本專欄目錄

• 前言

• 第一章：Linux基礎(chǔ)

• 第二章：ROS入門

• 第三章：感知與大腦

• 第四章：差分底盤設(shè)計(jì)

• 第五章：樹莓派3開發(fā)環(huán)境搭建

• 第六章：SLAM建圖與自主避障導(dǎo)航

• 第七章：語音交互與自然語言處理

• 附錄A：用于ROS機(jī)器人交互的Android手機(jī)APP開發(fā)

• 附錄B：用于ROS機(jī)器人管理調(diào)度的后臺服務(wù)器搭建

• 附錄C：如何選擇ROS機(jī)器人平臺進(jìn)行SLAM導(dǎo)航入門

視頻教程

https://www.bilibili.com/video/BV1jS4y1a7Lz

1.SLAM與ROS的關(guān)系

2.ROS移動機(jī)器人的整體構(gòu)造

3.商業(yè)應(yīng)用ROS機(jī)器人

4.科研學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人

下面這本書是本篇文章的參考文獻(xiàn)，大家有需要可以入手一本：

1.1.關(guān)于SLAM

在了解SLAM之前，需要先對機(jī)器人有一個(gè)整體的認(rèn)識。機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的裝置，涉及到執(zhí)行機(jī)構(gòu)、感知、決策等主要環(huán)節(jié)。機(jī)器人上的配備的常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)有輪式運(yùn)動底盤、機(jī)械手臂、音響和顯示屏；機(jī)器人上的感知設(shè)備通常有激光雷達(dá)、聲吶、攝像頭、IMU、輪式里程計(jì)編碼盤、麥克風(fēng)、觸摸感應(yīng)；機(jī)器人的決策是機(jī)器人智能的體現(xiàn)，機(jī)器人通常借助感知裝置持續(xù)跟外部環(huán)境進(jìn)行交互，從而來獲取機(jī)器人的狀態(tài)和環(huán)境的狀態(tài)，我們可以簡單的把機(jī)器人獲取自身狀態(tài)的行為叫做自我認(rèn)知，把機(jī)器人獲取環(huán)境狀態(tài)的行為叫做環(huán)境認(rèn)知。機(jī)器人的自我認(rèn)知和環(huán)境認(rèn)知往往是相輔相成互相作用的，所以這里就不做區(qū)分了。由于目前的機(jī)器人智能還比較低級，所以這里講到的機(jī)器人認(rèn)知也是低級別的，例如人臉識別、語音識別、機(jī)器人定位、環(huán)境障礙物探測。有了認(rèn)知，機(jī)器人就可以幫人類完成很多工作了，例如搬運(yùn)貨物、照看小孩、陪伴閑聊、幫忙管理家里的智能設(shè)備、查詢天氣交通新聞資訊等等。我們可以把機(jī)器人幫助人類完成的這些個(gè)工作叫做機(jī)器人的技能，機(jī)器人擁有的這些個(gè)技能我們可以簡單的理解為機(jī)器人低級別的思想。機(jī)器人的軀殼+機(jī)器人的認(rèn)知+機(jī)器人的思想，基本上就是機(jī)器人該有的模樣了。

這樣一看，機(jī)器人是一個(gè)超級復(fù)雜的東西，但是機(jī)器人上現(xiàn)在關(guān)鍵性的技術(shù)就那么幾個(gè)。其實(shí)，學(xué)界和工業(yè)界熱門的研究和開發(fā)也是圍繞這幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開的。關(guān)鍵技術(shù)1：機(jī)器人移動底盤，絕大部分機(jī)器人需要依靠移動底盤來行走，當(dāng)然除了水下機(jī)器人和腿型機(jī)器人這些特殊形態(tài)外，電機(jī)的效率功率、電機(jī)控制電路、編碼器檢測、底盤運(yùn)動模型等組成部分，機(jī)器人底盤是AGV智能車、家庭服務(wù)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)工業(yè)自動化移動平臺必不可少的關(guān)鍵組件。關(guān)鍵技術(shù)2：機(jī)械手臂，機(jī)器人抓取物品、組裝零件、寫字畫畫都需要用到機(jī)械手臂，高性能的舵機(jī)、精密的機(jī)械關(guān)節(jié)、智能關(guān)節(jié)控制算法等幾個(gè)組成部分，機(jī)械手臂在工業(yè)自動化領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，比如汽車自動裝配、手機(jī)零配件裝配，不過應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人和AGV智能車上的輕便微型機(jī)械手臂目前還不成熟或者說還不普及。關(guān)鍵技術(shù)3：SLAM導(dǎo)航，這里終于講到了大名鼎鼎的SLAM技術(shù)了，學(xué)術(shù)上的SLAM是指同時(shí)定位和建圖技術(shù)，但是平時(shí)大家說的SLAM通常是廣義的機(jī)器人定位+環(huán)境建圖+自主導(dǎo)航+動態(tài)避障，我們這里也討論的是廣義的SLAM，簡單點(diǎn)說SLAM技術(shù)幫助機(jī)器人認(rèn)識環(huán)境并在環(huán)境中自由行走到目的地。關(guān)鍵技術(shù)4：語音識別，語音交互是大部分機(jī)器人的標(biāo)配，人類通過語音交互向機(jī)器人下達(dá)任務(wù)指令，語音交互包括語音識別、語音合成、自然語言處理等部分組成，目前基于語音交互做出來的小機(jī)器人也是遍地開花。關(guān)鍵技術(shù)5：物體識別，機(jī)器人借助攝像頭對自己所處環(huán)境的各種事物進(jìn)行識別，比如流行的人臉識別、車牌識別、手勢識別等等。

關(guān)鍵技術(shù)1：機(jī)器人移動底盤

關(guān)鍵技術(shù)2：機(jī)械手臂

關(guān)鍵技術(shù)3：SLAM導(dǎo)航

關(guān)鍵技術(shù)4：語音交互

關(guān)鍵技術(shù)5：物體識別

本人在這里總結(jié)歸納了機(jī)器人上的5大關(guān)鍵技術(shù)，由于個(gè)人能力和篇幅限制原因，接下來的內(nèi)容將主要涉足機(jī)器人SLAM導(dǎo)航領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。

SLAM導(dǎo)航技術(shù)，主要用來解決機(jī)器人的定位、環(huán)境建圖、自主導(dǎo)航、動態(tài)避障等問題。SLAM這項(xiàng)技術(shù)其實(shí)已經(jīng)有幾十年的歷史了，SLAM最早是出現(xiàn)在軍事應(yīng)用中，比如勇氣號火星探測車，在不能實(shí)時(shí)遙控的未知環(huán)境行星上的探測車為了執(zhí)行任務(wù)，需要借助SLAM技術(shù)來導(dǎo)航和避障。后來慢慢的SLAM技術(shù)就從軍用轉(zhuǎn)民用了，有了我們現(xiàn)在看到的小到家里的掃地機(jī)器人大到無人駕駛汽車的各種SLAM應(yīng)用，還有各種AR和VR應(yīng)用很多也用到了SLAM技術(shù)。

其實(shí)單獨(dú)的定位技術(shù)我們?nèi)粘Ｉ钪心芤姷胶芏?，比如最常用的GPS定位技術(shù)、wifi定位技術(shù)、磁條導(dǎo)軌定位技術(shù)。單獨(dú)的環(huán)境建圖技術(shù)也有很多成熟的應(yīng)用，比如醫(yī)學(xué)中的CT對人體的全方位掃描技術(shù)、電影制作中對某個(gè)三維物體的掃描建模、隧道勘探測繪等。但是面對機(jī)器人這樣一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用，單獨(dú)的定位技術(shù)和單獨(dú)的環(huán)境建圖技術(shù)都不能很好的解決問題，于是結(jié)合了定位與建圖的SLAM技術(shù)就出現(xiàn)了。接下來，簡單的梳理一下定位、建圖、SLAM同時(shí)定位于建圖、SLAM導(dǎo)航技術(shù)的理論發(fā)展過程。

（1）機(jī)器人中的不確定性

機(jī)器人所處的環(huán)境存在大量不可預(yù)測性，機(jī)器人中傳感器的測量存在噪聲和干擾，電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)也存在一定程度的不可靠性，還有一些不確定性是由機(jī)器人的軟件導(dǎo)致的。要研究機(jī)器人的感知和行為就必須對這些不確定性進(jìn)行建模，利用概率理論可以明確的表示這種不確定性，并且可以利用概率算法來對概率分布進(jìn)行推理計(jì)算，以數(shù)學(xué)的方式合理的表示機(jī)器人的模糊性和置信度。簡單點(diǎn)說，就是通過對機(jī)器人的概率建模，可以對機(jī)器人的不確定性進(jìn)行明確的可計(jì)算性的表示。

（2）機(jī)器人中的狀態(tài)估計(jì)

處理機(jī)器人中的這種不確定性的概率技術(shù)我們稱之為概率機(jī)器人技術(shù)，其核心是用傳感器數(shù)據(jù)來估計(jì)狀態(tài)的思路。

機(jī)器人通過傳感器對機(jī)器人自身狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行測量，這里的機(jī)器人狀態(tài)包括機(jī)器人位姿、運(yùn)動里程計(jì)信息、線速度和角速度信息等，而環(huán)境狀態(tài)包括環(huán)境中物體的位置、物體的特征等。機(jī)器人同時(shí)利用控制動作來調(diào)用執(zhí)行機(jī)構(gòu)和環(huán)境進(jìn)行交互，這里的控制動作包括機(jī)器人運(yùn)動、物體操縱等。這樣，機(jī)器人在通過傳感器測量和控制動作與環(huán)境進(jìn)行交互的過程中，對環(huán)境模型和機(jī)器人位姿進(jìn)行估計(jì)。對環(huán)境模型的迭代估計(jì)就是我們常說的環(huán)境建圖，對機(jī)器人位姿的迭代估計(jì)就是我們常說的機(jī)器人定位。

利用傳感器測量和控制動作對環(huán)境模型和機(jī)器人位姿進(jìn)行估計(jì)由概率法則迭代計(jì)算來完成。控制動作的概率模型我們稱之為運(yùn)動概率模型，傳感器測量的概率模型我們稱之為測量概率模型，這里的概率法則迭代計(jì)算過程就是大名鼎鼎的貝葉斯迭代網(wǎng)絡(luò)。

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（3）貝葉斯濾波及其各種實(shí)現(xiàn)算法

通過對機(jī)器人中狀態(tài)估計(jì)的了解，我們知道了貝葉斯概率法則起著重要的作用，而且大部分計(jì)算置信度的通用算法都是由貝葉斯算法給出的。這里說的貝葉斯算法也稱作貝葉斯濾波，該算法根據(jù)測量和控制數(shù)據(jù)計(jì)算置信度分布bel()。貝葉斯濾波是一種遞歸算法，也就是說t時(shí)刻的置信度由t-1時(shí)刻的置信度來計(jì)算。

貝葉斯濾波算法具有兩個(gè)基本步驟，即預(yù)測和更新。根據(jù)運(yùn)動概率模型，可以對初步的預(yù)測置信度分布；然后利用測量概率模型，對上一步預(yù)測得到的置信度分布做進(jìn)一步的更新計(jì)算。貝葉斯濾波的具體實(shí)現(xiàn)算法有多種，根據(jù)置信度表示方式的不同，貝葉斯濾波的具體實(shí)現(xiàn)算法可以分為參數(shù)化實(shí)現(xiàn)算法和非參數(shù)化實(shí)現(xiàn)算法兩種。參數(shù)化實(shí)現(xiàn)算法，就是將置信度分布用多元高斯分布的參數(shù)進(jìn)行表示。根據(jù)采用不同高斯分布的參數(shù)，又可以分為卡爾曼濾波和信息濾波。非參數(shù)化實(shí)現(xiàn)算法，就是將置信度分布用有限數(shù)量的具體值來近似表示。根據(jù)采用不同具體值近似的方法，又可以分為直方圖濾波和粒子濾波。

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由于貝葉斯濾波理論及各種具體實(shí)現(xiàn)算法涉及到大量深奧的數(shù)學(xué)知識，由于篇幅和個(gè)人能力受限，就不展開了，有興趣的朋友可以參閱《概率機(jī)器人》這本書，這里面有細(xì)致的講解和推導(dǎo)。為了加深大家在閱讀和編寫代碼時(shí)的理解，這里貼出了貝葉斯濾波的偽代碼實(shí)現(xiàn)，和機(jī)器人中廣泛應(yīng)用的卡爾曼濾波和粒子濾波的展示實(shí)例。

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（4）機(jī)器人中的運(yùn)動與測量概率模型

了解了機(jī)器人中的狀態(tài)估計(jì)及各種濾波概率算法后，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動和測量概率模型對算法中的預(yù)測和更新步驟起著至關(guān)重要的作用。

運(yùn)動模型我們都知道，就是機(jī)器人一個(gè)地方運(yùn)動到另一個(gè)地方，位姿變化與運(yùn)動控制量之間的關(guān)系。那什么叫運(yùn)動概率模型呢？由于控制量作用在機(jī)器人上使機(jī)器人的位姿變化的過程是一個(gè)存在誤差的不確定過程，所以控制量作用后產(chǎn)生的結(jié)果需要用一個(gè)概率分布來描述，這就是運(yùn)動概率模型。根據(jù)運(yùn)動控制量的不同，可以分成速度運(yùn)動模型和里程計(jì)運(yùn)動模型。速度運(yùn)動模型中，控制量是線速度和角速度；里程計(jì)運(yùn)動模型中，控制量是機(jī)器人的前后時(shí)刻的相對位姿。速度運(yùn)動模型中，線速度和角速度會受到機(jī)器人底盤構(gòu)造的約束。實(shí)驗(yàn)表明，里程計(jì)運(yùn)動模型雖然仍存在誤差，但比速度運(yùn)動模型要更精確。

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同樣的道理，機(jī)器人上的傳感器在測量過程中存在誤差，所以測量結(jié)果需要用一個(gè)概率分布來描述。主要討論當(dāng)下最流行的機(jī)器人測距儀，即激光掃描測距儀。由測距儀的近似物理模型，可以沿著一個(gè)波束測量到附近物體的距離，也就是波束模型。另一種測距儀模型不依賴任何傳感器的物理模型，而是將傳感器掃描到的終點(diǎn)值映射到地圖的全局坐標(biāo)空間，這就是似然域模型。估計(jì)一個(gè)測量和地圖之間的相關(guān)性中，測距儀用到了地圖匹配模型。還有一種是從傳感器原始測量中提取特征，提取出來的特征我們可以稱之為路標(biāo)，這就是路標(biāo)模型。

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（5）移動機(jī)器人定位與建圖

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在了解了機(jī)器人中的狀態(tài)估計(jì)、狀態(tài)估計(jì)的各種概率實(shí)現(xiàn)算法、機(jī)器人運(yùn)動與測量概率模型，我們再來重新理解上面這樣一個(gè)經(jīng)典的貝葉斯迭代網(wǎng)絡(luò)，就很好理解了，這個(gè)里面包含了機(jī)器人定位和建圖兩大問題。機(jī)器人的定位其實(shí)就是位姿估計(jì)問題，位姿估計(jì)的概率實(shí)現(xiàn)算法可以有上面提到的EKF、AMCL等算法來實(shí)現(xiàn)，由于這兩種算法在機(jī)器人位姿估計(jì)中都很流行，所以就不多展開了。機(jī)器人的建圖其實(shí)就是環(huán)境特征估計(jì)問題，同樣也可以用概率的方法就行估計(jì)。

（6）SLAM同時(shí)定位與建圖

上面已經(jīng)單獨(dú)的提出了機(jī)器人定位與機(jī)器人建圖的方法，但是獨(dú)立的定位問題是建立在地圖已知的情況下的，單獨(dú)的建圖問題也是建立在定位已知的情況下的。當(dāng)機(jī)器人不能得到環(huán)境地圖，也不知道自身位姿的時(shí)候，SLAM問題就出現(xiàn)了。也就是說SLAM要同時(shí)的進(jìn)行機(jī)器人定位和建圖，這個(gè)問題比單獨(dú)的定位和單獨(dú)的建圖都要難得多。

在討論具體的SLAM算法之前，我們先要了解SLAM的兩種主要形式：在線SLAM問題和全SLAM問題。

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在線SLAM算法的代表是EKF SLAM，歷史上最早并可能是最有影響力的SLAM算法，可以說是SLAM研究的元老級算法。EKF SLAM中的地圖是基于特征的，地圖由點(diǎn)地標(biāo)組成。除了估計(jì)機(jī)器人當(dāng)前的位姿，EKF SLAM算法還估計(jì)路徑上遇到的所有地標(biāo)的坐標(biāo)，也就是機(jī)器人位姿和地圖地標(biāo)點(diǎn)包含進(jìn)聯(lián)合狀態(tài)矢量里，算法對該聯(lián)合狀態(tài)矢量進(jìn)行估計(jì)。

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全SLAM算法的代表是GraphSLAM，該算法將機(jī)器人的運(yùn)動路徑和測量組件成一個(gè)軟約束的圖，利用圖論中的優(yōu)化算法對整個(gè)圖中的軌跡點(diǎn)和測量點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。由于圖的稀疏性特點(diǎn)，可以大大加快計(jì)算。

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EKF SLAM和GraphSLAM是兩個(gè)極端。EKF SLAM需要取得每一時(shí)刻的信息，把信息分解為概率分布，因此每一步的計(jì)算代價(jià)都非常昂貴。而GraphSLAM剛好相反，只是簡單的積累每一時(shí)刻的信息，也就是簡單的將收到的信息存儲下來，然后可以離線的進(jìn)行推理的步驟，加之存儲下來的信息的稀疏性，因此GraphSLAM計(jì)算的開銷是比較小的，但是隨著地圖規(guī)模擴(kuò)大算法會消耗越來越多的內(nèi)存直至崩潰。面對這兩個(gè)極端問題，當(dāng)然就會有介于EKF SLAM和GraphSLAM是兩個(gè)極端之間的折中的方法，就是SEIF SLAM。SEIF SLAM算法繼承了EKF SLAM信息表示的高效性，也保留了GraphSLAM計(jì)算代價(jià)小的優(yōu)點(diǎn)，可以說SEIF SLAM是高效和可實(shí)現(xiàn)的SLAM算法。還有另外一種高效和可實(shí)現(xiàn)的SLAM算法，就是FastSLAM，該算法使用粒子濾波估計(jì)機(jī)器人的路徑，我們都知道粒子濾波和眾多基于參數(shù)化的濾波算法相比存在計(jì)算開銷小和便于處理非線性模型的優(yōu)勢，基于FastSLAM的多個(gè)變種算法在機(jī)器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用了，比如gmapping等等，由于篇幅限制就不展開了。

（7）現(xiàn)今主流的SLAM算法

現(xiàn)今在機(jī)器人上使用最廣泛的應(yīng)該算激光SLAM了，在掃地機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、AGV智能車上普遍搭載了單線激光雷達(dá)SLAM算法，像無人駕駛汽車、戶外機(jī)器人則普遍搭載了多線激光雷達(dá)SLAM。另一種熱門的研究是視覺SLAM，視覺SLAM有配備單目、雙目、深度相機(jī)的多種形態(tài)，并且根據(jù)采用視覺特征點(diǎn)的區(qū)別還有直接法、半直接法、稀疏法之分。然后還有就是各種復(fù)合式的SLAM算法，比如激光與視覺融合的SLAM、融合了IMU的視覺SLAM。最后，就是一些最新穎的SLAM算法，比如用深度學(xué)習(xí)來做的端到端的SLAM、基于物體識別的語義SLAM。由于本文的重點(diǎn)不是SLAM綜述，所以具體的算法性能比較就不展開了，有興趣的朋友可以參閱相關(guān)SLAM綜述文章。

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（8）機(jī)器人自主導(dǎo)航與動態(tài)避障

機(jī)器人用SLAM構(gòu)建出了環(huán)境的地圖，在已知了環(huán)境地圖的情況下，可以用SLAM的重定位功能或者單獨(dú)的基于已知地圖的定位算法比如AMCL來進(jìn)行機(jī)器人的定位。環(huán)境地圖和機(jī)器人位姿都有了，就可以開始來做自主導(dǎo)航和避障了。機(jī)器人自主導(dǎo)航可以分成兩個(gè)實(shí)現(xiàn)部分，第一個(gè)部分就是路徑規(guī)劃，第二個(gè)部分就是控制策略。路徑規(guī)劃利用地圖信息尋找一條能到達(dá)目標(biāo)的全局路徑，全局路徑在機(jī)器人導(dǎo)航過程中起到全局戰(zhàn)略性的指導(dǎo)。理想情況是，機(jī)器人完全按照全局路徑移動到目標(biāo)，但是實(shí)際環(huán)境往往是多變和復(fù)雜的，而且機(jī)器人實(shí)際控制也會存在偏差，所以機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動控制需要有一套控制策略來最終實(shí)現(xiàn)?？刂撇呗孕枰M量逼近全局路徑、盡量遠(yuǎn)離障礙物、最快時(shí)間到達(dá)目標(biāo)等因素，這些因素可以用一個(gè)回報(bào)函數(shù)來評價(jià)，尋找最佳控制策略的過程中遞歸的計(jì)算每一次行動的回報(bào)函數(shù)值。這樣控制策略在回報(bào)函數(shù)的指引下，就可以給出最佳的控制策略，控制策略控制機(jī)器人完成實(shí)際的移動。

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1.2.關(guān)于ROS

ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域很流行，依托代碼開源和模塊間協(xié)作等特性，給機(jī)器人開發(fā)者帶來了很大的方便。

ROS是一個(gè)適用于機(jī)器人的開源的元操作系統(tǒng)。其實(shí)它并不是一個(gè)真正的操作系統(tǒng)，其底層的任務(wù)調(diào)度、編譯、尋址等任務(wù)還是由Linux操作系統(tǒng)完成，也就是說ROS實(shí)際上是運(yùn)行在Linux上的次級操作系統(tǒng)。但是ROS提供了操作系統(tǒng)應(yīng)用的各種服務(wù)（如：硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用函數(shù)實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞、軟件包管理等），也提供了用于獲取、編譯、跨平臺運(yùn)行代碼的工具和函數(shù)。ROS主要采用松耦合點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)通信，目前主要還是支持Ubuntu系統(tǒng)，windows和Mac OS目前支持的還不好，所以推薦在Ubuntu系統(tǒng)上安裝使用ROS。

總結(jié)起來就是，使用ROS能夠方便迅速的搭建機(jī)器人原型。ROS使用了BSD許可證，這是一個(gè)很寬松的開放許可證，允許在商業(yè)和閉源產(chǎn)品中使用，這一點(diǎn)對開發(fā)產(chǎn)品的創(chuàng)業(yè)公司很重要。ROS當(dāng)前的代碼統(tǒng)計(jì)量，總行數(shù)超過1400萬，作者超過2477名。代碼語言以C++為主，63.98%的代碼是用C++編寫的，排名第二的是python，占13.57%，可以說ROS基本上都是使用這兩種語言，來實(shí)現(xiàn)大部分的功能。

大家一聽到ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，就被操作系統(tǒng)幾個(gè)字給嚇到了。其實(shí)，ROS就是一個(gè)分布式的通信機(jī)制，幫助程序進(jìn)程之間更方便的通信。由于機(jī)器人是一個(gè)多部件的設(shè)備，四肢、視覺、聽覺等部位都有配套的程序進(jìn)行控制，那么要協(xié)調(diào)這些部位怎么辦呢？就需要讓這些分散的部位能夠互相的通信，這正是ROS被設(shè)計(jì)的最初目的。隨著越來越多的人參與到ROS的開發(fā)完善，ROS才發(fā)展成今天很完善很系統(tǒng)的樣子來，涵蓋了大量的第三方工具和大量的實(shí)用的開源算法軟件包。搞懂了ROS的通信機(jī)制后，機(jī)器人的各種算法的開發(fā)還是基于我們常見的C++和Python的。

節(jié)點(diǎn)是主要的計(jì)算執(zhí)行進(jìn)程，功能包中創(chuàng)建的每個(gè)可執(zhí)行程序在被啟動加載到系統(tǒng)進(jìn)程中后，該進(jìn)程就是一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)，node1、node2、node3等都是節(jié)點(diǎn)（node）。節(jié)點(diǎn)都是各自獨(dú)立的可執(zhí)行文件，能夠通過主題（topic）、服務(wù)（server）或參數(shù)服務(wù)器（parameter server）與其他節(jié)點(diǎn)通信。ROS通過使用節(jié)點(diǎn)將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)的容錯力和可維護(hù)性。所以你最好讓每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有特定的單一的功能，而不是創(chuàng)建一個(gè)包羅萬象的大節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)如果用c++進(jìn)行編寫，需要用到ROS提供的庫roscpp；節(jié)點(diǎn)如果用python進(jìn)行編寫，需要用到ROS提供的庫rospy。

如果你是剛剛接手ROS方面的開發(fā)或項(xiàng)目，你肯定會覺得ROS中的各種概念非常奇怪，但是當(dāng)你對ROS的使用熟練之后，你就覺得這些概念很好理解了。與其他操作系統(tǒng)相似，一個(gè)ROS程序的不同組件要被放在不同的文件夾下，這些文件夾是根據(jù)不同的功能來對文件進(jìn)行組織的。

1.3.SLAM與ROS的關(guān)系

SLAM最核心的地方在算法，側(cè)重點(diǎn)在于如何構(gòu)建出效果好的地圖，并為機(jī)器人導(dǎo)航提供更好的數(shù)據(jù)保障。ROS幫忙解決傳感器驅(qū)動、顯示、各種核心算法間的溝通協(xié)調(diào)問題。如果做商用產(chǎn)品就另當(dāng)別論了，商業(yè)的產(chǎn)品一般會專門開發(fā)自己的一套驅(qū)動、調(diào)度、顯示的系統(tǒng)，或者拿ROS系統(tǒng)來裁剪以保障穩(wěn)定性和效率。

2.ROS移動機(jī)器人的整體構(gòu)造

2.1.硬件構(gòu)造解析

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一個(gè)典型的ROS移動機(jī)器人的硬件構(gòu)造包括：帶編碼器的減速電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動板、IMU模塊、激光雷達(dá)、ROS主機(jī)、麥克風(fēng)、攝像頭、喇叭。帶編碼器的減速電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動板、IMU模塊、激光雷達(dá)應(yīng)該是SLAM導(dǎo)航避障的標(biāo)配硬件，ROS主機(jī)是機(jī)器人的計(jì)算中心（運(yùn)行SLAM導(dǎo)航算法等），麥克風(fēng)、攝像頭、喇叭是完成語音交互和圖像感知時(shí)需要的。

2.2.電機(jī)解析

（1）電機(jī)的種類

按照電機(jī)的電源類型分為直流電機(jī)、交流電機(jī)，按照電機(jī)的換相方式分為有刷電機(jī)、無刷電機(jī)，按照電機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)。

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（2）減速箱

電機(jī)在實(shí)際的使用中，往往配合減速箱一起使用，來提高輸出力矩和載重性能。減速箱有普通的減速箱和行星減速箱。行星減速箱的優(yōu)勢是產(chǎn)生同等減速比條件下減速箱體積可以更小，一般一些對體積敏感的地方用的多吧。

（3）編碼器

編碼器起著對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量反饋的重要部件，有霍爾編碼器、光電編碼器、碳刷編碼器等，編碼器通常采用正交編碼去形式進(jìn)行信號輸出，也就是AB兩相信號正交輸出，有些還會有Z相信號對轉(zhuǎn)過一圈進(jìn)行脈沖輸出。

（4）電調(diào)

電調(diào)產(chǎn)生電機(jī)需要的相位信號，并且通過PWM等方式對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。像一些小功率的直流有刷電機(jī)，電調(diào)其實(shí)就是一個(gè)H全橋電路，PWM信號控制H橋的四個(gè)臂起到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的目的。像一些大功率的直流無刷電機(jī)，電調(diào)的構(gòu)造就比較復(fù)雜了，電調(diào)需要實(shí)現(xiàn)多相控制信號產(chǎn)生、電子換相、保護(hù)等。

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（5）移動機(jī)器人電機(jī)選型

電機(jī)是移動機(jī)器人的動力核心，所以選擇合適的電機(jī)對一個(gè)移動機(jī)器人還是很重要的。電機(jī)的選型不僅要考慮參數(shù)性能，比如轉(zhuǎn)速、力矩、載重、體積，還要考慮成本、安全、可實(shí)現(xiàn)性。如果是10KG載重級別的小型移動機(jī)器人，可以選擇DC 12V帶編碼直流有刷減速電機(jī)就可以了。如果載重在30KG及以上的移動機(jī)器人的話，就需要選擇功率和效率更高的無刷電機(jī)了，無刷電機(jī)的功率和減速箱參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際機(jī)器人的載重和運(yùn)動速度來選擇。

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2.3.電機(jī)驅(qū)動板解析

在了解過移動機(jī)器人的電機(jī)及選型，很自然就會想到接下來用什么來控制電機(jī)動起來呢？電機(jī)控制需要有PID控制，所以電機(jī)驅(qū)動板主要是用來實(shí)現(xiàn)PID控制的，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動板也負(fù)責(zé)和上位機(jī)通信實(shí)時(shí)解析上位機(jī)發(fā)過來的速度指令和反饋電機(jī)的速度信息給上位機(jī)。電機(jī)驅(qū)動板一般選用的是STM32或者Arduino單片機(jī)這樣的嵌入式MCU板子，有朋友可能會問既然都有上位機(jī)了（這里的上位機(jī)通常是電腦或搭載了操作系統(tǒng)的ARM主機(jī)）為什么不直接拿上位機(jī)來控制電機(jī)呢？首先，電機(jī)控制PID是實(shí)時(shí)性算法，也就是嚴(yán)格的實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動的邏輯，一般的上位機(jī)系統(tǒng)不能滿足這種高實(shí)時(shí)性的需求；另外就是出于系統(tǒng)解耦合和模塊化設(shè)計(jì)的考慮，單獨(dú)用一個(gè)價(jià)格便宜的MCU來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

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電機(jī)驅(qū)動板的另一個(gè)重要功能是跟上位機(jī)通信，借助上位機(jī)上的ROS驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)用ROS來操控電機(jī)并獲取電機(jī)編碼器反饋的里程計(jì)信息。也就是說，電機(jī)驅(qū)動板+電調(diào)+電機(jī)組成的一個(gè)整體的硬件可以當(dāng)做是ROS機(jī)器人的一個(gè)傳感器來使用，只需要在上位機(jī)上啟動相應(yīng)的ROS驅(qū)動程序，就可以在ROS中直接操控電機(jī)和獲取里程計(jì)了。這樣的一個(gè)效果就是前面提到的系統(tǒng)解耦合與模塊化的設(shè)計(jì)思想，這樣的設(shè)計(jì)對很多不懂硬件的ROS開發(fā)工程師來說是非常友好的，畢竟不用考慮繁瑣的硬件問題了。

2.4.底盤驅(qū)動方式的解析

在了解了電機(jī)選型和電機(jī)控制板的作用后，底盤驅(qū)動方式是移動機(jī)器人另一個(gè)重要的考慮問題。底盤驅(qū)動方式，簡單點(diǎn)說就是輪子如何布局和速度合成來讓機(jī)器人靈活的行走。按照每個(gè)輪子的速度輸出是否受約束，也就是一個(gè)輪子是否可以獨(dú)立的輸出速度而不考慮別的輪子輸出速度的約束。約束型的底盤驅(qū)動方式有：差分驅(qū)動、阿克曼驅(qū)動、同步驅(qū)動。非完整約束型的底盤驅(qū)動方式有：全向驅(qū)動、腿足驅(qū)動。

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差分驅(qū)動的底盤，是最常見的形式，像有名的turtlebot機(jī)器人、pioneer先鋒機(jī)器人、家庭掃地機(jī)器人都是用的這種驅(qū)動方式。差分驅(qū)動，其實(shí)就是左右兩個(gè)主動輪輸出動力，機(jī)器人依靠左右輪的速度差來轉(zhuǎn)彎，這也正是差分驅(qū)動名稱的由來吧，通過控制左右輪產(chǎn)生不同的差速，來讓機(jī)器人以不同的線速度和角速度移動。通常，差分驅(qū)動底盤還會安裝萬向從動輪來起到支撐作用。

阿克曼驅(qū)動的底盤，在汽車上是常見的形式，絕大部分的汽車底盤就屬于阿克曼驅(qū)動型。阿克曼車型的兩個(gè)后輪提供動力輸出，兩個(gè)后輪通過一個(gè)差速器來進(jìn)行速度分配以產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)彎半徑的差速，前方輪由方向盤控制負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)彎。阿克曼車型的關(guān)鍵就在于后輪的差速器，在汽車上，差速器是一個(gè)特殊的齒輪組合結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)車體實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑將發(fā)動機(jī)的輸出速度自動的分配到兩個(gè)輪子上。而在機(jī)器人上，由于驅(qū)動輪一般直接連接電動機(jī)，所以這里的差速器由電子調(diào)速器來替代了。

同步驅(qū)動的底盤，最常見的就是履帶車了，之所以叫同步驅(qū)動，就是同一邊的前輪和后輪速度是一模一樣的，實(shí)在上和差分驅(qū)動形式是一樣的。有一些沒有履帶的四輪底盤，也是同步驅(qū)動方式。同步驅(qū)動的底盤，由于四個(gè)輪子，所以載重可以更大也跟平穩(wěn)。不過相對于差分驅(qū)動底盤來說，輪式里程計(jì)精度就沒那么高了。因?yàn)橥津?qū)動的底盤在平坦的路面轉(zhuǎn)彎時(shí)，車體會不同程度的顫動。所以同步驅(qū)動底盤是不擅長轉(zhuǎn)彎了，轉(zhuǎn)起彎來比較費(fèi)勁。

全向驅(qū)動的底盤，底盤的運(yùn)動是不受約束的，簡單點(diǎn)說就是既可以橫著走，又可以直著走，不需要轉(zhuǎn)動車身方向，就可以朝任意方向前進(jìn)。全向輪為機(jī)器人的移動效率起到了很大的提升作用。尤其是像大型貨運(yùn)倉庫，AGV自動物流搬運(yùn)小車采用全向方式移動能大大節(jié)省時(shí)間。全向輪是關(guān)鍵部件，全向輪又叫麥克納姆輪，構(gòu)造很精巧，不過就是價(jià)格昂貴，在非平坦的路面運(yùn)行起來不那么順暢了。

腿足機(jī)器人，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，就不在討論范圍了，有興趣的朋友可以自己上網(wǎng)了解。

2.5.IMU模塊解析

在移動機(jī)器人中，IMU模塊也是常用的傳感器，IMU通常被用來和輪式里程計(jì)做融合，或者直接參與SLAM建圖。IMU是慣性測量單元的簡稱，用于測量物體的三軸姿態(tài)角（roll、pitch、yaw）、三軸加速度（acc_x、acc_y、acc_z）、三軸角速度（w_x、w_y、w_z）等。有六軸IMU、九軸IMU、十軸IMU等，其實(shí)就是IMU輸出的數(shù)據(jù)的種類來定義的。

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IMU慣性測量單元在制造過程中，由于物理因素，導(dǎo)致IMU慣性測量單元實(shí)際的坐標(biāo)軸與理想的坐標(biāo)軸之間會有一定的偏差，同時(shí)三軸加速度、三軸角速度、三軸磁力計(jì)的原始值會與真實(shí)值有一個(gè)固定的偏差等。這就要求在使用IMU模塊的原始測量數(shù)據(jù)時(shí)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)，來消除軸偏差、固定零點(diǎn)偏差、尺度偏差等的影響。

校準(zhǔn)過程，其實(shí)就是求解誤差校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型等式右邊的各個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)。求解校準(zhǔn)系數(shù)一般采用最小二次法或矩陣求逆來實(shí)現(xiàn)，具體的過程可以參考IMU校準(zhǔn)方面的論文。

IMU數(shù)據(jù)校準(zhǔn)完成后，還需要拿IMU各個(gè)軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合來得到三軸姿態(tài)角（roll、pitch、yaw）。姿態(tài)融合算法有很多種，其中比較流行的有EKF姿態(tài)融合。

可想而知，要在移動機(jī)器人中使用IMU模塊的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)里程計(jì)融合或SLAM建圖，我們需要首先完成更底層的IMU誤差校準(zhǔn)和姿態(tài)角融合兩個(gè)過程。遺憾的是，很多做上層算法開發(fā)的小伙伴，對IMU模塊底層MCU級別的程序開發(fā)并不擅長，市面上售賣的IMU模塊大部分都不帶誤差校準(zhǔn)和姿態(tài)角融合，有些內(nèi)置了誤差校準(zhǔn)和姿態(tài)角融合的IMU模塊價(jià)格又太過昂貴。期待不就的將來，能有帶誤差校準(zhǔn)和姿態(tài)角融合的IMU模塊出現(xiàn)，而且價(jià)格又能被廣大機(jī)器人愛好者接受的好產(chǎn)品。

2.6.激光雷達(dá)解析

在移動機(jī)器人中，獲取機(jī)器人周圍障礙物和環(huán)境的輪廓形狀是非常重要的。使用激光雷達(dá)正是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。利用掃描得到的障礙物信息，機(jī)器人就可以利用SLAM建立地圖、并進(jìn)行避障和自主導(dǎo)航。激光雷達(dá)之所以流行，得益于它能夠精確的測距。主流的激光雷達(dá)基于兩種原理：一種是三角測距法，另一種是飛行時(shí)間（TOF）測距法。其實(shí)很好理解，就是利用了最基本的數(shù)學(xué)與物理知識。

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激光雷達(dá)有單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)，應(yīng)用場合不一樣，價(jià)格也差距懸殊。室內(nèi)移動機(jī)器人一般用的是單線激光雷達(dá)，價(jià)格從幾百塊到幾千塊的都有。國內(nèi)比較早做單線激光雷達(dá)的有上海思嵐的rplidar雷達(dá)，后起之秀有深圳鐳神智能的LS系列雷達(dá)、大族激光的杉川系列雷達(dá)、深圳玩智科技的EAI雷達(dá)等等，國外的老牌子雷達(dá)就有日本的HOKUYO雷達(dá)、德國的SICK雷達(dá)都是很有名的。

室外的無人駕駛汽車一般都配備有多線激光雷達(dá)，多線激光雷達(dá)一般有16線、32線、64線、128線等等。當(dāng)然線數(shù)越多掃描到的信息也就越多，價(jià)格自然也就越貴。Velodyne公司是美國知名的多線激光雷達(dá)制造商，其VL系列的多線激光雷達(dá)也是很有名，價(jià)格也是從幾萬塊到幾十萬不等。國內(nèi)做多線激光雷達(dá)的有速騰、鐳神都有在做。

2.7.ROS主機(jī)解析

機(jī)器人的處理核心通常是一個(gè)運(yùn)行ROS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)主機(jī)，有的復(fù)雜一點(diǎn)的機(jī)器人還會有好幾個(gè)計(jì)算機(jī)主機(jī)，比如一個(gè)用來搭載ROS系統(tǒng)運(yùn)行各種機(jī)器人算法，另一個(gè)用來搭載Android系統(tǒng)運(yùn)行用戶交互界面。不過這里僅討論搭載ROS系統(tǒng)的主機(jī)，有些朋友為了省錢直接用筆記本電腦作為ROS主機(jī)直接塞進(jìn)機(jī)器人，這種情況除外。搭載在機(jī)器人上的ROS計(jì)算機(jī)主機(jī)，需要考慮編寫安裝問題和功耗問題，這里就列舉一些常用的ROS主機(jī)供大家參考吧。

首先是中低端機(jī)器人中使用最廣泛的樹莓派，尤其是樹莓派3B這個(gè)最為流行的型號，當(dāng)然最近也推出的3B+升級版本型號。樹莓派是極致性價(jià)比的板子了，200塊錢的板子，配置了cortex-A53的處理器和1GB內(nèi)存，簡直就是最便宜的價(jià)格最頂配的性能了，并且官方有支持的ubuntu-mate系統(tǒng)也是超級給力，所以初學(xué)者選用這個(gè)板子是非常適合的。

然后中高端機(jī)器人可以選擇瑞星微RK3399這款國產(chǎn)芯片出的板子，螢火蟲和友善之臂都有出RK3399對應(yīng)的板子。RK3399板子價(jià)格在1000塊錢左右，配置了雙核cortex-A72+四核cortex-A53的處理器，處理器絕對是給力的，配置的內(nèi)存2GB/4GB可選。搭載裁剪版的Lubuntu或Xubuntu也是很不錯的。

如果是高端機(jī)器人可以選擇Nvidia家的jetson-tx2這個(gè)板子，這個(gè)板子號稱是可以搭載在核彈上的板子，可想而知性能是非常牛的。板子售價(jià)4000塊錢左右，有點(diǎn)小貴。配置了四核cortex-A57的處理器，256個(gè)CUDA核心的英偉達(dá)自家的帕斯卡架構(gòu)GPU，內(nèi)存8GB。板子的亮點(diǎn)是GPU，非常適合用來做深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺方面的應(yīng)用。

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選擇好一款適合的ROS主機(jī)后，就可以在主機(jī)上安裝ubuntu系統(tǒng)了，然后再在ubuntu系統(tǒng)上安裝ROS系統(tǒng)，最后就可以下載各種開源SLAM算法開始運(yùn)行測試了，當(dāng)然前提是你得有一個(gè)能移動的機(jī)器人并且各個(gè)傳感器都是配備好了的。

2.8.攝像頭解析

機(jī)器人上搭載攝像頭，可以用來做視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、人臉識別和追蹤、視覺SLAM等等?？梢赃x擇的攝像頭有單目（mono）、雙目（stereo）和深度（RGBD）攝像頭。如果是做視覺SLAM的朋友，需要對不同攝像頭的優(yōu)缺點(diǎn)有個(gè)了解。單目攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，缺點(diǎn)是在單張圖片里，無法確定一個(gè)物體的真實(shí)大小。它可能是一個(gè)很大但很遠(yuǎn)的物體，也可能是一個(gè)很近很小的物體。通過相機(jī)的運(yùn)動形成視差，可以測量物體相對深度。但是單目SLAM估計(jì)的軌跡和地圖將與真實(shí)的軌跡和地圖相差一個(gè)因子，也就是尺度（scale），單憑圖像無法確定這個(gè)真實(shí)尺度，所以稱尺度不確定性。雙目攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是基線距離越大，能夠測量的距離就越遠(yuǎn)；并且可以運(yùn)用到室內(nèi)和室外。缺點(diǎn)是配置與標(biāo)定較為復(fù)雜，深度量程和精度受到雙目基線與分辨率限制，視差計(jì)算非常消耗計(jì)算資源，需要GPU/FPGA設(shè)備加速。深度攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是通過結(jié)構(gòu)光或ToF(time of fly)的物理方法測量物體深度信息，典型代表Kinect/xtion pro/RealSense。缺點(diǎn)是測量范圍窄，噪聲大，視野小，易受日光干擾，無法測量透射材質(zhì)等問題，主要用在室內(nèi)，室外很難應(yīng)用。

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2.9.麥克風(fēng)解析

對于需要進(jìn)行語音交互的機(jī)器人來說，麥克風(fēng)是標(biāo)配。麥克風(fēng)可以分為陣列形麥克風(fēng)和普通的麥克風(fēng)。如果只是簡單的錄音和識別，選擇價(jià)格便宜的靈敏度高一點(diǎn)的普通麥克風(fēng)就可以了。對于語音交互有較高要求，需要做聲源定位、回聲消除、命令詞喚醒這些的話，就必須選擇用陣列麥克風(fēng)了。

3.商業(yè)應(yīng)用ROS機(jī)器人

商業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人形態(tài)各異，功能豐富多彩，讓人們眼花繚亂，誤認(rèn)為機(jī)器人的時(shí)代已經(jīng)到來了。但是大部分市面上能看到的機(jī)器人功能相似，智能水平還很有限。一類機(jī)器人是主打自主移動導(dǎo)航類型的，比如掃地機(jī)器人、送餐機(jī)器人、送快遞機(jī)器人、噴農(nóng)藥機(jī)器人等。一類機(jī)器人是偏向娛樂性的語音交互機(jī)器人，比如桌面型語音助理機(jī)器人、智能音響之類的。還有一類機(jī)器人是偏內(nèi)容生產(chǎn)的，就是機(jī)器人本體和導(dǎo)航技術(shù)語音交互技術(shù)都不是自己做的，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)機(jī)器人的內(nèi)容，比如菜譜機(jī)器人、英語早教機(jī)器人、會唱歌會跳舞的機(jī)器人。下面就結(jié)合一些實(shí)際的案例，進(jìn)行詳細(xì)一點(diǎn)的分析，幫助大家更好的理解ROS機(jī)器人這個(gè)行業(yè)的現(xiàn)狀。

3.1.SLAM建圖導(dǎo)航的應(yīng)用案例

（1）智慧農(nóng)業(yè)自動噴藥機(jī)器人

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這是一個(gè)規(guī)?；墓麍@里面，能夠自動噴藥和配合人工運(yùn)輸采摘下來的果實(shí)的機(jī)器人。在這樣的應(yīng)用場景，用機(jī)器人取代重復(fù)繁重的工作是很有意義的。機(jī)器人前端安裝了一臺3D激光雷達(dá)，能夠感知果園道路兩旁的果樹并進(jìn)行避障。感興趣的朋友，可以讀一下這篇論文。

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（2）智慧餐廳送餐機(jī)器人

這是一個(gè)典型的餐廳場景下自動送餐的機(jī)器人，機(jī)器人的主要功能就是自主的導(dǎo)航避障，將托盤上的飯菜送達(dá)客人的餐桌，配合語音提示和顯示屏的交互來滿足客人的點(diǎn)餐需求。其實(shí)這樣的應(yīng)用場景，機(jī)器人采用固定的軌道或磁條導(dǎo)航就已經(jīng)夠用了。畢竟機(jī)器人是用來為人類提供服務(wù)的，只要能提供穩(wěn)定高效的服務(wù)，不必刻意最求技術(shù)有多先進(jìn)。但是磁條導(dǎo)航也是有缺陷的，就是磁條的鋪設(shè)比較麻煩，不同的餐廳需要進(jìn)行不同的鋪設(shè)，并且磁條時(shí)間久了也會損壞需要維修。所以也有很多送餐機(jī)器人開始嘗試SLAM導(dǎo)航了。同樣，餐廳服務(wù)員的工作也相對繁瑣和管理成本高。如果用機(jī)器人來替代，不僅可以提高效率，還可以方便用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，非常適合標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）樓宇送快遞機(jī)器人

說起送快遞的機(jī)器人，最有需求的莫過于大型電商平臺了。以前是消費(fèi)者在平臺上下單，還需要快遞員層層轉(zhuǎn)運(yùn)才能最終送到買家手中。隨著物流自動分揀倉庫的越來越普及，物流問題最終就集中在最后一公里配送了。如果能用機(jī)器人運(yùn)輸快遞來解決最后一公里的問題，買家從下單到收到快遞完全自動化的了，這個(gè)可以說是行業(yè)的一種顛覆。公眾和企業(yè)都在期待呀，作為自建物流配送的京東來說，當(dāng)然要大力發(fā)展快遞機(jī)器人嘍。所以說，快遞機(jī)器人一旦能成熟的商用，給廣大消費(fèi)者會帶來非常大的便利。

（4）大型機(jī)房智能巡檢機(jī)器人??

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一個(gè)大型的機(jī)房，有成百上千臺服務(wù)主機(jī)。要實(shí)時(shí)監(jiān)測每臺主機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，比如主機(jī)的溫度、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、電源指示燈等是否正常。在這樣一種高噪音高輻射的惡劣環(huán)境里，用人來完成日常巡檢工作異常困難。所以，利用自主移動機(jī)器人配合機(jī)器視覺等機(jī)會就能解決不少問題。類似的場景還有圖書館、變電站、甚至核電站。

3.2.商業(yè)ROS機(jī)器人相關(guān)公司

（1）日本軟銀集團(tuán)pepper

軟銀的pepper是一款很有名的人形機(jī)器人了，在展會上看到過，手臂揮舞配合說話的語音腔調(diào)，還蠻有人情味的。這款機(jī)器人主要是用在服務(wù)業(yè)和零售業(yè)的吧，比如說當(dāng)迎賓和解說之類的。

（2）北京進(jìn)化者機(jī)器人公司的小胖

小胖機(jī)器人的用戶體驗(yàn)和功能算是做的非常好的了，至少來說算是真正能為人類做點(diǎn)事情的。比如投影儀功能、空氣凈化功能、配孩子寫作業(yè)。機(jī)器人這個(gè)行業(yè)要能做到這些功能還要控制好價(jià)格真的太不容易了。而且小胖機(jī)器人定位2~14歲孩子這樣一個(gè)用戶群體，定位很好，至少現(xiàn)階段還很初級的人工智能技術(shù)也只能在小孩子中發(fā)揮作用。雖然說人們想象中的完全智能的機(jī)器人還很遙遠(yuǎn)，但在可控范圍內(nèi)提供特定功能的機(jī)器人還是由不少的用處的。小胖機(jī)器人也是為數(shù)不多能量產(chǎn)的家庭服務(wù)機(jī)器人了吧。

（3）上海思嵐科技的ZEUS

思嵐是做激光雷達(dá)的，有名的rplidar大家都很熟悉，依托自家的激光雷達(dá)，同時(shí)開發(fā)了配套的SLAM導(dǎo)航算法板，陸續(xù)又推出了APOLLO和ZEUS系列的移動底盤解決方案。想往SLAM導(dǎo)航方案公司發(fā)展吧，導(dǎo)航方案的具體效果嘛這個(gè)還不好說，畢竟整個(gè)行業(yè)目前還沒什么大的突破。

（4）上海高仙機(jī)器人公司的室外機(jī)器人

高仙機(jī)器人主打的是室外環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)器人、安防監(jiān)控機(jī)器人、樓宇物流機(jī)器人。專注于室外的SLAM導(dǎo)航技術(shù)，SLAM導(dǎo)航方案在行業(yè)內(nèi)做的相對也是不錯的。

（5）云跡科技的大潤機(jī)器人

云跡專注的是酒店服務(wù)員機(jī)器人這樣一個(gè)特定場景，幫助入住酒店的顧客進(jìn)行導(dǎo)引和提供遞送飲料毛巾之類的服務(wù)。機(jī)器人可以幫助顧客智能開鎖、呼叫前臺、酒店資訊查詢。亮點(diǎn)之一是可以自動上下電梯，這個(gè)在酒店應(yīng)用環(huán)境真的很實(shí)用。在酒店這樣一個(gè)相對穩(wěn)定簡單的場景下，SLAM導(dǎo)航工作還是比較穩(wěn)定的，這也是云跡著眼的比較好的一個(gè)點(diǎn)。

（6）交通銀行大堂機(jī)器人嬌嬌

嬌嬌在網(wǎng)上火了一把，吸引了不少流量。嬌嬌的最大特點(diǎn)是幽默風(fēng)趣的聊天技巧和賣萌的表情。有很多人懷疑機(jī)器人后面是不是有人工控制，不然以當(dāng)前的人工智能水平怎么可能達(dá)到這樣逼真的效果。技術(shù)問題我們暫且不用去糾結(jié)，畢竟嬌嬌這樣一個(gè)走紅的機(jī)器人確實(shí)能說明機(jī)器人在一些方面確實(shí)能起到作用。

3.3.商業(yè)ROS機(jī)器人兩大發(fā)展思路

機(jī)器人幾大核心技術(shù)還沒有明顯突破，眾多資本進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，導(dǎo)致了各種機(jī)器人是同質(zhì)化嚴(yán)重，這個(gè)本來未成熟的藍(lán)海變成了紅海。那么各大機(jī)器人公司都是怎樣的發(fā)展思路呢？這里就做一些分析吧，下面主要介紹兩種發(fā)展思路：核心部件和系統(tǒng)集成。

（1）核心部件

一開始機(jī)器人這個(gè)行業(yè)前途明朗的情況下，很多創(chuàng)業(yè)公司選擇機(jī)器人上的摸個(gè)重要部件作為公司的主打產(chǎn)品，一方面是降低風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也算是發(fā)展自己的核心技術(shù)優(yōu)勢吧。

激光雷達(dá)就屬于其中一種核心部件，比如思嵐、鐳神、北醒都是從激光雷達(dá)傳感器開始做起來的，等到激光雷達(dá)有市場了，就開始依托自家的激光雷達(dá)來開發(fā)配套的SLAM導(dǎo)航方案，慢慢的就開始給客戶提供個(gè)性化的定制機(jī)器人方案了。

移動底盤也屬于其中一種核心部件，比如深圳玩智科技、高仙機(jī)器人都是從移動底盤開始做起的。做底盤以后可以朝無人駕駛方向發(fā)展，另外就是這個(gè)環(huán)節(jié)是機(jī)器人集成設(shè)計(jì)中能分割出來的比較大的一塊，并且是有技術(shù)含量的，最重要的是能夠下的了手開展工作的。像有些機(jī)器人上的核心技術(shù)，一般的創(chuàng)業(yè)公司根本沒有能力自己做。自己的底盤做好了，還可以推出配套的SLAM導(dǎo)航解決方案，甚至還可以和下游商合作推出實(shí)際的產(chǎn)品。

所以說，從核心部件開始做機(jī)器人，既能夠降低風(fēng)險(xiǎn)和出成果，又能夠積累自己的核心技術(shù)將來向系統(tǒng)集成方向發(fā)展。但是，不是任何公司都能做核心部件的，畢竟核心部件涉及到太專業(yè)的領(lǐng)域，沒有專業(yè)背景強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)，根本沾不上邊。

（2）系統(tǒng)集成

由于資本的力量，很多沒有研發(fā)能力的公司也向做機(jī)器人怎么辦？就買別人的核心部件，然后自己拼起來在上面做一些自己的應(yīng)用了。這就會系統(tǒng)集成型的公司，系統(tǒng)集成型的公司要做的好的話，嚴(yán)格上來說需要更大規(guī)模的團(tuán)隊(duì)和實(shí)力。因?yàn)橄到y(tǒng)集成考慮的問題更多了，要做好各個(gè)方面的用戶體驗(yàn)和穩(wěn)定性。但是目前的大多數(shù)系統(tǒng)集成都是簡單的組裝，有些集成甚至干脆就找外包了，自己只負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)銷售了?？上攵?，沒有亮點(diǎn)的同質(zhì)化機(jī)器人最終是做不長久的。于是很多系統(tǒng)集成的機(jī)器人公司在發(fā)展無果的情況下，又紛紛轉(zhuǎn)向核心部件的研發(fā)。當(dāng)然也有一些專注特定領(lǐng)域產(chǎn)品定位的機(jī)器人公司做了一些出色的產(chǎn)品了，比如小胖、云跡。稍有實(shí)力的公司，咬咬牙，就算是養(yǎng)團(tuán)隊(duì)也要自己做底盤、雷達(dá)、語音交互這些核心部件。因?yàn)槿绻a(chǎn)品真的要量產(chǎn)，這些技術(shù)必須掌握在自己手上。

4.科研學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人

4.1.科研學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人與商業(yè)應(yīng)用ROS機(jī)器人的區(qū)別

商業(yè)ROS機(jī)器人都是面向具體的產(chǎn)品落地，或者直接面向直接的客戶開發(fā)設(shè)計(jì)的。比如說外觀，商用機(jī)器人會考慮美觀實(shí)用性，傳感器的擺放也會根據(jù)具體應(yīng)用場景有針對性的設(shè)計(jì)。機(jī)器人上還會考慮自動充電、緊急情況下應(yīng)急開關(guān)、碰撞保護(hù)等實(shí)際問題。并且考慮到產(chǎn)品的穩(wěn)定性和成本，往往硬件接口設(shè)計(jì)的會更加緊湊和耦合，目的就是節(jié)省成本和體積。軟件設(shè)計(jì)方面，也會考慮跟多運(yùn)行效率的東西，往往會對ROS系統(tǒng)進(jìn)行必要的裁剪，并且設(shè)計(jì)一些自己專用的通信協(xié)議。商業(yè)ROS機(jī)器人的這些優(yōu)點(diǎn)，對于學(xué)習(xí)和科研用途的朋友來說剛好是缺點(diǎn)。因?yàn)橥庥^設(shè)計(jì)使得機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)相對固定了，不利于ROS學(xué)習(xí)開發(fā)者安裝自己的傳感器進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)；緊湊和耦合的硬件接口設(shè)計(jì)，不利于ROS機(jī)器人學(xué)習(xí)者對機(jī)器人整體工作原理進(jìn)行理解和后續(xù)二次開發(fā)；軟件設(shè)計(jì)上的裁剪和特殊協(xié)議設(shè)計(jì)，也不利于代碼標(biāo)準(zhǔn)化和ROS官方DEMO的測試。

科研學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人正是為了學(xué)習(xí)開發(fā)者而設(shè)計(jì)的，所以機(jī)器人外觀相對簡單并且具有極強(qiáng)的可拼接性，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要通過簡單的改造就能搭建自己需要的外觀的機(jī)器人。機(jī)器人上的硬件設(shè)計(jì)也更加的模塊化，電機(jī)控制、IMU、激光雷達(dá)、攝像頭、麥克風(fēng)基本都是獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，并且大多數(shù)都提供配套的ROS驅(qū)動程序，讓學(xué)習(xí)者只有刪減傳感器和修改參數(shù)也耿便利。軟件設(shè)計(jì)也大多使用各種流行的開源代碼，資料相對豐富，基本上接口也都是開放的。

所以做機(jī)器人SLAM導(dǎo)航和各種相關(guān)應(yīng)用開發(fā)的朋友來說，選購一款適合自己的ROS機(jī)器人學(xué)習(xí)平臺就非常重要了。當(dāng)然如果自己動手能力強(qiáng)，時(shí)間又比較充足，又具備硬件電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單片機(jī)開發(fā)、電機(jī)控制調(diào)試、還懂上位機(jī)ROS驅(qū)動程序開發(fā)，可以自己設(shè)計(jì)一套機(jī)器人底盤出來。但是畢竟這個(gè)級別的大神數(shù)量是很有限的，所以選擇一個(gè)ROS機(jī)器人學(xué)習(xí)平臺就很必要了。

4.2.淘寶上科研學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品

（1）Pioneer先鋒機(jī)器人

大名鼎鼎的Pioneer先鋒機(jī)器人做ROS機(jī)器人的都應(yīng)該知道，這款機(jī)器人在市場上賣了都快20年了，Pioneer3-DX這個(gè)型號在全世界各大科研機(jī)構(gòu)很受歡迎。Pioneer 3-DX是一款耐用的、差分驅(qū)動的機(jī)器人，它主要應(yīng)用在教學(xué)研究上。Pioneer 3-DX在使用上具有較高可靠性和耐用性，在開發(fā)應(yīng)用上具有多功能性，這使它在教學(xué)研究領(lǐng)域成為最受歡迎的差分驅(qū)動移動機(jī)器人。MobileRobots 公司專業(yè)的設(shè)計(jì)和加工能力，使Pioneer 3-DX能夠在教室或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境中正常使用幾年的時(shí)間。Pioneer 3-DX裝配有500線編碼器的電機(jī)、19cm的輪胎、鋁制外殼、8個(gè)前置防碰撞聲納，根據(jù)需要還可為用戶安裝8個(gè)后置防碰撞聲納。Pioneer 3-DX可以安裝3塊熱拔插電池，除了以上硬件我們還為用戶提供整套的開發(fā)軟件。現(xiàn)在，只需再為機(jī)器人安裝上車載工控機(jī)或筆記本電腦就可以讓它走起來。

先鋒機(jī)器人是很好，缺點(diǎn)就是太貴了，而且核心的模塊和傳感器都沒有太多的資料公開。還有就是外國人用的多，在國內(nèi)還需要專門引進(jìn)。不過優(yōu)點(diǎn)就是很耐用，勇哥三到五年沒什么問題。

（2）Turtlebot海龜機(jī)器人

另一款機(jī)器人Turtlebot大家應(yīng)該就更加熟悉了，俗稱小海龜機(jī)器人，是ROS官方推出的一款移動機(jī)器人，ROS系統(tǒng)中很多默認(rèn)的程序例子都是以小海龜機(jī)器人為原型的，所以說小海龜在ROS機(jī)器人中的重要地位了。

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小海龜機(jī)器人外觀合計(jì)還是很精致的，畢竟是ROS官方強(qiáng)烈推薦的。小海龜機(jī)器人在wiki和github的軟件資料和教程也是相當(dāng)豐富的。但是5000RMB的價(jià)格對于國內(nèi)的眾多ROS機(jī)器人愛好者來說還是很難接受，雖然相比Pioneer 機(jī)器人已經(jīng)便宜很多了。另一個(gè)就是，教程都是英文的，中國讀者還是有一定的不方便的。

（3）EAI移動底盤

這是中國深圳的一家專業(yè)做ROS移動底盤的公司，底盤還是相對性能穩(wěn)定的，尤其是50kg大載重的性能很有亮點(diǎn)。EAI的底盤大部分是賣給做二次開發(fā)的用戶的吧，學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人的開發(fā)者比較少。是由于EAI的底盤基本上就是一個(gè)移動底盤，不帶上層的SLAM建圖導(dǎo)航和配套的學(xué)習(xí)資料。將近1萬塊錢的售價(jià)，如果作為ROS機(jī)器人初學(xué)者買回去也是不劃算的。但是需要大載重的底盤，這個(gè)價(jià)格還是可以接受的。這里一直在提各個(gè)ROS機(jī)器人價(jià)格貴，不是說價(jià)格便宜的機(jī)器人就一定好。如果項(xiàng)目資金充足，性能上確實(shí)有剛需，肯定是推薦買貴的能滿足需求的ROS機(jī)器人。

（4）miiboo語音交互移動機(jī)器人

這也是深圳的一家專業(yè)做ROS機(jī)器人的公司，跟EAI的底盤恰恰不同，miiboo機(jī)器人主打的是ROS教育入門。miiboo機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)的模塊化做的很好，電機(jī)控制、IMU、激光雷達(dá)、攝像頭、麥克風(fēng)、音響都是獨(dú)立設(shè)計(jì)，并配有很詳細(xì)的硬件傳感器文檔及ROS驅(qū)動程序。

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miiboo機(jī)器人的亮點(diǎn)主要由兩個(gè)，一個(gè)亮點(diǎn)是SLAM導(dǎo)航算法做的效果非常好，用的是google最新版本的cartographer建圖算法，配合輪式里程計(jì)、IMU、激光雷達(dá)三者融合建圖，并且SLAM導(dǎo)航功能基礎(chǔ)上還支持語音識別、語音合成、語音交互功能，SLAM導(dǎo)航+語音交互的結(jié)合已經(jīng)很接近一個(gè)實(shí)際的機(jī)器人了；另外一個(gè)亮點(diǎn)就是miiboo機(jī)器人的ROS開發(fā)文檔做的相當(dāng)棒。算是良心做ROS機(jī)器人教育的一家了吧。開發(fā)資料做的很系統(tǒng)，既有最基礎(chǔ)的Linux、ROS方便的編程入門，也有底盤電機(jī)控制、單片機(jī)硬件軟件、PID控制、里程計(jì)標(biāo)定方面的核心技術(shù)細(xì)節(jié)講解，還有高級的cartographer算法核心分析和參數(shù)調(diào)參指導(dǎo)，還有語音交互和機(jī)器人手機(jī)APP開發(fā)方面的教程。這么系統(tǒng)的教程，真的比有些宣傳自己的ROS機(jī)器人提供大量開發(fā)資料的要強(qiáng)很多。而且真的是良心團(tuán)隊(duì)，這些系統(tǒng)的開發(fā)資料都全部公開在了博客上（https://www.cnblogs.com/hiram-zhang），就算不買他家的miiboo機(jī)器人，也能夠免費(fèi)學(xué)習(xí)全套的資料，足以見得miiboo機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的自信。并且博客中網(wǎng)友的提問，他們也是很認(rèn)真的傾聽和解答，并很快在miiboo機(jī)器人做出改進(jìn)，這個(gè)必須給贊。

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這個(gè)機(jī)器人是主打ROS開發(fā)入門和ROS教育的，所以如果是大載中需求的應(yīng)用車體估計(jì)就夠嗆了。

（5）淘寶上眼花繚亂的ROS機(jī)器人

然后，就是淘寶上眼花繚亂的ROS機(jī)器人了，形態(tài)各異。比如說有履帶底盤的，看起來還是很酷的，不過要是真的做起SLAM導(dǎo)航和建圖算法來，估計(jì)精度應(yīng)該還是會有比較大的出入的，站在專業(yè)的角度講，其實(shí)履帶底盤的里程計(jì)模型并不好，也不被主流機(jī)器人所接受，如果真的要在SLAM算法上有所突破和成果，還是推薦選擇主流的兩輪差分驅(qū)動的底盤機(jī)器人，里程計(jì)精度應(yīng)該是最高的。還有一些做的也很精美的機(jī)器人，還配備有深度相機(jī)和高端的主機(jī)，這個(gè)因人而異，但是作為推薦還是不推薦買這種少見的不流行的機(jī)器人。

4.3.選購ROS機(jī)器人入門指南

（1）提供系統(tǒng)的開發(fā)和使用教程的重要性

相信大部分購買ROS機(jī)器人學(xué)習(xí)的朋友，都是想通過機(jī)器人學(xué)習(xí)整個(gè)ROS的軟硬件構(gòu)造和工作流程，然后有能力設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人，或者按照自己的算法對機(jī)器人做出必要的改造與二次開發(fā)。所以一款ROS機(jī)器人是否公開硬件設(shè)計(jì)及原理、軟硬件的工作流程、已經(jīng)ROS軟件驅(qū)動程序的代碼及參數(shù)作用，這些關(guān)鍵的資料就至關(guān)重要了。學(xué)習(xí)ROS機(jī)器人開發(fā)的朋友們基礎(chǔ)水平肯可能各不相同，有些愛好者可能是從Android或者java轉(zhuǎn)行過來搞ROS機(jī)器人的，所以對ROS系統(tǒng)基礎(chǔ)并不多；有些愛好者可能最開始是搞硬件單片機(jī)開發(fā)的，對Linux這些系統(tǒng)級的上層開發(fā)基礎(chǔ)比較差；還有些愛好者是計(jì)算機(jī)專業(yè)出身，以前只搞過算法和框架開發(fā)，底層的東西不熟。這里不是說要求所有的ROS機(jī)器人開發(fā)者都對機(jī)器人上的所有部分在行，但是要在機(jī)器人上做出好東西，就要有系統(tǒng)全盤的了解。所以一款ROS機(jī)器人能否提供從底層到上層的系統(tǒng)學(xué)習(xí)教程非常關(guān)鍵。其實(shí)，Turtlebot小海龜機(jī)器人和miiboo機(jī)器人在這方面做得都算不錯，如果資金充足可以買Turtlebot小海龜機(jī)器人，如果資金有限制可以買相對便宜一些的miiboo機(jī)器人。

（2）外形結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展的重要性

其實(shí)這個(gè)大部分的機(jī)器人做的都是可以的，基本上是三層板壘起來的結(jié)構(gòu)都是符合擴(kuò)展要求的。

（3）硬件模塊化的重要性

這個(gè)必須提一下，之前用過一款叫irobot的底盤，就是掃地機(jī)器人那種。硬件接口全部集成隱藏在塑料殼子里面，也不知道里程計(jì)、IMU是怎么安裝和工作的，只有一個(gè)簡單的文檔告訴你怎么驅(qū)動它。每次沒電了，這個(gè)底盤就在那叫，還亂撞，感覺用戶體驗(yàn)很不好，而且模塊都封裝在塑料殼子里面，對開發(fā)者很不友好。

（4）別太迷信軟件開源

見過很多ROS機(jī)器人上宣傳說提供各種高級的圖像識別算法、自動跟蹤算法、有些還開源底層的單片機(jī)程序、開源導(dǎo)航算法等等。聽上去有很多功能開源，但是大部分是本來就開源的。有一些像電機(jī)控制的單片機(jī)程序或IMU模塊單片機(jī)程序開源，但是本身底層的這些固件程序要做到效果好的很難，開源往往意味著效果并不怎么好，甚至代碼格式寫的是很糟糕的。所以其實(shí)不要太迷信軟件開源這個(gè)噱頭，能提供軟件源碼及在機(jī)器人上的詳細(xì)教程的才是靠譜的，所以一定要看這些宣稱提供軟件開源的ROS機(jī)器人是否提供了足夠有含金量的免費(fèi)教程供大家檢驗(yàn)。

（5）技術(shù)支持的重要性

作為開發(fā)學(xué)習(xí)用途的ROS機(jī)器人，出現(xiàn)各種技術(shù)問題和bug是再正常不過的事情了。一般技術(shù)開發(fā)，都有很多論壇和社區(qū)來提供問題的交流和解答。但是ROS機(jī)器人本來就是最近才興起的，而且國內(nèi)的ROS機(jī)器人還沒有發(fā)展出規(guī)模，所以其實(shí)還不存在特別專業(yè)靠譜的技術(shù)論壇。所以，購買了ROS機(jī)器人，會否能得到專業(yè)的技術(shù)支持至關(guān)重要。由于提供專業(yè)的技術(shù)支持人力成本非常高，所以一般的公司根本負(fù)擔(dān)不起免費(fèi)的技術(shù)支持服務(wù)。所以，一家ROS機(jī)器人是否提供免費(fèi)專業(yè)的技術(shù)支持也會相當(dāng)?shù)闹匾?/p>

后記

為了防止后續(xù)大家找不到本篇文章，我同步制作了一份文章的pdf和本專欄涉及的例程代碼放在github和gitee方便大家下載，如果下面給出的github下載鏈接打不開，可以嘗試gitee下載鏈接：

• github下載鏈接：https://github.com/xiihoo/DIY_A_SLAM_Navigation_Robot

• gitee下載鏈接：https://gitee.com/xiihoo-robot/DIY_A_SLAM_Navigation_Robot

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參考文獻(xiàn)

[1] 張虎,機(jī)器人SLAM導(dǎo)航核心技術(shù)與實(shí)戰(zhàn)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2022.