智能機器人導論(微課視頻版)（簡體書）

本書系統、全面地介紹了機器人感知、處理和控制的關鍵技術、方法和應用。本書共7章，內容包括機器人的組成結構、機械裝置、感知系統、處理系統、電源系統、驅動與運動控制系統，以及近年來在各類智能機器人系統中出現的視覺識別、路徑規劃和導航技術。書中還穿插了ROS、PID控制和模糊PID控制等機器人關鍵系統的基礎知識。本書內容新穎，基礎理論、應用技術與應用案例相結合，方便讀者快速學習機器人知識，掌握機器人智能化技術，了解行業發展趨勢。 本書可作為高等院校軟件工程、計算機、自動化、機電一體化和信息工程等相關專業的本科生教材，也可作為工程技術人員與科研工作者的參考書籍。

本書全面介紹機器人感知、處理和控制的關鍵技術、方法和應用。具有以下特色：
1.技術領域寬。圍繞智能機器人豐富的核心技術展開，按照技術模塊進行分類講解，便於讀者深刻理解機器人領域的重要知識和技術。書中介紹的相關技術關聯性強、系統性強，共同構建智能機器人的知識體系。
2.技術前沿新。從智能機器人的常用技術到新興技術、從傳統應用方法到新興的處理手段，結合了智能機器人技術的發展現狀和未來趨勢，為讀者帶來前沿的技術與應用。以水下機器人為切入點，有機擴展了機器人技術的涵蓋領域。
3.實踐特性強。強化實踐意義，滿足軟件工程、人工智能等專業實踐教學的實踐教學要求，從電路開發到編碼能力強化，由點及面，拓寬現代軟件工程學科學生的知識應用範圍。
4.配套資源豐富。配套480分鐘微課視頻講解，提供課件和教學大綱，便於教學使用。

2015年5月以來,中央和地方政府陸續出臺了一系列文件強調加快機器人發展。2021年3月，全國人民代表大會通過的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中強調要推動製造業高端化智能化綠色化、推動機器人等產業創新發展。

當前，中國機器人市場已經進入了穩定增長期。
僅工業機器人一項，2021年中國規模以上工業企業的工業機器人產量累計達366044套，同比增長44．9%。工業機器人市場銷量24．8萬臺，同比增長46．1%。
受地震、洪澇災害和天氣，以及礦難、火災和安防等公共安全事件的影響，國內市場對特種機器人也有著突出的需求。但是，中國機器人的關鍵核心技術仍有待突破，亟待提升控制器、伺服電動機、操作系統等核心環節的國產替代率，提升服務機器人智能化和個性化水平，提升特種機器人的應用領域。而人才培養也成為解決機器人關鍵技術困擾、提升機器人智能水平的重要途徑。

黨的二十大報告提出，堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化，加快建設製造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網絡強國、數字中國。習近平新時代中國特色社會主義思想在深刻闡明中國式現代化是中國共產黨領導的社會主義現代化內涵的同時，也十分明確地指出了全面建成社會主義現代化強國、以中國式現代化全面推進中華民族偉大復興這一中心任務。智能機器人所蘊含的人工智能技術和機器人基礎技術，正是實現新型工業化、實現現代化強國的重要支撐技術，本書也從人才培養的角度，肩負著這一重要歷史使命。

智能機器人技術是一門多學科交叉的科學，包括傳統機器人的機械設計與製造、電力電子、傳感器、無線通信、機電一體化、精密儀器、信號處理、知識工程、專家系統、決策系統、自動控制和數據處理等技術，也包括機器人實現智能化所需的圖像處理、圖像識別和人工智能設備和技術等。

本書作者總結了大量教學經驗和科研成果，吸收和借鑒了國內外的研究成果和應用技術。本書從理論介紹出發，通過結合實際案例、硬件電路或軟件程序，理論密切聯繫實際，較為系統地介紹了智能機器人的關鍵技術及應用。本書對機器人的本體結構、感知系統、微控制系統和運動控制系統，以及代表智能化程度的機器視覺、路徑規劃和導航進行了敘述，並且介紹了水下機器人這一特種機器人的對應技術路線。此外，本書對電動機選型、ROS、PID和模糊PID等相關技術也進行了闡述。

本書共7章。第1章介紹國內外機器人的發展歷史、機器人的基本組成和分類、現代機器人的主要應用領域，並對水下機器人的分類、發展和應用進行了介紹。第2章介紹機器人的本體結構，講述了機器人的基本外觀結構和機械結構，以及機器人內部的電池與電源系統組成，介紹了水下機器人的特殊組成結構。第3章介紹機器人的感知體系，講述了傳感器系統的組成和使用方法，列舉了機器人系統常用的傳感器類型和功能，介紹了水下領域常用的傳感器。第4章介紹機器人的微控制系統，講述了機器人常用的微處理器和微處理器系統板，詳細說明了微處理器常用的控制接口，列舉說明了常用傳感器的接口和數據通信方式，介紹了機器人和水下機器人的常用數據通信技術。第5章介紹機器人的運動控制，主要包括機器人的運動結構、電動機和驅動電路，並且針對機器人基本的運動控制算法進行了說明和仿真介紹。第6章介紹機器人的圖像感知識別技術，從機器視覺的圖像變換基礎入手，敘述了機器視覺系統的發展、組成和應用現狀，對機器視覺常用的圖像處理技術進行了舉例說明。第7章介紹機器人路徑規劃和導航技術，首先講述了各類數字地圖的特點與表示方法，以及建立在數字地圖之上的各類路徑規劃方法，然後介紹了機器人操作系統ROS，並舉例說明了ROS下的SLAM仿真和VSLAM仿真，後就無人駕駛技術中的路徑規劃與導航技術進行了說明。

選用本書作為教材，建議設置32學時的理論教學學時和24學時或48學時的實踐教學學時，並根據學生專業特點適當調整課程內容，以滿足不同專業學生的知識側重點要求。

在本書的編寫過程中，得到了大連理工大學軟件學院、國際信息與軟件學院、微電子學院的大力支持，書中水下機器人裝備的內容得到了鵬城國家實驗室的大力支持。特別感謝大連理工大學羅鐘鉉教授、王雷教授、吳國偉教授和劉日升教授等在本書成稿過程中的幫助，感謝大連理工大學OurEDA實驗室的孫晉辰、劉翔宇、楊新磊、於汛和曹存曦等同學的工作。

智能機器人所涉及的技術領域十分廣泛，涉及學科眾多。由於編者水平有限、經驗欠佳，書中不足之處在所難免，敬請讀者和同行批評指正。

編者2023年1月

第1章緒論

1.1機器人的定義

1.1.1機器人的起源定義

1.1.2機器人的廣義定義

1.1.3機器人倫理學

1.2機器人的發展歷史

1.2.1古代機器人

1.2.2代： 固定作業型機器人

1.2.3第二代： 感知作業型機器人

1.2.4第三代： 智能作業型機器人

1.3機器人的組成和分類

1.3.1機器人的體系結構

1.3.2機器人的結構組成

1.3.3機器人的分類

1.4機器人的應用

1.4.1工業機器人

1.4.2服務機器人

1.4.3特種機器人

1.4.4自動駕駛汽車

1.5水下機器人概述

1.5.1水下機器人分類

1.5.2水下機器人發展

1.5.3ROV的應用領域

小結

習題

第2章機器人本體結構

2.1機器人的基本參數

2.1.1雙足機器人的基本參數

2.1.2水下機器人的基本參數

2.2機器人的基本機械結構

2.2.1機器人的主體結構

2.2.2機器人的運動機構

2.2.3機器人的動作機構

2.2.4輔助機構

2.3電源電路的組成

2.3.1供電和電源變換

2.3.2外部供電系統

2.3.3電池管理系統

2.4水下機器人基本結構

2.4.1水下機器人外觀和結構特點

2.4.2水下機器人的推進器結構

2.4.3水下機器人的線纜系統

2.4.4水下機器人的供電系統

2.4.5防水密封結構

小結

習題

第3章機器人的傳感器系統

3.1傳感器系統結構組成

3.1.1傳感器系統組成

3.1.2傳感器系統部署特性

3.2常見的數字傳感器

3.2.1距離和位置傳感器

3.2.2姿態傳感器

3.2.3觸覺和壓力傳感器

3.2.4圖像傳感器

3.2.5電路狀態傳感器

3.2.6其他傳感器

3.3傳感器的信息融合技術

3.3.1信息融合的關鍵方法

3.3.2慣性導航與自動駕駛

3.4水下機器人的傳感器系統

3.4.1傳感器系統組成

3.4.2特殊應用傳感器

3.4.3聲吶系統

小結

習題

第4章機器人的微控制系統

4.1機器人微控制器平臺

4.1.1單片機系統

4.1.2樹莓派微處理器系統

4.2微控制器的控制接口

4.2.1時鐘與復位系統

4.2.2通用輸入輸出接口（GPIO）

4.2.3定時器（Timer）

4.2.4脈衝寬度調制（PWM）輸出

4.2.5串行通信接口USART

4.2.6STM32的中斷系統

4.2.7模數（A/D）轉換器

4.3外部傳感器的數據讀取

4.3.1GNSS定位模塊GTU13

4.3.2AB相編碼器

4.3.3溫濕度傳感器DHT11

4.3.4陀螺儀和加速度傳感器MPU6050

4.3.5電流傳感器ACS714/ACS758

4.4機器人的數據通信

4.4.1傳統無線通信模塊

4.4.2WiFi模塊

4.4.3雙絞線和電力線載波

4.4.4光纖傳輸

4.4.5衛星鏈路通信

4.5ROV的水下無線通信

4.5.1水下電磁波通信技術

4.5.2水下無線光通信

4.5.3水下聲學通信

小結

習題

第5章機器人運動控制

5.1機器人的運動機構

5.1.1輪式運動機構

5.1.2履帶式運動結構

5.1.3直流有刷電動機

5.1.4直流無刷電動機

5.1.5步進電動機

5.1.6舵機

5.2機器人的驅動控制

5.2.1PWM驅動原理

5.2.2H橋驅動電路

5.2.3電調電路

5.2.4步進電動機驅動電路

5.3機器人的驅動電源系統

5.3.1功率開關電源系統

5.3.2動力電池系統

5.4運動控制基礎算法

5.4.1PID控制

5.4.2模糊控制

5.4.3模糊PID控制

5.5水下機器人的運動控制

5.5.1電力推進系統

5.5.2液壓推進系統

小結

習題

第6章機器人的視覺感知識別

6.1機器視覺的技術基礎

6.1.1機器視覺技術設備基礎

6.1.2機器視覺技術光學基礎

6.1.3空間幾何變換基礎

6.1.4空間幾何變換不變量

6.1.5歐氏空間的剛體變換

6.1.6攝像機透視投影模型

6.2機器視覺發展現狀

6.2.1機器視覺的歷史成就

6.2.2機器視覺的技術歷史

6.2.3機器視覺的當前現狀

6.2.4基於卷積神經網絡的計算機視覺技術

6.3機器人視覺系統結構

6.3.1機器人視覺系統組成

6.3.2單目視覺系統

6.3.3多目視覺系統

6.4圖像增強技術

6.4.1圖像增強的分類

6.4.2點處理和鄰域處理

6.4.3直方圖均衡

6.4.4灰度變換

6.4.5圖像平滑

6.4.6圖像銳化

小結

習題

第7章機器人的路徑規劃和導航

7.1數字地圖的表示方法

7.1.1拓撲地圖

7.1.2特徵地圖

7.1.3柵格地圖

7.2路徑規劃方法

7.2.1路徑規劃方法分類

7.2.2人工勢場法

7.2.3柵格建模法

7.2.4神經網絡法

7.3ROS的同步定位與地圖構建

7.3.1SLAM工作流程和分類

7.3.2ROS基礎

7.3.3ROS下的SLAM仿真

7.3.4ROS下的vSLAM系統

7.4無人駕駛中的視覺處理技術

7.4.1無人駕駛技術的技術特點

7.4.2無人駕駛系統的定位技術

7.4.3深度學習和無人駕駛視覺感知

7.4.4無人駕駛規劃

小結

習題

參考文獻