在城市場(chǎng)景下，交通工具常使用的是后輪驅(qū)動(dòng)或前輪驅(qū)動(dòng)方式的移動(dòng)底

盤驅(qū)動(dòng)。這種選擇主要基于以下幾個(gè)原因：

1.車輛穩(wěn)定性：后輪驅(qū)動(dòng)或前輪驅(qū)動(dòng)方式可以提供更好的車輛穩(wěn)定性。在加

速時(shí)，后輪驅(qū)動(dòng)可以將動(dòng)力傳遞到后輪上，使重量分布更加均勻，降低車輛打滑

的風(fēng)險(xiǎn)；而前輪驅(qū)動(dòng)則使得車輛前部的重量更重，增加了前輪的抓地力。

2.成本和復(fù)雜度：后輪驅(qū)動(dòng)或前輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本較低。與

之相比，全向驅(qū)動(dòng)方式需要更復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，增加了生產(chǎn)和維護(hù)的

成本。在城市交通工具中，成本和可靠性往往是決策的重要考慮因素。

3.效率與能耗：后輪驅(qū)動(dòng)或前輪驅(qū)動(dòng)方式的移動(dòng)底盤在行駛中相對(duì)較為高

效。反向轉(zhuǎn)彎時(shí)，全向驅(qū)動(dòng)需要同時(shí)調(diào)整多個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并可能會(huì)引起能量損耗。

而后輪驅(qū)動(dòng)或前輪驅(qū)動(dòng)方式可以更有效地控制車輛的轉(zhuǎn)向和行進(jìn)方向。

(2)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件選型，一般從哪幾方面考慮？為什么？

答：在進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的硬件選型時(shí)，通常會(huì)考慮以下幾個(gè)方面：

1.功能需求：首先需要明確機(jī)器人系統(tǒng)的功能需求，包括所需的感知、運(yùn)動(dòng)、

處理和交互等能力。硬件選型應(yīng)能夠滿足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)這些功能的基本要求。

2.性能與精度：根據(jù)機(jī)器人的具體應(yīng)用場(chǎng)景，需要選擇適當(dāng)?shù)挠布?lái)實(shí)現(xiàn)所

需的性能和精度。例如，在工業(yè)機(jī)器人中，需要高精度的關(guān)節(jié)控制和執(zhí)行器，而

在移動(dòng)機(jī)器人中，需要具備較強(qiáng)的定位和導(dǎo)航能力。

3.可靠性與耐用性：機(jī)器人系統(tǒng)往往需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，因此硬件的可靠

性和耐用性也是重要考慮因素。選用質(zhì)量可靠的硬件材料和組件，可以提高機(jī)器

人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。

4.尺寸與重量：機(jī)器人系統(tǒng)的尺寸和重量對(duì)于其在目標(biāo)環(huán)境中的操作和移動(dòng)

能力有直接影響。需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景的空間限制和使用需求，選擇合適尺寸

和重量的硬件組件。

5.成本與可行性：硬件選型還需要考慮成本和可行性。需要在所給定的預(yù)算

范圍內(nèi)選擇合適的硬件，確保整體系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

(3)從控制的角度簡(jiǎn)述機(jī)器人系統(tǒng)的組成，以及各部分之間的關(guān)系。

答：機(jī)器人系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)主要組成部分構(gòu)成，并且各部分之間存在密

切的關(guān)系：

1.感知系統(tǒng)：感知系統(tǒng)用于獲取環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器可理解的數(shù)據(jù)。

這包括傳感器(如攝像頭、激光雷達(dá)、觸覺(jué)傳感器等)，用于檢測(cè)周圍的物體、障

礙物、距離、溫度等。

2.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)感知系統(tǒng)獲取的信息，做出決策并生成控制

指令，以實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)或行為?？刂葡到y(tǒng)通常由中央處理單元(CPU)或微控制

器、算法和控制器組成。

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

3.執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)器人進(jìn)行具體動(dòng)作的部分，包括電機(jī)、執(zhí)行器、

關(guān)節(jié)等。它們根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、抓取、操作等功能。

4.電源與供電系統(tǒng)：機(jī)器人需要電源來(lái)為各個(gè)組件提供能量，使其正常運(yùn)行。

電源與供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和提供適當(dāng)?shù)碾娏?yīng)，以滿足機(jī)器人各部分的能量需

求。

5.通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于機(jī)器人內(nèi)部各部分之間的數(shù)據(jù)傳輸

和交流，以及機(jī)器人與外部環(huán)境或操作者之間的信息交互。這包括有線或無(wú)線通

信設(shè)備、傳輸協(xié)議和接口。

這些部分相互之間存在密切的關(guān)系和協(xié)作：

-感知系統(tǒng)獲取環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)傳遞給控制系統(tǒng)。

-控制系統(tǒng)根據(jù)感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和處理，生成相應(yīng)的控制指令。

-執(zhí)行系統(tǒng)接收控制指令，并根據(jù)指令實(shí)施具體的動(dòng)作和行為。

-控制系統(tǒng)可能會(huì)根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更精確

的控制。

電源與供電系統(tǒng)為各個(gè)部分提供穩(wěn)定的電力支持，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)

行。

-通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各組件之間的數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)器人與外界的信息交

互。

通過(guò)這種緊密的組合和協(xié)調(diào)，機(jī)器人系統(tǒng)能夠感知環(huán)境、做出決策并執(zhí)行任

務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)特定的功能和目標(biāo)。

(4)簡(jiǎn)述機(jī)器人常使用的傳感器有哪些，它們各自的作用是什么。

答：機(jī)器人常使用的傳感器有多種類型，每種傳感器都有不同的作用。下面

是一些常見(jiàn)的機(jī)器人傳感器及其作用：

1.視覺(jué)傳感器：包括攝像頭和深度相機(jī)等。視覺(jué)傳感器用于獲取環(huán)境中的圖

像或視頻信息，可以用于目標(biāo)檢測(cè)、位姿估計(jì)、場(chǎng)景理解、導(dǎo)航和人機(jī)交互等。

2.激光雷達(dá)(LiDAR)：激光雷達(dá)利用激光束掃描周圍環(huán)境，并測(cè)量物體與機(jī)

器人之間的距離和空間信息。它常用于障礙物檢測(cè)與避障、建圖和定位導(dǎo)航等任

務(wù)。

3.距離傳感器：例如超聲波傳感器和紅外線傳感器。距離傳感器可以測(cè)量機(jī)

器人與物體之間的距離，常用于避障、邊緣檢測(cè)和接近物體等。

4.接觸力傳感器：接觸力傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人與物體之間的力的作用。它

可以檢測(cè)到接觸點(diǎn)的力和壓力分布，常用于機(jī)器人抓取、裝配和力控制等。

5.姿態(tài)傳感器：例如加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等。姿態(tài)傳感器可以測(cè)量機(jī)

器人的角度、方向和加速度等信息，用于姿態(tài)估計(jì)、姿態(tài)控制和姿勢(shì)識(shí)別。

6.溫度傳感器：溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境或機(jī)器人部件的溫度，可用于熱管

理、故障檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

7.聲音傳感器：聲音傳感器可以感知聲音信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。它常用于

語(yǔ)音識(shí)別、環(huán)境監(jiān)測(cè)和聲音定位等。

8.觸覺(jué)傳感器：例如力傳感器和壓力傳感器。觸覺(jué)傳感器用于檢測(cè)物體表面

的力、壓力和接觸質(zhì)量，可用于物體識(shí)別、撿取操作和力反饋控制等。

?9?

這些傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，通過(guò)獲取環(huán)境和自身狀態(tài)的信

息，使機(jī)器人能夠感知周圍環(huán)境、做出決策，并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)和行為。根據(jù)具

體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，機(jī)器人可以使用不同類型的傳感器來(lái)完成不同的任務(wù)。

(5)介紹激光雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)，簡(jiǎn)述單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)的

區(qū)別。

答：激光雷達(dá)是一種常見(jiàn)的傳感器，用于測(cè)量周圍環(huán)境中物體與機(jī)器人之間

的距離和空間信息。它通過(guò)發(fā)送激光束并接收反射回來(lái)的光來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括：

1.高精度：激光雷達(dá)可以提供高精度的距離測(cè)量結(jié)果，通常具有毫米級(jí)別的

精確度。

2.大范圍：激光雷達(dá)可以覆蓋較大的測(cè)量范圍，通?？梢栽趲酌椎綆资椎?/p>

距離內(nèi)進(jìn)行有效測(cè)量。

3.高分辨率：激光雷達(dá)可以生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提供對(duì)環(huán)境中物體的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信

息，使得機(jī)器人能夠進(jìn)行三維感知和識(shí)別。

4.適應(yīng)性強(qiáng)：激光雷達(dá)對(duì)環(huán)境光線的依賴性較低，可以在不同光照條件下工

作。

然而，激光雷達(dá)也存在一些缺點(diǎn)：

1.成本較高：激光雷達(dá)通常價(jià)格較高，這限制了它在某些應(yīng)用中的普及和采

用。

2.體積較大：由于激光雷達(dá)需要較多的光學(xué)、電子和機(jī)械元件，因此其體積

較大，不方便在一些小型或緊湊空間中使用。

3.數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏：激光雷達(dá)在測(cè)量過(guò)程中只能獲取有限數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這可能

導(dǎo)致對(duì)細(xì)節(jié)和邊緣特征的損失。

單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)是兩種常見(jiàn)的激光雷達(dá)類型，它們之間的區(qū)別

在于：

1.單線激光雷達(dá)：?jiǎn)尉€激光雷達(dá)一次只能發(fā)送一條激光束，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)或

掃描來(lái)獲取整個(gè)環(huán)境的數(shù)據(jù)。它可以在水平方向上獲取距離信息，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)或

掃描來(lái)獲取垂直方向上的數(shù)據(jù)。由于采樣速度較低，單線激光雷達(dá)通常需要更長(zhǎng)

的時(shí)間來(lái)完成一次掃描，但成本相對(duì)較低。

2.多線激光雷達(dá)：多線激光雷達(dá)同時(shí)發(fā)送多條激光束，可以在一次掃描中獲

得更多的距離數(shù)據(jù)。它可以在水平和垂直方向上同時(shí)獲取數(shù)據(jù)，從而提供更豐富

的環(huán)境信息。多線激光雷達(dá)采樣速度較高，可以實(shí)時(shí)獲取大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，但相應(yīng)

地成本較高。

(6)在測(cè)量物體深度信息時(shí)，RGB-D相機(jī)有哪些測(cè)量方式？有什么

優(yōu)缺點(diǎn)？其原理與雙目相機(jī)測(cè)量原理有什么區(qū)別？

答：RGB-D相機(jī)是一種集成了RGB攝像頭和深度傳感器的設(shè)備，可以同時(shí)獲

取彩色圖像和物體的深度信息。在測(cè)量物體深度信息時(shí)，RGB-D相機(jī)主要使用以

下兩種測(cè)量方式：

1.結(jié)構(gòu)光：RGB-D相機(jī)通過(guò)發(fā)射一系列結(jié)構(gòu)化的光紋或條紋，并利用深度傳

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

感器捕捉這些光紋的形變來(lái)計(jì)算物體的深度。這種方法常用的技術(shù)有三維結(jié)構(gòu)光

和重投影結(jié)構(gòu)光。結(jié)構(gòu)光方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，精度較高，適用于近距離測(cè)

量。缺點(diǎn)是對(duì)于反射性表面和透明物體的測(cè)量效果較差。

2.時(shí)間飛行（Time-of-Flight,TOP）：RGB-D相機(jī)通過(guò)發(fā)送脈沖光源，記錄

光傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的距離。T0F方法的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣，對(duì)不同類型的

表面都能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高幀率的深度圖像采集。缺點(diǎn)是測(cè)量精度

相對(duì)較低，特別在較大距離上會(huì)有一定的誤差。

RGB-D相機(jī)與雙目相機(jī)的測(cè)量原理存在一些區(qū)別：

1.視差計(jì)算：雙目相機(jī)通過(guò)攝像頭之間的視差（左右圖像中同一物體的位置

差異）來(lái)計(jì)算物體的深度。而RGB-D相機(jī)則直接通過(guò)結(jié)構(gòu)光或T0F方法測(cè)量物體

的深度，不需要進(jìn)行視差計(jì)算。

2.測(cè)量范圍：雙目相機(jī)的測(cè)距范圍通常較短，適用于近距離的深度測(cè)量。

RGB-D相機(jī)可以在相對(duì)較遠(yuǎn)的距離上獲取深度信息，適用范圍更廣。

3.精度和速度：雙目相機(jī)通常具有較高的深度測(cè)量精度，但在速度上相對(duì)較

慢。RGB-D相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較快的深度圖像采集，但深度測(cè)量精度可能相對(duì)較低。

（7）簡(jiǎn)述自動(dòng)駕駛L2、L3和L4級(jí)的區(qū)別。

答：自動(dòng)駕駛技術(shù)按照自動(dòng)化程度可以分為多個(gè)級(jí)別，其中常見(jiàn)的包括L2級(jí)、

L3級(jí)和L4級(jí)。這些級(jí)別代表著自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在不同情況下的功能和駕駛控制能

力。

LL2級(jí)（部分自動(dòng)駕駛）：L2級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具備一定的自動(dòng)化功能，例如

車道保持輔助和自適應(yīng)巡航控制等。該級(jí)別下的系統(tǒng)可以在某些情況下為駕駛員

提供支持，但駕駛員仍需保持對(duì)駕駛環(huán)境的監(jiān)控，并隨時(shí)準(zhǔn)備接管控制權(quán)。L2級(jí)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以同時(shí)執(zhí)行縱向和橫向控制，但需要駕駛員在特定條件下進(jìn)行干

預(yù)。

2.L3級(jí)（條件自動(dòng)駕駛）：L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在特定場(chǎng)景下能夠?qū)崿F(xiàn)高度自

動(dòng)化駕駛。該級(jí)別下的系統(tǒng)可以在一些特定條件下完全接管駕駛?cè)蝿?wù)，駕駛員無(wú)

需持續(xù)監(jiān)控環(huán)境。然而，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法處理特定場(chǎng)景或出現(xiàn)故障時(shí)，駕駛員需要被

要求盡快介入并接管駕駛控制權(quán)。L3級(jí)系統(tǒng)通常具備感知、決策和控制等功能，

但在特定條件下需要駕駛員的輔助。

3.L4級(jí)（高度自動(dòng)駕駛）：L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在特定環(huán)境或道路類型下能夠

實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化駕駛，無(wú)需駕駛員持續(xù)監(jiān)控。該級(jí)別下的系統(tǒng)可以在更廣泛的情

況下接管駕駛?cè)蝿?wù)，并在大部分場(chǎng)景下進(jìn)行自主駕駛。然而，在特定條件或不支

持的區(qū)域，駕駛員可能需要重新接管控制。L4級(jí)系統(tǒng)通常擁有更強(qiáng)的感知、決策

和控制能力，并能夠應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的交通環(huán)境。

需要注意的是，L2、L3和L4級(jí)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)雖然在特定條件下可以實(shí)現(xiàn)

一定程度的自動(dòng)駕駛，但駕駛員在任何時(shí)候都應(yīng)保持警惕，并準(zhǔn)備接管控制權(quán)，

以確保安全。自動(dòng)駕駛技術(shù)仍處于演進(jìn)和發(fā)展階段，各級(jí)別之間的差異和功能范

圍可能因不同廠商和系統(tǒng)而有所變化。

（8）對(duì)于兩輪差速底盤模型，若車體速度為匕左右輪速度分別為

?4?

K和K,車體角速度為3,轉(zhuǎn)彎半徑為凡左右輪的間距為。，兩輪到

車體中心的距離為，求其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

答：對(duì)于兩輪差速底盤模型，可以使用以下運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

1.車體速度與左右輪速度之間的關(guān)系：

V=(VR+VL)/2

2.車體角速度與左右輪速度之間的關(guān)系：

3=(VR-VL)/D

3.轉(zhuǎn)彎半徑與車體速度和角速度之間的關(guān)系：

R=V/G)

根據(jù)以上方程，可以根據(jù)已知量求解其他未知量。例如，若已知車體速度V

和車體角速度3,則可以計(jì)算出左右輪速度VL和VR,以及轉(zhuǎn)彎半徑R。反之亦然,

若已知左右輪速度VL和VR,可以計(jì)算出車體速度V和車體角速度3,以及轉(zhuǎn)彎

半徑R。

(9)設(shè)移動(dòng)機(jī)器人底盤電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生12個(gè)脈沖，輪子直徑為

68mm,減速器減速比為61.6:1,如果單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)為用計(jì)算

輪子轉(zhuǎn)速。

答：略

第2章將機(jī)器人連接到ROS

(1)ROS的主要架構(gòu)分為哪三層？每層的作用是什么？

答：ROS(RobotOperatingSystem)的主要架構(gòu)分為三層，分別是：

1.底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)層(DeviceDrivers)：該層與硬件設(shè)備直接交互，負(fù)責(zé)提

供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)底層硬件和ROS的通信。它能夠讀取傳感器數(shù)據(jù)、控制執(zhí)

行器，并提供一個(gè)統(tǒng)一的接口供上層使用。

2.中間件層(Middleware)：該層主要是ROS的核心部分，提供了一系列功

能強(qiáng)大的工具和服務(wù)，用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信(IPC,InterprocessCommunication)>

消息傳遞和資源管理。中間件層使得不同節(jié)點(diǎn)之間可以輕松地進(jìn)行通信和協(xié)作，

從而實(shí)現(xiàn)高效的分布式計(jì)算。

3.高層功能包層(High-LevelFunctionality)：該層包含了各種功能包

(Packages),以實(shí)現(xiàn)各種機(jī)器人相關(guān)的任務(wù)和應(yīng)用。這些功能包可以是感知、定

位、導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制等。開(kāi)發(fā)者可以使用已有的功能包進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)，也可以根

據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)新的功能包來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。

總體而言，底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備的交互，中間件層提供了跨節(jié)點(diǎn)

的通信和協(xié)作機(jī)制，而高層功能包層則包含各種機(jī)器人相關(guān)的功能和應(yīng)用。這種

分層架構(gòu)使得ROS具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性，能夠方便地構(gòu)建復(fù)雜的機(jī)器人

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

系統(tǒng)。

(2)ROS的主要特點(diǎn)有哪些？其在機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)中有哪些優(yōu)勢(shì)？

答：ROS(RobotOperatingSystem)具有以下主要特點(diǎn)：

1.分布式計(jì)算：ROS支持分布式計(jì)算，可以在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)并行處理

和協(xié)作。這使得開(kāi)發(fā)者能夠?qū)⑾到y(tǒng)的不同部分獨(dú)立開(kāi)發(fā)、測(cè)試和部署，提高了開(kāi)

發(fā)效率和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

2.靈活性和模塊化：ROS采用模塊化的設(shè)計(jì)，將機(jī)器人系統(tǒng)劃分為獨(dú)立的節(jié)

點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行特定的功能。這種設(shè)計(jì)使得開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)組合和重用現(xiàn)有的

節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)也方便了代碼的維護(hù)和擴(kuò)展。

3.消息驅(qū)動(dòng)通信：ROS使用輕量級(jí)的消息通信機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換。

開(kāi)發(fā)者可以定義各種類型的消息，并通過(guò)發(fā)布訂閱模式或服務(wù)調(diào)用方式進(jìn)行通信。

這種松耦合的通信機(jī)制使得節(jié)點(diǎn)之間的耦合度降低，系統(tǒng)更加靈活。

4.大量的工具和庫(kù)支持：ROS擁有豐富的工具和庫(kù)，開(kāi)發(fā)者可以利用這些工

具和庫(kù)快速開(kāi)發(fā)和調(diào)試機(jī)器人應(yīng)用。例如，可視化工具RViz可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人

狀態(tài)，導(dǎo)航功能包可用于路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制等。

在機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，ROS具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.社區(qū)支持和資源豐富：ROS擁有龐大的開(kāi)發(fā)者社區(qū)，提供了大量的文檔、

示例和教程。開(kāi)發(fā)者可以借助這些資源快速上手ROS,并解決開(kāi)發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題。

2.通用性和可移植性：ROS是一個(gè)通用性強(qiáng)的機(jī)器人操作系統(tǒng)，支持多種硬

件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，如Linux、Windows和macOS等。這使得開(kāi)發(fā)者可以在不同平

臺(tái)上開(kāi)發(fā)和運(yùn)行ROS應(yīng)用，具備較高的可移植性。

3.多樣化的功能包：ROS生態(tài)系統(tǒng)中存在眾多的功能包，涵蓋了各種常見(jiàn)任

務(wù)和功能，如感知、定位、導(dǎo)航、圖像處理等。開(kāi)發(fā)者可以直接使用這些功能包,

加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程，降低開(kāi)發(fā)成本。

4.可視化和調(diào)試工具：ROS提供了多種可視化和調(diào)試工具，如RViz、rqt和

rosbag等。這些工具幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)、可視化傳感器數(shù)據(jù)、回

放記錄的數(shù)據(jù)等，方便開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

(3)ROS功能包可以包含哪些內(nèi)容？其中哪兩項(xiàng)在構(gòu)成功能包的最

小單元時(shí)是不可缺少的？

答：ROS功能包可以包含以下內(nèi)容：

1.節(jié)點(diǎn)(Nodes)：實(shí)現(xiàn)具體功能的獨(dú)立進(jìn)程，可以是一個(gè)傳感器讀取數(shù)據(jù)的

節(jié)點(diǎn)、一個(gè)執(zhí)行器控制的節(jié)點(diǎn)或者其他自定義功能的節(jié)點(diǎn)。

2.消息(Messages)：定義不同節(jié)點(diǎn)之間傳遞的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括傳感器數(shù)據(jù)、

控制指令等。消息使用ROS提供的消息通信機(jī)制進(jìn)行傳遞。

3.服務(wù)(Services)：定義節(jié)點(diǎn)之間的請(qǐng)求和響應(yīng)方式，用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間

的遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(RemoteProcedureCall)o

4.動(dòng)作(Actions)：定義一系列相對(duì)復(fù)雜的操作，如路徑規(guī)劃、導(dǎo)航等。與

服務(wù)不同的是，動(dòng)作支持異步執(zhí)行和取消操作。

?6?

5.參數(shù)(Parameters)：用于配置節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，例如設(shè)定傳感器的采樣頻率、

設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制的速度等。

6.啟動(dòng)文件(Launchfiles)：用于配置和啟動(dòng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的文件，通過(guò)啟動(dòng)

文件可以一次性啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)。

在構(gòu)建ROS功能包的最小單元時(shí)，至少需要兩個(gè)不可缺少的項(xiàng)：

1.CMakeLists.txt：CMakeLists.txt是一個(gè)用于編譯云口構(gòu)建ROS功能包的配

置文件，其中包含了編譯選項(xiàng)、依賴項(xiàng)和生成鏈接庫(kù)或可執(zhí)行文件的指令等。它

指明了如何構(gòu)建該功能包，并將其鏈接到ROS系統(tǒng)中。

2.package,xml：package.xml是ROS功能包的描述文件，其中包含了功能包

的基本信息，如名稱、版本、作者、依賴關(guān)系等。該文件不僅提供了對(duì)功能包的

描述，還能夠在使用依賴管理工具時(shí)指定功能包的依賴關(guān)系，確保正確安裝和使

用。

這兩個(gè)文件是構(gòu)建ROS功能包必不可少的組成部分，它們定義了功能包的構(gòu)

建規(guī)則和描述信息，使得功能包可以被正確編譯、安裝和使用。

(4)工作空間的框架是怎樣的？有幾個(gè)文件夾？

答：在ROS中，工作空間(Workspace)是一種組織和管理ROS功能包的方式。

它是一個(gè)包含一組功能包的目錄，并提供構(gòu)建、編譯和運(yùn)行這些功能包的環(huán)境。

工作空間通常包含以下文件夾：

1.src(Source)：src文件夾是存放源代碼和功能包的目錄。在這個(gè)文件夾

中，可以包含一個(gè)或多個(gè)ROS功能包的源代碼文件夾，每個(gè)功能包對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立

的文件夾。

2.build：build文件夾是用于存放構(gòu)建過(guò)程中生成的中間文件和構(gòu)建產(chǎn)物的

目錄。當(dāng)進(jìn)行構(gòu)建操作時(shí)，CMake會(huì)生成構(gòu)建系統(tǒng)所需的Makefile等文件，并將

編譯生成的庫(kù)、可執(zhí)行文件等放在build目錄中。

3.devel：devel文件夾是用于存放編譯生成的可執(zhí)行文件、庫(kù)文件和其他資

源文件的目錄。在構(gòu)建完成后，ROS會(huì)將編譯生成的文件放在devel目錄中，以

便后續(xù)的運(yùn)行和調(diào)試。

4.install：install文件夾是用于存放功能包的安裝文件的目錄。在使用

'catkinmakeinstall'命令進(jìn)行安裝時(shí)，編譯生成的文件會(huì)被復(fù)制到install目

錄中，以便將功能包安裝到系統(tǒng)的特定位置。

此外，工作空間還可能包含其他配置文件和輔助文件，例如：

-CMakeLists.txt：用于配置工作空間的CMake文件，指明如何編譯構(gòu)建工

作空間中的功能包。

-package,xml：工作空間的描述文件，提供了對(duì)工作空間的基本信息和依賴

關(guān)系的描述。

-setup,bash/setup.zsh：用于設(shè)置ROS環(huán)境變量的腳本文件，通過(guò)運(yùn)行其

中的命令，可以將工作空間添加到ROS環(huán)境中。

需要注意的是，ROS工作空間是一個(gè)可以自由組織的目錄結(jié)構(gòu)，并不強(qiáng)制要求

上述文件夾的名稱和位置。在創(chuàng)建工作空間時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要修改文件夾的

名稱和層級(jí)關(guān)系，但通常遵循這樣的約定以保持一致性和可讀性。

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

(5)ROS的三種通信機(jī)制是什么？說(shuō)明它們的特點(diǎn)與區(qū)別。

答：ROS提供了三種主要的通信機(jī)制，分別是話題(Topics)、服務(wù)(Services)

和動(dòng)作(Actions)o它們具有不同的特點(diǎn)和用途。

1.話題(Topics)：

-特點(diǎn)：話題是一種發(fā)布者-訂閱者(Publisher-Subscriber)模型的通

信機(jī)制。發(fā)布者將消息發(fā)布到某個(gè)話題上，所有訂閱該話題的節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到該

消息。發(fā)布者和訂閱者之間是一對(duì)多的關(guān)系。

-區(qū)別：話題是一種異步通信機(jī)制，消息的發(fā)布者不需要等待訂閱者的回

應(yīng)。訂閱者可以選擇性地訂閱自己感興趣的話題，而發(fā)布者也不需要知道消息是

否被接收。

-應(yīng)用場(chǎng)景：適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，如傳感器數(shù)據(jù)、圖像、激光掃描等。

2.服務(wù)(Services)：

■特點(diǎn)：服務(wù)是一種請(qǐng)求-響應(yīng)(Request-Response)模型的通信機(jī)制。

一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，并等待該節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。請(qǐng)求和響應(yīng)是一對(duì)

一的關(guān)系。

-區(qū)別：服務(wù)是一種同步通信機(jī)制，請(qǐng)求方需要等待響應(yīng)方的回應(yīng)。請(qǐng)求

者需要明確指定服務(wù)的名稱和消息類型，響應(yīng)者根據(jù)請(qǐng)求者發(fā)送的消息進(jìn)行處理,

并返回相應(yīng)的結(jié)果。

-應(yīng)用場(chǎng)景：適用于需要進(jìn)行特定操作或獲取特定信息的場(chǎng)景，如傳感器

數(shù)據(jù)查詢、執(zhí)行控制命令等。

3.動(dòng)作(Actions)：

-特點(diǎn)：動(dòng)作是一種擴(kuò)展的請(qǐng)求-響應(yīng)模型通信機(jī)制。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向另

一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，并等待該節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，但響應(yīng)可以是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，而不

僅僅是單次的響應(yīng)。

-區(qū)別：動(dòng)作與服務(wù)類似，但支持異步執(zhí)行和取消操作。請(qǐng)求方可以設(shè)置

執(zhí)行的目標(biāo)和取消請(qǐng)求，響應(yīng)方可以實(shí)時(shí)報(bào)告進(jìn)度，并在完成后返回結(jié)果。

-應(yīng)用場(chǎng)景：適用于需要執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)，如路徑規(guī)劃、導(dǎo)航等。

這三種通信機(jī)制在ROS中提供了靈活多樣的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交

換和互動(dòng)。選擇合適的通信機(jī)制依賴于具體的應(yīng)用需求，例如實(shí)時(shí)性要求、數(shù)據(jù)

類型和處理方式等。根據(jù)需求合理選擇通信機(jī)制可以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。

(6)什么是節(jié)點(diǎn)？如何運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)？

答：在ROS中，節(jié)點(diǎn)(Node)是指一個(gè)執(zhí)行特定功能的進(jìn)程。節(jié)點(diǎn)可以是一

個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行文件，也可以是一個(gè)腳本文件或者插件。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一

的名稱，以便在ROS網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信和識(shí)別。

運(yùn)行一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)的步驟如下：

1.創(chuàng)建一個(gè)ROS工作空間(如果還沒(méi)有)：可以使用'catkinjnake'命令創(chuàng)建

一個(gè)ROS工作空間，并設(shè)置環(huán)境變量。

2.編寫節(jié)點(diǎn)代碼或功能包：在工作空間的'src'目錄下，可以創(chuàng)建一個(gè)新的

功能包，或者在已有功能包的基礎(chǔ)上編寫節(jié)點(diǎn)代碼。節(jié)點(diǎn)代碼可以使用各種編程

?8?

語(yǔ)言（如C++、Python等）進(jìn)行編寫。

3.構(gòu)建工作空間：在工作空間的根目錄下，運(yùn)行'catkin_make'或'catkin

build'來(lái)構(gòu)建工作空間，生成可執(zhí)行文件。

4.啟動(dòng)R0S核心：在終端中運(yùn)行'roscore'命令，啟動(dòng)ROS核心，用于管理

ROS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種功能。

5.運(yùn)行節(jié)點(diǎn)：在終端中通過(guò)'rosrun'命令來(lái)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)。命令的格式為'rosrun

package_namenode_name,其中package_name為節(jié)點(diǎn)所在的功能包名稱，

'node_name'為節(jié)點(diǎn)的名稱。

例如，假設(shè)我們有一個(gè)名為'my_package'的功能包，其中包含一個(gè)名為

'mynode'的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)以下命令來(lái)運(yùn)行該節(jié)點(diǎn)：

shell

rosrunmy_packagemy_node

運(yùn)行節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行相應(yīng)的功能，可以與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信、發(fā)布和訂

閱話題、提供或調(diào)用服務(wù)等。

需要注意的是，運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)之前，確保ROS環(huán)境已經(jīng)設(shè)置正確，即先運(yùn)行

'sourcedevel/setup.bash'命令（如果使用的是bash終端）或者'source

devel/setup.zsh'命令（如果使用的是zsh終端），以便將工作空間添加到ROS環(huán)

境中。

（7）什么是節(jié)點(diǎn)管理器？它的作用是什么？

答：節(jié)點(diǎn)管理器（NodeManager）是ROS中的一個(gè)重要組件，用于管理和協(xié)

調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建、運(yùn)行和通信。

節(jié)點(diǎn)管理器的主要作用如下：

1.節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn)管理器負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)

時(shí)，它會(huì)向節(jié)點(diǎn)管理器注冊(cè)自己的名稱和功能，以便其他節(jié)點(diǎn)能夠找到它并與之

通信。

口2.節(jié)點(diǎn)間的通信：節(jié)點(diǎn)管理器使節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行相互之間的通信。它維護(hù)一個(gè)

話題（Topics）列表，用于管理話題的發(fā)布者和訂閱者之間的連接。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)布

消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)管理器將該消息傳遞給所有訂閱該話題的節(jié)點(diǎn)。

3.服務(wù)和動(dòng)作的匹配：節(jié)點(diǎn)管理器還負(fù)責(zé)服務(wù)（Services）和動(dòng)作（Actions）

的匹配。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求某個(gè)服務(wù)或動(dòng)作時(shí)，節(jié)點(diǎn)管理器將該請(qǐng)求發(fā)送給提供相

應(yīng)服務(wù)或動(dòng)作的節(jié)點(diǎn)，并將其回應(yīng)返回給請(qǐng)求方。

4.節(jié)點(diǎn)的生命周期管理：節(jié)點(diǎn)管理器可以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并進(jìn)行生命周期

管理。例如，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)異常終止時(shí)，節(jié)點(diǎn)管理器可以重新啟動(dòng)該節(jié)點(diǎn)。它還可

以協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的順序和依賴關(guān)系，確保節(jié)點(diǎn)按照正確的順序啟動(dòng)和關(guān)閉。

5.資源分配和調(diào)度：節(jié)點(diǎn)管理器可以進(jìn)行資源分配和調(diào)度，以確保多個(gè)節(jié)點(diǎn)

在共享資源時(shí)能夠合理利用。它可以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和資源占用情況，并根

據(jù)需要進(jìn)行資源分配和調(diào)整。

總之，節(jié)點(diǎn)管理器在ROS中起著重要的作用，它提供了一個(gè)集中管理、協(xié)調(diào)

和控制節(jié)點(diǎn)的機(jī)制，使得多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以相互通信和協(xié)作，從而構(gòu)建出一個(gè)強(qiáng)大而

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

靈活的分布式系統(tǒng)。

(8)簡(jiǎn)述主題與服務(wù)的區(qū)別。

答：在R答中,主題(Topics)和服務(wù)(Services)是兩種不同的通信機(jī)制,

用于節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交換。

主題(Topics)是一種發(fā)布者-訂閱者(Publisher-Subscriber)模式的通信

方式。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)布一個(gè)特定主題的消息，而其他節(jié)點(diǎn)可以訂閱該主題以接

收消息。主題是一種異步通信方式，發(fā)布者和訂閱者之間沒(méi)有直接的請(qǐng)求和響應(yīng)

關(guān)系。發(fā)布者發(fā)送消息到主題后，所有訂閱該主題的節(jié)點(diǎn)都能接收到這些消息。

主題的特點(diǎn)是廣播性，適用于多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)的消息傳遞和數(shù)據(jù)共享。

服務(wù)(Services)是一種客戶端-服務(wù)器(Client-Server)模式的通信方式。

一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以提供一個(gè)特定服務(wù)，而其他節(jié)點(diǎn)可以向該服務(wù)發(fā)出請(qǐng)求，并等待服

務(wù)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。服務(wù)是一種同步通信方式，請(qǐng)求方發(fā)送請(qǐng)求后，會(huì)一直等待直到

接收到響應(yīng)。服務(wù)的特點(diǎn)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互，適用于節(jié)點(diǎn)之間需要請(qǐng)求和響應(yīng)的情

況，例如發(fā)送一個(gè)查詢請(qǐng)求并等待某個(gè)節(jié)點(diǎn)返回結(jié)果。

區(qū)別總結(jié)如下：

1.主題是發(fā)布者-訂閱者模式，服務(wù)是客戶端-服務(wù)器模式。

2.主題是異步通信，發(fā)布者發(fā)布消息后，訂閱者可以接收到，但發(fā)布者不需

要等待訂閱者的響應(yīng)。服務(wù)是同步通信，請(qǐng)求方發(fā)送請(qǐng)求后需要等待服務(wù)節(jié)點(diǎn)的

響應(yīng)。

3.主題是廣播性的，一個(gè)消息可以同時(shí)被多個(gè)訂閱者接收。服務(wù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的,

一次請(qǐng)求只會(huì)有一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)。

4.主題適用于實(shí)時(shí)消息傳遞和數(shù)據(jù)共享。服務(wù)適用于需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交互、請(qǐng)求

和響應(yīng)的情況。

根據(jù)應(yīng)用需求，選擇合適的通信方式可以更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信和協(xié)作。

(9)坐標(biāo)變換的含義是什么？舉例說(shuō)明在哪些機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景中可

能會(huì)使用到坐標(biāo)變換。

答：坐標(biāo)變換(CoordinateTransformation)是指將一個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)

轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系中的過(guò)程。在機(jī)器人領(lǐng)域中，坐標(biāo)變換是非常重要的，因?yàn)?/p>

機(jī)器人通常需要在不同的坐標(biāo)系中進(jìn)行感知、定位和運(yùn)動(dòng)控制。

舉例說(shuō)明在哪些機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景中可能會(huì)使用到坐標(biāo)變換：

L傳感器數(shù)據(jù)融合：許多機(jī)器人系統(tǒng)使用多種傳感器來(lái)獲取環(huán)境信息，例如

激光雷達(dá)、相機(jī)和慣性測(cè)量單元(IMU)o每個(gè)傳感器可能使用不同的坐標(biāo)系描述

其測(cè)量結(jié)果。在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，需要將不同傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)統(tǒng)一的坐

標(biāo)系中，以便進(jìn)行一致的感知和決策。

2.機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制：機(jī)器人中的機(jī)械臂通常有多個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都有自己

的坐標(biāo)系。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，需要將目標(biāo)位置或軌跡的描述從基座坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

到各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，以便將控制信號(hào)傳遞給每個(gè)關(guān)節(jié)。

3.移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航：對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人，需要利用各種傳感器來(lái)定位自

身的位置和姿態(tài)。這些傳感器通常以機(jī)器人底盤為基準(zhǔn)，而導(dǎo)航系統(tǒng)可能使用不

?10?

同的全局坐標(biāo)系。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換將傳感器的數(shù)

據(jù)映射到全局坐標(biāo)系。

4.三維重建與建圖：在進(jìn)行三維環(huán)境重建或地圖構(gòu)建時(shí)，不同傳感器可能提

供不同視角或坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了整合這些數(shù)據(jù)并生成一致的三維模型或

地圖，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。

總之，坐標(biāo)變換在機(jī)器人應(yīng)用中廣泛使用，它能夠?qū)崿F(xiàn)不同坐標(biāo)系之間的聯(lián)

系和轉(zhuǎn)換，使得機(jī)器人能夠在多個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行感知、規(guī)劃和控制，從而實(shí)現(xiàn)各

種復(fù)雜任務(wù)。

(10)Gazebo和rviz的區(qū)別是什么?

答:Gazebo和rviz是ROS(RobotOperatingSystem)中兩個(gè)常用的可視化

工具，它們?cè)跈C(jī)器人開(kāi)發(fā)中有不同的使用場(chǎng)景和功能。

Gazebo是一個(gè)用于仿真的先進(jìn)的三維模擬器。它提供了一個(gè)虛擬環(huán)境，可以

模擬機(jī)器人的感知、控制和運(yùn)動(dòng)等行為。Gazebo可以模擬多種傳感器和執(zhí)行器，

并提供強(qiáng)大的物理引擎，可以模擬真實(shí)世界中的力和碰撞等效果。通過(guò)Gazebo,

開(kāi)發(fā)者可以在不實(shí)際進(jìn)行物理硬件測(cè)試的情況下，進(jìn)行各種機(jī)器人算法和控制策

略的驗(yàn)證和調(diào)試。因此，Gazebo主要用于機(jī)器人仿真和測(cè)試階段。

rviz是ROS中的一個(gè)強(qiáng)大的三維可視化工具，用于實(shí)時(shí)查看和分析機(jī)器人的

傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等。rviz提供了豐富的可視化插件，如點(diǎn)云、

激光雷達(dá)、相機(jī)圖像等，可以將傳感器數(shù)據(jù)以二維或三維的形式顯示出來(lái)；同時(shí)

也支持可視化機(jī)器人模型、運(yùn)動(dòng)軌跡、地圖等。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)rviz實(shí)時(shí)監(jiān)視和

調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)，例如檢查傳感器數(shù)據(jù)、調(diào)整導(dǎo)航規(guī)劃參數(shù)等。因此，rviz主要

用于機(jī)器人開(kāi)發(fā)和調(diào)試階段。

區(qū)別總結(jié)如下：

1.功能:Gazebo主要用于機(jī)器人仿真和測(cè)試，提供物理引擎和三維環(huán)境模擬;

rviz主要用于機(jī)器人系統(tǒng)的可視化和調(diào)試，支持實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息

和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等。

2.使用場(chǎng)景：Gazebo適用于驗(yàn)證機(jī)器人算法和控制策略，在仿真環(huán)境中進(jìn)行

各種測(cè)試；rviz適用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試階段，對(duì)機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行

實(shí)時(shí)監(jiān)視和分析。

3.數(shù)據(jù)顯示：Gazebo主要以三維場(chǎng)景和物體模型為主，可以模擬復(fù)雜的物理

效果；rviz可以以二維或三維的形式顯示傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人模型和地圖等。

綜上所述，Gazebo和rviz在功能和使用場(chǎng)景上有所不司。開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)需

要選擇合適的工具來(lái)進(jìn)行機(jī)器人仿真、測(cè)試和調(diào)試工作。

(11)R0S的外接設(shè)備有哪些？與機(jī)器人控制器通信時(shí)，使用到了

R0S的哪種通信機(jī)制？

答：在R0S中，可以通過(guò)外接設(shè)備與機(jī)器人控制器進(jìn)行通信。以下是一些常

見(jiàn)的外接設(shè)備：

1.傳感器：包括激光雷達(dá)、相機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)、超聲波傳感器、觸

摸傳感器等。這些傳感器可以提供環(huán)境信息、機(jī)器人姿態(tài)和物體檢測(cè)等數(shù)據(jù)。

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

2.執(zhí)行器：例如電機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、執(zhí)行氣缸等。這些執(zhí)行器用于控制機(jī)器人

的運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行特定的任務(wù)。

3.控制器：例如PID控制器、軌跡規(guī)劃器、運(yùn)動(dòng)控制接口等。這些控制器用

于實(shí)現(xiàn)機(jī)淵人的運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃和姿態(tài)控制等功能。

4.外部計(jì)算機(jī)：除了直接與機(jī)器人連接的設(shè)備外，還可以使用外部計(jì)算機(jī)進(jìn)

行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和決策，如高級(jí)算法的計(jì)算、遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制等。

至于機(jī)器人控制器通信時(shí)使用的ROS通信機(jī)制，主要有兩種：

1.ROS話題(ROSTopics)：話題是ROS中最常用的通信機(jī)制之一。它是一種

發(fā)布者-訂閱者(Publisher-Subscriber)模型，用于在不同的節(jié)點(diǎn)之間傳輸消息。

通過(guò)定義特定的消息類型，可以實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息或控制指令的交

換。

2.ROS服務(wù)(ROSServices)：服務(wù)是一種使用請(qǐng)求-響應(yīng)(Request-Response)

模型的通信機(jī)制。通過(guò)定義特定的服務(wù)類型，可以在節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)發(fā)送請(qǐng)求和接

收響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向的通信。服務(wù)主要用于執(zhí)行特定的操作或獲取特定的數(shù)據(jù)。

這兩種通信機(jī)制都是ROS提供的核心功能，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)具體需求選擇合

適的通信方式與機(jī)器人控制器進(jìn)行交互。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)同時(shí)使用話題和

服務(wù)，以滿足不同類型的通信需求。

(12)編寫ROS節(jié)點(diǎn)，獲取計(jì)算機(jī)相機(jī)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以主題形式

發(fā)布，然后在命令行中顯示主題內(nèi)容。

答：

(13)ROS可以將多個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在不同的控制主機(jī)上，進(jìn)行分布式

通信。若在某局域網(wǎng)中，ROS的Master節(jié)點(diǎn)IP地址為192.168.0,101,

子網(wǎng)掩碼為,在該局域網(wǎng)中最多可以部署多少臺(tái)控制

主機(jī)進(jìn)行通信？

答：在ROS中，編寫一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取計(jì)算機(jī)相機(jī)數(shù)據(jù)并發(fā)布為主題的步驟如

下：

1.創(chuàng)建一個(gè)新的ROS包：

、、、

$cdVcatkin_ws/src

$catkin_create_pkgcamera_nodestd_msgsrospycv_bridgesensor_msgs

這會(huì)在'~/。211＜管_\丫5/51'(/目錄下創(chuàng)建一個(gè)名為恒11)01'@_。0(10'的ROS包，并

添加了所需的依賴項(xiàng)。

2.在'camera_node包中創(chuàng)建一個(gè)Python腳本文件，比如

'camera_pub1isher.py',并添加執(zhí)行權(quán)限：

$cdVcatkin_ws/src/camera_node

$touchcamerapublisher,py

?12?

$chmod+xcamera_publisher.py

3.打開(kāi)'camera_publisher.py'文件，并編寫相機(jī)數(shù)據(jù)獲取和主題發(fā)布的代

碼。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單前例子，使用OpenCV庫(kù)來(lái)讀取計(jì)算機(jī)相機(jī)數(shù)據(jù)并將其發(fā)布到

'/earnera_topic'主題：

python

#!/usr/bin/envpython

importrospy

fromsensor_msgs.msgimportImage

fromcv_bridgeimportCvBridge

importcv2

defcamerapublisher():

#初始在ROS節(jié)點(diǎn)

rospy.init_node(，camera_publisher，,anonymous=True)

#創(chuàng)建圖像發(fā)布者

imagepub=rospy.Publisher(，/camera_topic，,Image,

queue_size=10)

#創(chuàng)建OpenCV對(duì)象和CvBridge對(duì)象

cv_image=cv2.VideoCapture(0)

bridge=CvBridge()

#設(shè)置循環(huán)發(fā)布圖像

rate=rospy.Rate(10)#發(fā)布頻率為10Hz

whilenotrospy.is_shutdown():

ret,frame=cvimage.read()

ifret:

#將OpenCV圖像轉(zhuǎn)換為ROS圖像消息并發(fā)布

ros_image=bridge.cv2_to_imgmsg(frame,〃bgr8〃)

image_pub.publish(ros_image)

rate,sleep()

if_name_二二'_main—':

try:

camerapublisher()

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

exceptrospy.ROSInterruptException:

pass

XXX

4.保存文件并退出編輯器c

5.在終端中編譯ROS包：

XXX

$cdVcatkin_ws

$catkin_make

6.運(yùn)行ROS節(jié)點(diǎn)：

$sourceVcatkin_ws/devel/setup.bash

$rosruncamera_nodecamera_publisher.py

此時(shí)，'camera_publisher.py'節(jié)點(diǎn)會(huì)開(kāi)始獲取相機(jī)數(shù)據(jù)并將其以

'/earnera_topic'主題發(fā)布出去。

7.打開(kāi)另一個(gè)終端，并輸入以下命令以查看主題內(nèi)容：

$sourceVcatkin_ws/devel/setup.bash

$rostopicecho/cameratopic

這將顯示從計(jì)算機(jī)相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)。

（14）根據(jù)TF原理，若有一個(gè)7自由度機(jī)械臂，第i軸坐標(biāo)系｛i｝

相對(duì)于第i—1軸坐標(biāo)系｛i—1｝的齊次變換矩陣表示為，求末端坐標(biāo)

系⑺相對(duì)于基座坐標(biāo)系｛0｝的變換矩陣。

答：在給定的局域網(wǎng)中，根據(jù)子網(wǎng)掩碼，可以計(jì)算出可用的IP地址范圍。子

網(wǎng)掩碼'255.255.255.0'表示24位網(wǎng)絡(luò)前綴和8位主機(jī)標(biāo)識(shí)。

對(duì)于給定的子網(wǎng)掩碼，可用主機(jī)的數(shù)量等于2的主機(jī)位數(shù)減去2（排除了網(wǎng)絡(luò)

地址和廣播地址）。因此，在一個(gè)具有24位網(wǎng)絡(luò)前綴和8位主機(jī)標(biāo)識(shí)的子網(wǎng)上，

最多可以部署2-8-2=254臺(tái)控制主機(jī)進(jìn)行通信。

（15）TF可以使用歐拉角和四元數(shù)兩種方法表示，請(qǐng)推導(dǎo)兩者的變

換公式。

答：歐拉角（Eulerangles）和四元數(shù)（quaternions）是兩種常用的姿態(tài)表

示方法，它們可以用來(lái)描述物體在三維空間中的旋轉(zhuǎn)變換。下面是歐拉角和四元

數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)：

?14?

1.歐拉角到四元數(shù)的轉(zhuǎn)換：

首先，我們將歐拉角表示為roll(繞x軸旋轉(zhuǎn)角度)、pitch(繞y軸旋轉(zhuǎn)角

度)和yaw(繞z軸旋轉(zhuǎn)角度)。對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為R_eulero

通過(guò)四元數(shù)的變換公式可推導(dǎo)出：

q=[cos(yaw/2)*cos(pitch/2)*cos(roll/2)+

sin(yaw/2)*sin(pitch/2)*sin(roll/2),

cos(yaw/2)*cos(pitch/2)*sin(roll/2)-

sin(yaw/2)*sin(pitch/2)*cos(roll/2),

cos(yaw/2)*sin(pitch/2)*cos(roll/2)+

sin(yaw/2)*cos(pitch/2)*sin(roll/2),

sin(yaw/2)*cos(pitch/2)*cos(roll/2)

cos(yaw/2)*sin(pitch/2)*sin(roll/2)]

其中，q是表示旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)。

2.四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換：

已知四元數(shù)q=[qO,ql,q2,q3],并且滿足q(T2+q「2+q2^2+q3c2

=lo

通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣R_quaternion和旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閞oll-pitch-yaw的歐拉角表

示，可以推導(dǎo)出：

roll=atan2(2*(qO*ql+q2*q3),1-2*(ql2+q22))

pitch=asin(2*(q0*q2-q3*ql))

yaw=atan2(2*(q0*q3+ql*q2),1-2*(q2c2+q32))

其中，atan2是一個(gè)將弧度映射到[-n,五]區(qū)間的反三角函數(shù)。

這樣，我們就得到了歐拉角和四元數(shù)之間的變換公式。

第3章建立機(jī)器人系統(tǒng)模型

(1)在Gazebo中如何通過(guò)roslaunch加載世界模型？

答：在Gazebo中，可以通過(guò)roslaunch命令加載世界模型。以下是步驟：

1.確保你己經(jīng)安裝了Gazebo和ROS,并設(shè)置好了ROS環(huán)境。

2.創(chuàng)建一個(gè)包含世界文件司launch文件的ROS包(如果還沒(méi)有)。

3.在包的launch文件中，添加以下內(nèi)容：

xml

<launch>

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

<!—啟動(dòng)Gazebo—>

<argname=，/world_file，/default=〃路徑/到/你的/世界文件.world〃/>

<nodename="gazebo"pkg="gazebo_ros"type="gazebo“required="true"

output二〃screen')

<argname二〃world_file〃value=〃$(argworld_file)/z/>

</node>

<!—其他節(jié)點(diǎn)和參數(shù)>

</launch>

請(qǐng)將上述代碼中的〃路徑/到/你的/世界文件.world”替換為實(shí)際的路徑和

值。

4.運(yùn)行roslaunch命令啟動(dòng)Gazebo并加載世界模型：

bash

roslaunch包名launch文件名,launch

這將啟動(dòng)Gazebo并加載指定的世界模型。

(2)什么是URDF?其由哪幾部分標(biāo)簽組成？

答：URDF代表UnifiedRobotDescriptionFormat(統(tǒng)一機(jī)器人描述格式),

是一種用于描述機(jī)器人模型的XML文件格式。它是ROS(RobotOperatingSystem)

中常用的機(jī)器人建模語(yǔ)言。

URDF文件由以下幾部分標(biāo)簽組成：

1.'robot'：URDF文件的根標(biāo)簽，用于定義整個(gè)機(jī)器人模型。

2.'link'：描述機(jī)器人的剛體鏈接，包括名稱、相對(duì)于父鏈接的原點(diǎn)位置和

姿態(tài)，以及鏈接的幾何形狀。

3.'visual'：在RViz或Gazebo等可視化工具中顯示的鏈接的外觀屬性，包

括幾何形狀(如盒子、球體、柱體等)、材質(zhì)和顏色。

4.'collision'：鏈接的碰撞屬性，用于物理模擬和碰撞檢測(cè)。

5.Joint'：描述鏈接之間的關(guān)節(jié)，包括類型(固定、旋轉(zhuǎn)、平移等)、名稱、

父鏈接和子鏈接、關(guān)節(jié)原點(diǎn)位置和軸向、關(guān)節(jié)限制等信息。

?16?

6.'sensor'：描述傳感器設(shè)備，如攝像頭、激光雷達(dá)等。

URDF文件使用以上標(biāo)簽來(lái)描述機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、幾何形狀、關(guān)節(jié)和傳感器信息。

通過(guò)將這些信息保存在URDF文件中，可以方便地加載和可視化機(jī)器人模型，進(jìn)行

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、碰撞檢測(cè)等操作。

(3)如何通過(guò)rosIaunch把URDF模型添加到Gazebo中?

答：要通過(guò)roslaunch將URDF模型添加到Gazebo中，你需要執(zhí)行以下步驟:

1.確保你已經(jīng)安裝了Gazebo和ROS,并設(shè)置好了ROS環(huán)境。

2.創(chuàng)建一個(gè)包含URDF模型和launch文件的ROS包(如果還沒(méi)有)。

3.在包的launch文件中，添加以下內(nèi)容：

xml

<launch>

<!--啟動(dòng)Gazebo-->

<argname=z，world_file，zdefault=〃路徑/到/你的/世界文件.world"/)

<nodename=〃gazebo"pkg=〃gazebo_ros〃type="gazebo〃required="true"

output二〃screen”)

<argname=，，wor1d_fi1value="z$(argworld_file)z，/>

</node>

<!—加載URDF模型—>

<nodename="spawn_urdf〃pkg=〃gazebo_ros〃type二〃spawn_model〃

args=，，-urdf-file路徑/到/你的/urdf文件.urdf-model模型名稱〃/>

<!—其他節(jié)點(diǎn)和參數(shù)一〉

</launch>

請(qǐng)將上述代碼中的〃路徑/到/你的/世界文件.world”替換為實(shí)際的路徑和

值，并將〃路徑/到/你的/urdf文件.urdf〃替換為實(shí)際的URDF文件路徑，〃模型

名稱〃替換為你想要為該模型指定的名稱。

4.運(yùn)行roslaunch命令啟動(dòng)Gazebo并加載URDF模型：

\'bash

roslaunch包名launch文件名.launch

期機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

這將啟動(dòng)Gazebo并加載指定的世界文件和URDF模型。

請(qǐng)注意，以上示例假設(shè)你的世界文件是以，world'為后綴的Gazebo世界文件,

URDF文件的后綴為'.urdf'。如果你使用其他格式的文件，請(qǐng)相應(yīng)地修改launch

文件中的文件類型。

(4)創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)、寬、高為0.6m、0.1m、0.2m的白色立方體的URDF

模型。

答：你可以使用以下代碼創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)0.6m、寬0.1m、高0.2m的白色立方體

的URDF模型：

xml

<?xmlversion=〃1.0"?>

<robotname二〃cube〃>

<linkname二〃base」ink">

<visual>

<geometry>

<boxsize="0.60.10.2"/>

</geometry>

<materialname二〃white”〉

<colorrgba=，，l111”/>

</material>

</visual>

</link>

</robot>

將上述代碼保存為一個(gè)名為'cube.urdf'的文件。

在這個(gè)URDF模型中，我們定義了一個(gè)名為'base」ink'的鏈接，并在其視

覺(jué)屬性中指定了一個(gè)長(zhǎng)0.6m、寬0.1m、高0.2m的白色立方體。使用'〈box>'標(biāo)

簽指定了立方體的大小，使用'〈color〉'標(biāo)簽指定了顏色為白色。

(5)在URDF文件中如何對(duì)link設(shè)置視圖模型、碰撞模型和慣性模

型？

答：在URDF文件中，你可以使用'〈visual>'、'Collision〉'和

'<inertial>'標(biāo)簽來(lái)為鏈接(link)設(shè)置視覺(jué)模型、碰撞模型和慣性模型。下面

是針對(duì)每個(gè)標(biāo)簽的簡(jiǎn)要說(shuō)明：

?18?

1.\visual>'：用于定義鏈接的視覺(jué)模型。

xml

<linkname=/zmy_link，/>

<visual>

<!-視覺(jué)模型定義-

</visual>

<!-其他標(biāo)簽一>

</link>

在'〈visual>'標(biāo)簽中，你可以使用'<geometry>'標(biāo)簽定義幾何形狀(如

<box>\<sphere>\<cylinder>'等),并使用'〈material)'標(biāo)簽定義材質(zhì)

和顏色。

2.'〈collision>'：用于定義鏈接的碰撞模型。

xml

<linkname=，，my_link，，>

<collision>

<!一碰撞模型定義一>

</collision>

<!-其他標(biāo)簽一>

</link>

XXX

與\visual>'類似，你可以使用'〈geometry>'標(biāo)簽定義幾何形狀用于碰

撞檢測(cè)。

3.\inertial/：用于定義鏈接的慣性模型。

xml

<linkname=〃my」ink">

<inertial>

。一慣性模型定義一>

</inertial>

<!—其他標(biāo)簽一〉

</link>

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

在,<inertial>'標(biāo)簽中，你可以使用'<niass>、標(biāo)簽定義質(zhì)量，并使用

'<inertia>'標(biāo)簽定義慣性張量。

這些標(biāo)簽可以在\link>'標(biāo)簽內(nèi)部使用，以為每個(gè)鏈接定義自己的視覺(jué)模

型、碰撞模型和慣性模型。你也可以為一個(gè)鏈接設(shè)置多個(gè)視覺(jué)模型、碰撞模型和

慣性模型。

請(qǐng)確保在URDF文件中包含適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽來(lái)描述你的鏈接的屬性，這樣在加載

模型時(shí)，Gazebo或其他可視化工具才能正確地顯示、進(jìn)行碰撞檢測(cè)和物理模擬等

操作。

（6）激光雷達(dá)消息類型sensor_msgs/LaserScan的消息格式是什

么？

答：激光雷達(dá)消息類型'sensor_msgs/LaserScan'是ROS中用于傳輸激光掃

描數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)消息類型。它包含了激光雷達(dá)在掃描過(guò)程中獲取的信息。下面

是sensormsgs/LaserScan'消息的格式：

yaml

Headerheader

float32angle_min

float32angle_max

float32angleincrement

float32time_increment

float32scan_time

float32range_min

float32range_max

float32[]ranges

float32[]intensities

具體的消息字段說(shuō)明如下：

-'header'：消息頭，包含時(shí)間戳和坐標(biāo)系等信息。

'angle_min'：激光掃描的起始角度（弧度）。

-'angle_max'：激光掃描的結(jié)束角度（弧度）。

-'angle_increment'：每個(gè)激光點(diǎn)之間的角度增量（弧度）。

time_increment'：每個(gè)激光點(diǎn)之間的時(shí)間增量（秒）。

-'scan_time'：激光掃描的時(shí)間（秒）。

-'range_min'：激光可測(cè)距離的最小值。

?20?

-rangejnax'：激光可測(cè)距離的最大值。

-'ranges'：每個(gè)激光點(diǎn)的距離值數(shù)組。

-'intensities'：每個(gè)激光點(diǎn)的強(qiáng)度值數(shù)組（可選）。

'ranges'數(shù)組存儲(chǔ)了每個(gè)激光點(diǎn)的距離值，通常用于表示物體到激光雷達(dá)的

距離。'intensities'數(shù)組存儲(chǔ)了每個(gè)激光點(diǎn)的強(qiáng)度值，它表示激光返回時(shí)的反

射強(qiáng)度，但并非所有激光雷達(dá)都提供這個(gè)信息。

這些字段描述了激光掃描的幾何形狀和參數(shù)，以及每個(gè)激光點(diǎn)的距離和可能

的強(qiáng)度信息。

（7）結(jié)合第1章的圖1.4和圖1.5所示的兩輪差速運(yùn)動(dòng)模型，分析

兩輪差速機(jī)器人的里程計(jì)模型。

答：

（8）已知差速驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人輪子半徑為r,驅(qū)動(dòng)輪到兩輪中間

點(diǎn)P的距離為d,左輪和右輪的旋轉(zhuǎn)角速度分別為，若機(jī)器人在平面

全局坐標(biāo)系下的姿態(tài)為，求其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

答：根據(jù)你提供的信息，差速驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人的輪子半徑為r,驅(qū)動(dòng)輪到兩

輪中間點(diǎn)P的距離為d,左輪和右輪的旋轉(zhuǎn)角速度分別為公」和31，機(jī)器人

在平面全局坐標(biāo)系下的姿態(tài)為（x,y,0）o我們可以推導(dǎo)出森差速驅(qū)擊機(jī)器人的

運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

首先，我們假設(shè)機(jī)器人在一個(gè)時(shí)間間隔At內(nèi)運(yùn)動(dòng)。那么，左輪和右輪在△

t時(shí)間內(nèi)分別旋轉(zhuǎn)的角度可以表示為：

0_1=G)_1*△t

G_r=co_r*△t

接下來(lái)，計(jì)算機(jī)器人的線速度V和角速度3。根據(jù)差速驅(qū)動(dòng)的特性，左輪

和右輪的線速度可以表示為：

v_l=r*3」

v_r=r*w_r

然后，通過(guò)計(jì)算機(jī)器人的線速度和角速度來(lái)確定機(jī)器人的整體線速度v和角

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐

速度3

v=(v_l+v_r)/2

3=(v_r-v_l)/d

最后，使用機(jī)器人的線速度和角速度來(lái)更新機(jī)器人的位姿。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型:

△x=v*cos（。）*At

△y=v*sin（。）*△t

△0=G）*△t

x'=x+△x

y'=y+Ay

0'=0+△。

其中，（x,y,0）是機(jī)器人的當(dāng)前位姿，（x',y',O'）是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

預(yù)測(cè)的下一個(gè)時(shí)刻的位姿。

這個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型描述了差速驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的位姿變化規(guī)律。它是通過(guò)控制

左右輪的旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)確定機(jī)器人的整體線速度和角速度，從而更新機(jī)器人的位

姿。

（9）求阿克曼驅(qū)動(dòng)型底盤的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

答：阿克曼驅(qū)動(dòng)型底盤是一種常用于車輛或機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它使用前輪

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。下面分別介紹阿克曼驅(qū)動(dòng)型底盤的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和逆運(yùn)

動(dòng)學(xué)方程。

1.阿克曼驅(qū)動(dòng)型底盤的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用于根據(jù)車輛的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向半徑計(jì)算車輛的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)

向角速度。假設(shè)底盤的輪子基準(zhǔn)軸距（輪子中心之間的距離）為L(zhǎng),前輪的轉(zhuǎn)向

角度為a,底盤的前進(jìn)速度為v,轉(zhuǎn)向角速度為3。那么，正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表

示為：

V=3*R

Q=atan（L/（R+0.5*W））

?22?

其中，R是車輛的轉(zhuǎn)向半徑，W是車輛的軌寬(左右車輪之間的距離)。

2.阿克曼驅(qū)動(dòng)型底盤的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用于根據(jù)車輛的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向角速度計(jì)算車輛的轉(zhuǎn)向角度和

轉(zhuǎn)向半徑。假設(shè)底盤的輪子基準(zhǔn)軸距為L(zhǎng)