智能制造關鍵技術與工業應用叢書--機器人SLAM導航技術與實踐

（1）本書聚焦機器人SLAM導航技術，規劃設計了大量的實踐任務與案例。 （2）本書面向機器人SLAM導航技術初學者，以實踐任務為驅動，始于構形設計、傳感、運動、通信等模塊的基礎實踐，循序漸進完成SLAM導航實踐，通過系列實踐使讀者能夠快速系統地了解與掌握相關機器人SLAM導航技術。 （3）書中相關實踐案例已應用于北京理工大學地面機動裝備實驗教學示范中心的“工程創新實踐”“典型無人系統工程實踐”“智能機電系統應用工程實踐”等課程，以及其他多個實踐教學環節與活動，可實踐性、指導性強。

SLAM 技術作為實現機器人自主移動的關鍵技術之一，廣泛應用于機器人、無人駕駛、AR/VR 等多個領域，圍繞SLAM 技術開展實驗與實踐教學活動，是適應新工科人才培養需求的有效改革，也是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業生更高質量創業就業的重要舉措。要實現機器人SLAM 導航，需要多學科的知識儲備和實踐基礎，對于很多感興趣但卻沒有相關基礎的初學者來說，上手是非常困難的。本書即面向機器人SLAM 導航技術初學者，以實踐任務為驅動，始于構型設計、傳感、運動、通信等模塊的基礎實踐，循序漸進地完成SLAM 導航實踐，通過系列實踐使讀者能夠快速系統地了解與掌握機器人SLAM 導航的相關技術。
本書聚焦機器人SLAM 導航技術，規劃設計了多個實踐任務與案例。為了方便讀者學習與實踐，本書分為理論篇和實踐篇，理論篇為后續實踐提供知識與技術基礎，實踐篇為本書的核心內容。理論篇共3 章，對機器人SLAM 導航相關知識進行了概述，主要介紹移動機器人和模塊化機器人、機器人編程、SLAM 技術、自主導航技術相關的基礎知識，由于本書主要面向實踐教學，故相關知識點均不做深入展開。實踐篇共4 章，包括模塊化機器人構型、感知與運動控制基礎、激光SLAM 自主導航和視覺V-SLAM 導航實踐。其中，第4 章基于機器人創意設計開放平臺，從功能設計、結構特點及具體實現方面展開，設計分析了后續實踐案例所用的移動機器人構型，并拓展介紹了其他典型機器人構型實例；第5章圍繞機器人感知、運動控制和通信模塊設計了系列基礎實驗任務，為SLAM 導航實踐深入展開提供實踐基礎；第6 章和第7 章分別規劃了激光SLAM 和視覺V-SLAM 導航綜合案例，通過對案例的詳細分解和分析，幫助讀者自主完成實踐，并從實踐和應用維度掌握SLAM 及其導航技術。
本書中的相關實踐案例已應用于北京理工大學地面機動裝備國家級實驗教學示范中心的“工程創新實踐”“典型無人系統工程實踐”“智能機電系統應用工程實踐”等課程，以及其他多個實踐教學環節與活動。大量的特色教學實踐應用及其成功經驗，亦為本書的編寫提供了框架結構設計和組織實施模式等方面的思路和引導。
本教材由李忠新、佘鵬飛、梁振虎、王坤、魯怡、朱妍妍、相華、趙嵩陽等編著，李忠新、佘鵬飛對全書進行了統稿。
感謝薛慶教授擔任本書的主審，為本書的編寫提供了大量的寶貴意見。感謝機器時代（北京）科技有限公司為本書提供的大量案例與素材支持。本書的出版還得到了北京理工大學“十四五” 規劃教材基金的資助， 在此一并表示感謝。
由于時間倉促，加之作者水平有限，書中尚有不盡如人意之處，敬請各位讀者批評指正，以求進一步改進。

編著者

本書聚焦機器人SLAM 導航技術，包含理論篇與實踐篇。理論篇主要介紹機器人的相關基礎知識，包括移動機器人概述、機器人編程基礎、SLAM 技術入門、自主導航技術基礎等。實踐篇圍繞模塊化機器人構型、模塊化機器人感知與運動控制、激光SLAM 自主導航，以及視覺V-SLAM 導航技術實現涉及的硬件系統、控制系統、算法等，以實踐、實戰為主線，由淺入深，規劃了難度適宜的多種機器人自主導航實踐案例。
本書可作為高等院校機械設計、自動控制、移動機器人、無人駕駛等相關專業的教學參考書，也可供從事機器人底盤開發、智能汽車研發等工作的技術人員參考使用。

第一篇　理論篇
第1章 緒論002
1.1　移動機器人定義與應用002
1.2　模塊化機器人基礎知識007
1.3　機器人編程基礎011

第2章 SLAM 技術入門019
2.1　SLAM 知識架構019
2.2　SLAM 傳感器022
2.3　SLAM 定位算法025
2.4　SLAM 方法027

第3章 自主導航技術基礎037
3.1　自主導航系統結構037
3.2　環境感知038
3.3　路徑規劃042
3.4　運動控制044


第二篇　實踐篇
第4章 模塊化機器人構型054
4.1　模塊化機器人構型創新設計平臺054
4.2　“探索者”全向移動機器人設計058
4.3　“訓練師”全向移動機器人設計066

第5章 模塊化機器人感知與運動控制073
5.1　機器人感知測試073
5.2　電機驅動控制084
5.3　機器人底盤運動控制103
5.4　機器人通信測試115

第6章 激光SLAM 自主導航125
6.1　激光SLAM 導航基礎125
6.2　基于“探索者”移動機器人的激光SLAM 導航實踐133
6.3　基于“訓練師”移動機器人的激光SLAM 導航實踐165

第7章 視覺V-SLAM 導航實踐176
7.1　視覺V-SLAM 導航基礎176
7.2　基于“訓練師”全向移動機器人的V-SLAM 自主導航實踐181
7.3　基于“訓練師”全向移動機器人的視覺和激光雷達融合SLAM自主導航實踐194


參考文獻198

附錄1：“探索者”零部件體系組成199

附錄2：“訓練師”零部件體系組成211