機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐 - 習題及答案 第1-11章 機器人系統(tǒng)組成 - ROS 20介紹與編程基礎

第1章機器人系統(tǒng)組成

(1)城市場景下，交通工具常使用哪種移動底盤驅動方式，為什么

不使用全向驅動方式？

答：在城市場景下，交通工具常使用的是后輪驅動或前輪驅動方式的移動底

盤驅動。這種選擇主要基于以下幾個原因：

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

速時，后輪驅動可以將動力傳遞到后輪上，使重量分布更加均勻，降低車輛打滑

的風險；而前輪驅動則使得車輛前部的重量更重，增加了前輪的抓地力。

2.成本和復雜度：后輪驅動或前輪驅動的設計相對簡單，制造成本較低。與

之相比，全向驅動方式需要更復雜的機械結構和控制系統(tǒng)，增加了生產和維護的

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：后輪驅動或前輪驅動方式的移動底盤在行駛中相對較為高

效。反向轉彎時，全向驅動需要同時調整多個驅動系統(tǒng)，并可能會引起能量損耗。

而后輪驅動或前輪驅動方式可以更有效地控制車輛的轉向和行進方向。

(2)機器人系統(tǒng)的硬件選型，一般從哪幾方面考慮？為什么？

答：在進行機器人系統(tǒng)的硬件選型時，通常會考慮以下幾個方面：

1.功能需求：首先需要明確機器人系統(tǒng)的功能需求，包括所需的感知、運動、

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

2.性能與精度：根據機器人的具體應用場景，需要選擇適當的硬件來實現(xiàn)所

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

在移動機器人中，需要具備較強的定位和導航能力。

3.可靠性與耐用性：機器人系統(tǒng)往往需要長時間穩(wěn)定運行，因此硬件的可靠

性和耐用性也是重要考慮因素。選用質量可靠的硬件材料和組件，可以提高機器

人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。

4.尺寸與重量：機器人系統(tǒng)的尺寸和重量對于其在目標環(huán)境中的操作和移動

能力有直接影響。需要根據具體應用場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。需要在所給定的預算

范圍內選擇合適的硬件，確保整體系統(tǒng)的可行性和經濟性。

(3)從控制的角度簡述機器人系統(tǒng)的組成，以及各部分之間的關系。

答：機器人系統(tǒng)通常由以下幾個主要組成部分構成，并且各部分之間存在密

切的關系：

1.感知系統(tǒng)：感知系統(tǒng)用于獲取環(huán)境信息，并將其轉化為機器可理解的數據。

這包括傳感器(如攝像頭、激光雷達、觸覺傳感器等)，用于檢測周圍的物體、障

礙物、距離、溫度等。

2.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)負責根據感知系統(tǒng)獲取的信息，做出決策并生成控制

指令，以實現(xiàn)特定的任務或行為?？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。

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

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

關節(jié)等。它們根據控制系統(tǒng)發(fā)送的指令來實現(xiàn)機器人的運動、抓取、操作等功能。

4.電源與供電系統(tǒng)：機器人需要電源來為各個組件提供能量，使其正常運行。

電源與供電系統(tǒng)負責管理和提供適當的電力供應，以滿足機器人各部分的能量需

求。

5.通信與網絡系統(tǒng)：通信與網絡系統(tǒng)用于機器人內部各部分之間的數據傳輸

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

信設備、傳輸協(xié)議和接口。

這些部分相互之間存在密切的關系和協(xié)作：

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

-控制系統(tǒng)根據感知系統(tǒng)的數據分析和處理，生成相應的控制指令。

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

-控制系統(tǒng)可能會根據執(zhí)行系統(tǒng)的狀態(tài)反饋進行調整和優(yōu)化，以實現(xiàn)更精確

的控制。

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

行。

-通信與網絡系統(tǒng)負責實現(xiàn)各組件之間的數據傳輸和機器人與外界的信息交

互。

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

務，從而實現(xiàn)特定的功能和目標。

(4)簡述機器人常使用的傳感器有哪些，它們各自的作用是什么。

答：機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

是一些常見的機器人傳感器及其作用：

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

像或視頻信息，可以用于目標檢測、位姿估計、場景理解、導航和人機交互等。

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

器人之間的距離和空間信息。它常用于障礙物檢測與避障、建圖和定位導航等任

務。

3.距離傳感器：例如超聲波傳感器和紅外線傳感器。距離傳感器可以測量機

器人與物體之間的距離，常用于避障、邊緣檢測和接近物體等。

4.接觸力傳感器：接觸力傳感器用于檢測機器人與物體之間的力的作用。它

可以檢測到接觸點的力和壓力分布，常用于機器人抓取、裝配和力控制等。

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

器人的角度、方向和加速度等信息，用于姿態(tài)估計、姿態(tài)控制和姿勢識別。

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

理、故障檢測和環(huán)境監(jiān)測等。

7.聲音傳感器：聲音傳感器可以感知聲音信號，并轉化為電信號。它常用于

語音識別、環(huán)境監(jiān)測和聲音定位等。

8.觸覺傳感器：例如力傳感器和壓力傳感器。觸覺傳感器用于檢測物體表面

的力、壓力和接觸質量，可用于物體識別、撿取操作和力反饋控制等。

?9?

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

息，使機器人能夠感知周圍環(huán)境、做出決策，并執(zhí)行相應的任務和行為。根據具

體的應用場景和需求，機器人可以使用不同類型的傳感器來完成不同的任務。

(5)介紹激光雷達的優(yōu)缺點，簡述單線激光雷達和多線激光雷達的

區(qū)別。

答：激光雷達是一種常見的傳感器，用于測量周圍環(huán)境中物體與機器人之間

的距離和空間信息。它通過發(fā)送激光束并接收反射回來的光來實現(xiàn)測距。

激光雷達的優(yōu)點包括：

1.高精度：激光雷達可以提供高精度的距離測量結果，通常具有毫米級別的

精確度。

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

距離內進行有效測量。

3.高分辨率：激光雷達可以生成點云數據，提供對環(huán)境中物體的詳細結構信

息，使得機器人能夠進行三維感知和識別。

4.適應性強：激光雷達對環(huán)境光線的依賴性較低，可以在不同光照條件下工

作。

然而，激光雷達也存在一些缺點：

1.成本較高：激光雷達通常價格較高，這限制了它在某些應用中的普及和采

用。

2.體積較大：由于激光雷達需要較多的光學、電子和機械元件，因此其體積

較大，不方便在一些小型或緊湊空間中使用。

3.數據點稀疏：激光雷達在測量過程中只能獲取有限數量的數據點，這可能

導致對細節(jié)和邊緣特征的損失。

單線激光雷達和多線激光雷達是兩種常見的激光雷達類型，它們之間的區(qū)別

在于：

1.單線激光雷達：單線激光雷達一次只能發(fā)送一條激光束，然后通過旋轉或

掃描來獲取整個環(huán)境的數據。它可以在水平方向上獲取距離信息，并通過旋轉或

掃描來獲取垂直方向上的數據。由于采樣速度較低，單線激光雷達通常需要更長

的時間來完成一次掃描，但成本相對較低。

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

得更多的距離數據。它可以在水平和垂直方向上同時獲取數據，從而提供更豐富

的環(huán)境信息。多線激光雷達采樣速度較高，可以實時獲取大量的數據點，但相應

地成本較高。

(6)在測量物體深度信息時，RGB-D相機有哪些測量方式？有什么

優(yōu)缺點？其原理與雙目相機測量原理有什么區(qū)別？

答：RGB-D相機是一種集成了RGB攝像頭和深度傳感器的設備，可以同時獲

取彩色圖像和物體的深度信息。在測量物體深度信息時，RGB-D相機主要使用以

下兩種測量方式：

1.結構光：RGB-D相機通過發(fā)射一系列結構化的光紋或條紋，并利用深度傳

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

感器捕捉這些光紋的形變來計算物體的深度。這種方法常用的技術有三維結構光

和重投影結構光。結構光方法的優(yōu)點是測量速度快，精度較高，適用于近距離測

量。缺點是對于反射性表面和透明物體的測量效果較差。

2.時間飛行（Time-of-Flight,TOP）：RGB-D相機通過發(fā)送脈沖光源，記錄

光傳播的時間來計算物體的距離。T0F方法的優(yōu)點是適用范圍廣，對不同類型的

表面都能進行準確測量，而且能夠實現(xiàn)高幀率的深度圖像采集。缺點是測量精度

相對較低，特別在較大距離上會有一定的誤差。

RGB-D相機與雙目相機的測量原理存在一些區(qū)別：

1.視差計算：雙目相機通過攝像頭之間的視差（左右圖像中同一物體的位置

差異）來計算物體的深度。而RGB-D相機則直接通過結構光或T0F方法測量物體

的深度，不需要進行視差計算。

2.測量范圍：雙目相機的測距范圍通常較短，適用于近距離的深度測量。

RGB-D相機可以在相對較遠的距離上獲取深度信息，適用范圍更廣。

3.精度和速度：雙目相機通常具有較高的深度測量精度，但在速度上相對較

慢。RGB-D相機可以實現(xiàn)較快的深度圖像采集，但深度測量精度可能相對較低。

（7）簡述自動駕駛L2、L3和L4級的區(qū)別。

答：自動駕駛技術按照自動化程度可以分為多個級別，其中常見的包括L2級、

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

力。

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

車道保持輔助和自適應巡航控制等。該級別下的系統(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駕駛環(huán)境的監(jiān)控，并隨時準備接管控制權。L2級

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

預。

2.L3級（條件自動駕駛）：L3級自動駕駛系統(tǒng)在特定場景下能夠實現(xiàn)高度自

動化駕駛。該級別下的系統(tǒng)可以在一些特定條件下完全接管駕駛任務，駕駛員無

需持續(xù)監(jiān)控環(huán)境。然而，當系統(tǒng)無法處理特定場景或出現(xiàn)故障時，駕駛員需要被

要求盡快介入并接管駕駛控制權。L3級系統(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（高度自動駕駛）：L4級自動駕駛系統(tǒng)在特定環(huán)境或道路類型下能夠

實現(xiàn)高度自動化駕駛，無需駕駛員持續(xù)監(jiān)控。該級別下的系統(tǒng)可以在更廣泛的情

況下接管駕駛任務，并在大部分場景下進行自主駕駛。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級系統(tǒng)通常擁有更強的感知、決策

和控制能力，并能夠應對更復雜的交通環(huán)境。

需要注意的是，L2、L3和L4級的自動駕駛系統(tǒng)雖然在特定條件下可以實現(xiàn)

一定程度的自動駕駛，但駕駛員在任何時候都應保持警惕，并準備接管控制權，

以確保安全。自動駕駛技術仍處于演進和發(fā)展階段，各級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，求其運動學方程。

答：對于兩輪差速底盤模型，可以使用以下運動學方程描述其運動狀態(tài)：

1.車體速度與左右輪速度之間的關系：

V=(VR+VL)/2

2.車體角速度與左右輪速度之間的關系：

3=(VR-VL)/D

3.轉彎半徑與車體速度和角速度之間的關系：

R=V/G)

根據以上方程，可以根據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,則可以計算出左右輪速度VL和VR,以及轉彎半徑R。反之亦然,

若已知左右輪速度VL和VR,可以計算出車體速度V和車體角速度3,以及轉彎

半徑R。

(9)設移動機器人底盤電機旋轉一圈產生12個脈沖，輪子直徑為

68mm,減速器減速比為61.6:1,如果單位時間內的脈沖數為用計算

輪子轉速。

答：略

第2章將機器人連接到ROS

(1)ROS的主要架構分為哪三層？每層的作用是什么？

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

1.底層設備驅動層(DeviceDrivers)：該層與硬件設備直接交互，負責提

供設備驅動程序，實現(xiàn)底層硬件和ROS的通信。它能夠讀取傳感器數據、控制執(zhí)

行器，并提供一個統(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

能強大的工具和服務，用于實現(xiàn)進程間通信(IPC,InterprocessCommunication)>

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

從而實現(xiàn)高效的分布式計算。

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

(Packages),以實現(xiàn)各種機器人相關的任務和應用。這些功能包可以是感知、定

位、導航、運動控制等。開發(fā)者可以使用已有的功能包進行快速開發(fā)，也可以根

據需要自行開發(fā)新的功能包來實現(xiàn)特定的功能。

總體而言，底層設備驅動層負責與硬件設備的交互，中間件層提供了跨節(jié)點

的通信和協(xié)作機制，而高層功能包層則包含各種機器人相關的功能和應用。這種

分層架構使得ROS具有良好的可擴展性和靈活性，能夠方便地構建復雜的機器人

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

系統(tǒng)。

(2)ROS的主要特點有哪些？其在機器人應用開發(fā)中有哪些優(yōu)勢？

答：ROS(RobotOperatingSystem)具有以下主要特點：

1.分布式計算：ROS支持分布式計算，可以在多個計算節(jié)點上實現(xiàn)并行處理

和協(xié)作。這使得開發(fā)者能夠將系統(tǒng)的不同部分獨立開發(fā)、測試和部署，提高了開

發(fā)效率和系統(tǒng)的可擴展性。

2.靈活性和模塊化：ROS采用模塊化的設計，將機器人系統(tǒng)劃分為獨立的節(jié)

點，每個節(jié)點執(zhí)行特定的功能。這種設計使得開發(fā)者可以通過組合和重用現(xiàn)有的

節(jié)點來構建復雜的系統(tǒng)，同時也方便了代碼的維護和擴展。

3.消息驅動通信：ROS使用輕量級的消息通信機制進行節(jié)點間的數據交換。

開發(fā)者可以定義各種類型的消息，并通過發(fā)布訂閱模式或服務調用方式進行通信。

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

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

具和庫快速開發(fā)和調試機器人應用。例如，可視化工具RViz可以實時顯示機器人

狀態(tài)，導航功能包可用于路徑規(guī)劃和導航控制等。

在機器人應用開發(fā)中，ROS具有以下優(yōu)勢：

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

示例和教程。開發(fā)者可以借助這些資源快速上手ROS,并解決開發(fā)過程中的問題。

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

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

臺上開發(fā)和運行ROS應用，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，涵蓋了各種常見任

務和功能，如感知、定位、導航、圖像處理等。開發(fā)者可以直接使用這些功能包,

加速開發(fā)進程，降低開發(fā)成本。

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

rosbag等。這些工具幫助開發(fā)者實時監(jiān)控機器人的狀態(tài)、可視化傳感器數據、回

放記錄的數據等，方便開發(fā)和調試。

(3)ROS功能包可以包含哪些內容？其中哪兩項在構成功能包的最

小單元時是不可缺少的？

答：ROS功能包可以包含以下內容：

1.節(jié)點(Nodes)：實現(xiàn)具體功能的獨立進程，可以是一個傳感器讀取數據的

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

2.消息(Messages)：定義不同節(jié)點之間傳遞的數據結構，包括傳感器數據、

控制指令等。消息使用ROS提供的消息通信機制進行傳遞。

3.服務(Services)：定義節(jié)點之間的請求和響應方式，用于實現(xiàn)節(jié)點之間

的遠程過程調用(RemoteProcedureCall)o

4.動作(Actions)：定義一系列相對復雜的操作，如路徑規(guī)劃、導航等。與

服務不同的是，動作支持異步執(zhí)行和取消操作。

?6?

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

設置運動控制的速度等。

6.啟動文件(Launchfiles)：用于配置和啟動多個節(jié)點的文件，通過啟動

文件可以一次性啟動整個系統(tǒng)的所有節(jié)點。

在構建ROS功能包的最小單元時，至少需要兩個不可缺少的項：

1.CMakeLists.txt：CMakeLists.txt是一個用于編譯云口構建ROS功能包的配

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

指明了如何構建該功能包，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、依賴關系等。該文件不僅提供了對功能包的

描述，還能夠在使用依賴管理工具時指定功能包的依賴關系，確保正確安裝和使

用。

這兩個文件是構建ROS功能包必不可少的組成部分，它們定義了功能包的構

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。

它是一個包含一組功能包的目錄，并提供構建、編譯和運行這些功能包的環(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。在這個文件夾

中，可以包含一個或多個ROS功能包的源代碼文件夾，每個功能包對應一個獨立

的文件夾。

2.build：build文件夾是用于存放構建過程中生成的中間文件和構建產物的

目錄。當進行構建操作時，CMake會生成構建系統(tǒng)所需的Makefile等文件，并將

編譯生成的庫、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、庫文件和其他資

源文件的目錄。在構建完成后，ROS會將編譯生成的文件放在devel目錄中，以

便后續(xù)的運行和調試。

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'命令進行安裝時，編譯生成的文件會被復制到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，提供了對工作空間的基本信息和依賴

關系的描述。

-setup,bash/setup.zsh：用于設置ROS環(huán)境變量的腳本文件，通過運行其

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工作空間是一個可以自由組織的目錄結構，并不強制要求

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

名稱和層級關系，但通常遵循這樣的約定以保持一致性和可讀性。

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

(5)ROS的三種通信機制是什么？說明它們的特點與區(qū)別。

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

和動作(Actions)o它們具有不同的特點和用途。

1.話題(Topics)：

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

信機制。發(fā)布者將消息發(fā)布到某個話題上，所有訂閱該話題的節(jié)點都會接收到該

消息。發(fā)布者和訂閱者之間是一對多的關系。

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

應。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。

-應用場景：適用于實時數據的傳輸，如傳感器數據、圖像、激光掃描等。

2.服務(Services)：

■特點：服務是一種請求-響應(Request-Response)模型的通信機制。

一個節(jié)點可以向另一個節(jié)點發(fā)送請求，并等待該節(jié)點的響應。請求和響應是一對

一的關系。

-區(qū)別：服務是一種同步通信機制，請求方需要等待響應方的回應。請求

者需要明確指定服務的名稱和消息類型，響應者根據請求者發(fā)送的消息進行處理,

并返回相應的結果。

-應用場景：適用于需要進行特定操作或獲取特定信息的場景，如傳感器

數據查詢、執(zhí)行控制命令等。

3.動作(Actions)：

-特點：動作是一種擴展的請求-響應模型通信機制。一個節(jié)點可以向另

一個節(jié)點發(fā)送請求，并等待該節(jié)點的響應，但響應可以是一個連續(xù)的過程，而不

僅僅是單次的響應。

-區(qū)別：動作與服務類似，但支持異步執(zhí)行和取消操作。請求方可以設置

執(zhí)行的目標和取消請求，響應方可以實時報告進度，并在完成后返回結果。

-應用場景：適用于需要執(zhí)行長時間運行的任務，如路徑規(guī)劃、導航等。

這三種通信機制在ROS中提供了靈活多樣的方式來實現(xiàn)不同節(jié)點間的數據交

換和互動。選擇合適的通信機制依賴于具體的應用需求，例如實時性要求、數據

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

(6)什么是節(jié)點？如何運行一個節(jié)點？

答：在ROS中，節(jié)點(Node)是指一個執(zhí)行特定功能的進程。節(jié)點可以是一

個獨立的可執(zhí)行文件，也可以是一個腳本文件或者插件。每個節(jié)點都有一個唯一

的名稱，以便在ROS網絡中進行通信和識別。

運行一個ROS節(jié)點的步驟如下：

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

一個ROS工作空間，并設置環(huán)境變量。

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

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

?8?

語言（如C++、Python等）進行編寫。

3.構建工作空間：在工作空間的根目錄下，運行'catkin_make'或'catkin

build'來構建工作空間，生成可執(zhí)行文件。

4.啟動R0S核心：在終端中運行'roscore'命令，啟動ROS核心，用于管理

ROS系統(tǒng)運行時的各種功能。

5.運行節(jié)點：在終端中通過'rosrun'命令來運行節(jié)點。命令的格式為'rosrun

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

'node_name'為節(jié)點的名稱。

例如，假設我們有一個名為'my_package'的功能包，其中包含一個名為

'mynode'的節(jié)點，可以通過以下命令來運行該節(jié)點：

shell

rosrunmy_packagemy_node

運行節(jié)點后，節(jié)點將執(zhí)行相應的功能，可以與其他節(jié)點進行通信、發(fā)布和訂

閱話題、提供或調用服務等。

需要注意的是，運行一個節(jié)點之前，確保ROS環(huán)境已經設置正確，即先運行

'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)點管理器？它的作用是什么？

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

調多個節(jié)點的創(chuàng)建、運行和通信。

節(jié)點管理器的主要作用如下：

1.節(jié)點的注冊和發(fā)現(xiàn)：節(jié)點管理器負責節(jié)點的注冊和發(fā)現(xiàn)。當一個節(jié)點啟動

時，它會向節(jié)點管理器注冊自己的名稱和功能，以便其他節(jié)點能夠找到它并與之

通信。

口2.節(jié)點間的通信：節(jié)點管理器使節(jié)點能夠進行相互之間的通信。它維護一個

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。當節(jié)點發(fā)布

消息時，節(jié)點管理器將該消息傳遞給所有訂閱該話題的節(jié)點。

3.服務和動作的匹配：節(jié)點管理器還負責服務（Services）和動作（Actions）

的匹配。當一個節(jié)點請求某個服務或動作時，節(jié)點管理器將該請求發(fā)送給提供相

應服務或動作的節(jié)點，并將其回應返回給請求方。

4.節(jié)點的生命周期管理：節(jié)點管理器可以監(jiān)測節(jié)點的狀態(tài)，并進行生命周期

管理。例如，當一個節(jié)點異常終止時，節(jié)點管理器可以重新啟動該節(jié)點。它還可

以協(xié)調節(jié)點的順序和依賴關系，確保節(jié)點按照正確的順序啟動和關閉。

5.資源分配和調度：節(jié)點管理器可以進行資源分配和調度，以確保多個節(jié)點

在共享資源時能夠合理利用。它可以監(jiān)測節(jié)點的運行狀態(tài)和資源占用情況，并根

據需要進行資源分配和調整。

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

和控制節(jié)點的機制，使得多個節(jié)點可以相互通信和協(xié)作，從而構建出一個強大而

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

靈活的分布式系統(tǒng)。

(8)簡述主題與服務的區(qū)別。

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

用于節(jié)點之間進行信息交換。

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

方式。一個節(jié)點可以發(fā)布一個特定主題的消息，而其他節(jié)點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有直接的請求和響應

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

主題的特點是廣播性，適用于多個節(jié)點之間實時的消息傳遞和數據共享。

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

一個節(jié)點可以提供一個特定服務，而其他節(jié)點可以向該服務發(fā)出請求，并等待服

務節(jié)點的響應。服務是一種同步通信方式，請求方發(fā)送請求后，會一直等待直到

接收到響應。服務的特點是點對點的交互，適用于節(jié)點之間需要請求和響應的情

況，例如發(fā)送一個查詢請求并等待某個節(jié)點返回結果。

區(qū)別總結如下：

1.主題是發(fā)布者-訂閱者模式，服務是客戶端-服務器模式。

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。服務是同步通信，請求方發(fā)送請求后需要等待服務節(jié)點的

響應。

3.主題是廣播性的，一個消息可以同時被多個訂閱者接收。服務是點對點的,

一次請求只會有一個服務節(jié)點進行響應。

4.主題適用于實時消息傳遞和數據共享。服務適用于需要點對點交互、請求

和響應的情況。

根據應用需求，選擇合適的通信方式可以更好地實現(xiàn)節(jié)點之間的通信和協(xié)作。

(9)坐標變換的含義是什么？舉例說明在哪些機器人應用場景中可

能會使用到坐標變換。

答：坐標變換(CoordinateTransformation)是指將一個坐標系中的坐標點

轉換到另一個坐標系中的過程。在機器人領域中，坐標變換是非常重要的，因為

機器人通常需要在不同的坐標系中進行感知、定位和運動控制。

舉例說明在哪些機器人應用場景中可能會使用到坐標變換：

L傳感器數據融合：許多機器人系統(tǒng)使用多種傳感器來獲取環(huán)境信息，例如

激光雷達、相機和慣性測量單元(IMU)o每個傳感器可能使用不同的坐標系描述

其測量結果。在進行數據融合時，需要將不同傳感器的數據轉換到一個統(tǒng)一的坐

標系中，以便進行一致的感知和決策。

2.機械臂運動控制：機器人中的機械臂通常有多個關節(jié)，每個關節(jié)都有自己

的坐標系。在進行運動控制時，需要將目標位置或軌跡的描述從基座坐標系轉換

到各個關節(jié)坐標系，以便將控制信號傳遞給每個關節(jié)。

3.移動機器人定位與導航：對于移動機器人，需要利用各種傳感器來定位自

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

?10?

同的全局坐標系。為了實現(xiàn)準確的定位和導航，需要進行坐標變換將傳感器的數

據映射到全局坐標系。

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

供不同視角或坐標系下的點云數據。為了整合這些數據并生成一致的三維模型或

地圖，需要進行坐標變換將點云數據轉換到一個統(tǒng)一的坐標系中。

總之，坐標變換在機器人應用中廣泛使用，它能夠實現(xiàn)不同坐標系之間的聯(lián)

系和轉換，使得機器人能夠在多個坐標系下進行感知、規(guī)劃和控制，從而實現(xiàn)各

種復雜任務。

(10)Gazebo和rviz的區(qū)別是什么?

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

工具，它們在機器人開發(fā)中有不同的使用場景和功能。

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

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

并提供強大的物理引擎，可以模擬真實世界中的力和碰撞等效果。通過Gazebo,

開發(fā)者可以在不實際進行物理硬件測試的情況下，進行各種機器人算法和控制策

略的驗證和調試。因此，Gazebo主要用于機器人仿真和測試階段。

rviz是ROS中的一個強大的三維可視化工具，用于實時查看和分析機器人的

傳感器數據、狀態(tài)信息和運動規(guī)劃等。rviz提供了豐富的可視化插件，如點云、

激光雷達、相機圖像等，可以將傳感器數據以二維或三維的形式顯示出來；同時

也支持可視化機器人模型、運動軌跡、地圖等。開發(fā)者可以通過rviz實時監(jiān)視和

調試機器人系統(tǒng)，例如檢查傳感器數據、調整導航規(guī)劃參數等。因此，rviz主要

用于機器人開發(fā)和調試階段。

區(qū)別總結如下：

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

rviz主要用于機器人系統(tǒng)的可視化和調試，支持實時查看傳感器數據、狀態(tài)信息

和運動規(guī)劃等。

2.使用場景：Gazebo適用于驗證機器人算法和控制策略，在仿真環(huán)境中進行

各種測試；rviz適用于開發(fā)和調試階段，對機器人的傳感器數據和系統(tǒng)狀態(tài)進行

實時監(jiān)視和分析。

3.數據顯示：Gazebo主要以三維場景和物體模型為主，可以模擬復雜的物理

效果；rviz可以以二維或三維的形式顯示傳感器數據、機器人模型和地圖等。

綜上所述，Gazebo和rviz在功能和使用場景上有所不司。開發(fā)者可以根據需

要選擇合適的工具來進行機器人仿真、測試和調試工作。

(11)R0S的外接設備有哪些？與機器人控制器通信時，使用到了

R0S的哪種通信機制？

答：在R0S中，可以通過外接設備與機器人控制器進行通信。以下是一些常

見的外接設備：

1.傳感器：包括激光雷達、相機、慣性測量單元(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、機器人姿態(tài)和物體檢測等數據。

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

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

的運動或執(zhí)行特定的任務。

3.控制器：例如PID控制器、軌跡規(guī)劃器、運動控制接口等。這些控制器用

于實現(xiàn)機淵人的運動控制、路徑規(guī)劃和姿態(tài)控制等功能。

4.外部計算機：除了直接與機器人連接的設備外，還可以使用外部計算機進

行更復雜的數據處理和決策，如高級算法的計算、遠程監(jiān)控與控制等。

至于機器人控制器通信時使用的ROS通信機制，主要有兩種：

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

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

通過定義特定的消息類型，可以實現(xiàn)各種傳感器數據、狀態(tài)信息或控制指令的交

換。

2.ROS服務(ROSServices)：服務是一種使用請求-響應(Request-Response)

模型的通信機制。通過定義特定的服務類型，可以在節(jié)點之間通過發(fā)送請求和接

收響應來實現(xiàn)雙向的通信。服務主要用于執(zhí)行特定的操作或獲取特定的數據。

這兩種通信機制都是ROS提供的核心功能，開發(fā)者可以根據具體需求選擇合

適的通信方式與機器人控制器進行交互。在實際應用中，通常會同時使用話題和

服務，以滿足不同類型的通信需求。

(12)編寫ROS節(jié)點，獲取計算機相機數據，并將數據以主題形式

發(fā)布，然后在命令行中顯示主題內容。

答：

(13)ROS可以將多個節(jié)點部署在不同的控制主機上，進行分布式

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

子網掩碼為,在該局域網中最多可以部署多少臺控制

主機進行通信？

答：在ROS中，編寫一個節(jié)點來獲取計算機相機數據并發(fā)布為主題的步驟如

下：

1.創(chuàng)建一個新的ROS包：

、、、

$cdVcatkin_ws/src

$catkin_create_pkgcamera_nodestd_msgsrospycv_bridgesensor_msgs

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

添加了所需的依賴項。

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

'camera_pub1isher.py',并添加執(zhí)行權限：

$cdVcatkin_ws/src/camera_node

$touchcamerapublisher,py

?12?

$chmod+xcamera_publisher.py

3.打開'camera_publisher.py'文件，并編寫相機數據獲取和主題發(fā)布的代

碼。以下是一個簡單前例子，使用OpenCV庫來讀取計算機相機數據并將其發(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

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對象和CvBridge對象

cv_image=cv2.VideoCapture(0)

bridge=CvBridge()

#設置循環(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()

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

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.運行ROS節(jié)點：

$sourceVcatkin_ws/devel/setup.bash

$rosruncamera_nodecamera_publisher.py

此時，'camera_publisher.py'節(jié)點會開始獲取相機數據并將其以

'/earnera_topic'主題發(fā)布出去。

7.打開另一個終端，并輸入以下命令以查看主題內容：

$sourceVcatkin_ws/devel/setup.bash

$rostopicecho/cameratopic

這將顯示從計算機相機獲取的數據。

（14）根據TF原理，若有一個7自由度機械臂，第i軸坐標系｛i｝

相對于第i—1軸坐標系｛i—1｝的齊次變換矩陣表示為，求末端坐標

系⑺相對于基座坐標系｛0｝的變換矩陣。

答：在給定的局域網中，根據子網掩碼，可以計算出可用的IP地址范圍。子

網掩碼'255.255.255.0'表示24位網絡前綴和8位主機標識。

對于給定的子網掩碼，可用主機的數量等于2的主機位數減去2（排除了網絡

地址和廣播地址）。因此，在一個具有24位網絡前綴和8位主機標識的子網上，

最多可以部署2-8-2=254臺控制主機進行通信。

（15）TF可以使用歐拉角和四元數兩種方法表示，請推導兩者的變

換公式。

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

示方法，它們可以用來描述物體在三維空間中的旋轉變換。下面是歐拉角和四元

數之間的相互轉換公式的推導：

?14?

1.歐拉角到四元數的轉換：

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

度)和yaw(繞z軸旋轉角度)。對應的旋轉矩陣為R_eulero

通過四元數的變換公式可推導出：

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是表示旋轉的四元數。

2.四元數到歐拉角的轉換：

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

=lo

通過旋轉矩陣R_quaternion和旋轉順序為roll-pitch-yaw的歐拉角表

示，可以推導出：

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是一個將弧度映射到[-n,五]區(qū)間的反三角函數。

這樣，我們就得到了歐拉角和四元數之間的變換公式。

第3章建立機器人系統(tǒng)模型

(1)在Gazebo中如何通過roslaunch加載世界模型？

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

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

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

3.在包的launch文件中，添加以下內容：

xml

<launch>

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

<!—啟動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)點和參數>

</launch>

請將上述代碼中的〃路徑/到/你的/世界文件.world”替換為實際的路徑和

值。

4.運行roslaunch命令啟動Gazebo并加載世界模型：

bash

roslaunch包名launch文件名,launch

這將啟動Gazebo并加載指定的世界模型。

(2)什么是URDF?其由哪幾部分標簽組成？

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

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

中常用的機器人建模語言。

URDF文件由以下幾部分標簽組成：

1.'robot'：URDF文件的根標簽，用于定義整個機器人模型。

2.'link'：描述機器人的剛體鏈接，包括名稱、相對于父鏈接的原點位置和

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)、材質和顏色。

4.'collision'：鏈接的碰撞屬性，用于物理模擬和碰撞檢測。

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

父鏈接和子鏈接、關節(jié)原點位置和軸向、關節(jié)限制等信息。

?16?

6.'sensor'：描述傳感器設備，如攝像頭、激光雷達等。

URDF文件使用以上標簽來描述機器人的結構、幾何形狀、關節(jié)和傳感器信息。

通過將這些信息保存在URDF文件中，可以方便地加載和可視化機器人模型，進行

運動規(guī)劃、碰撞檢測等操作。

(3)如何通過rosIaunch把URDF模型添加到Gazebo中?

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

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

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

3.在包的launch文件中，添加以下內容：

xml

<launch>

<!--啟動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)點和參數一〉

</launch>

請將上述代碼中的〃路徑/到/你的/世界文件.world”替換為實際的路徑和

值，并將〃路徑/到/你的/urdf文件.urdf〃替換為實際的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.運行roslaunch命令啟動Gazebo并加載URDF模型：

\'bash

roslaunch包名launch文件名.launch

期機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

這將啟動Gazebo并加載指定的世界文件和URDF模型。

請注意，以上示例假設你的世界文件是以，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，請相應地修改launch

文件中的文件類型。

(4)創(chuàng)建一個長、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)建一個長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名為'cube.urdf'的文件。

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

覺屬性中指定了一個長0.6m、寬0.1m、高0.2m的白色立方體。使用'〈box>'標

簽指定了立方體的大小，使用'〈color〉'標簽指定了顏色為白色。

(5)在URDF文件中如何對link設置視圖模型、碰撞模型和慣性模

型？

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

'<inertial>'標簽來為鏈接(link)設置視覺模型、碰撞模型和慣性模型。下面

是針對每個標簽的簡要說明：

?18?

1.\visual>'：用于定義鏈接的視覺模型。

xml

<linkname=/zmy_link，/>

<visual>

<!-視覺模型定義-

</visual>

<!-其他標簽一>

</link>

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

<box>\<sphere>\<cylinder>'等),并使用'〈material)'標簽定義材質

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>

<!-其他標簽一>

</link>

XXX

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

撞檢測。

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>

<!—其他標簽一〉

</link>

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

在,<inertial>'標簽中，你可以使用'<niass>、標簽定義質量，并使用

'<inertia>'標簽定義慣性張量。

這些標簽可以在\link>'標簽內部使用，以為每個鏈接定義自己的視覺模

型、碰撞模型和慣性模型。你也可以為一個鏈接設置多個視覺模型、碰撞模型和

慣性模型。

請確保在URDF文件中包含適當的標簽來描述你的鏈接的屬性，這樣在加載

模型時，Gazebo或其他可視化工具才能正確地顯示、進行碰撞檢測和物理模擬等

操作。

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

么？

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

描數據的一種標準消息類型。它包含了激光雷達在掃描過程中獲取的信息。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

具體的消息字段說明如下：

-'header'：消息頭，包含時間戳和坐標系等信息。

'angle_min'：激光掃描的起始角度（弧度）。

-'angle_max'：激光掃描的結束角度（弧度）。

-'angle_increment'：每個激光點之間的角度增量（弧度）。

time_increment'：每個激光點之間的時間增量（秒）。

-'scan_time'：激光掃描的時間（秒）。

-'range_min'：激光可測距離的最小值。

?20?

-rangejnax'：激光可測距離的最大值。

-'ranges'：每個激光點的距離值數組。

-'intensities'：每個激光點的強度值數組（可選）。

'ranges'數組存儲了每個激光點的距離值，通常用于表示物體到激光雷達的

距離。'intensities'數組存儲了每個激光點的強度值，它表示激光返回時的反

射強度，但并非所有激光雷達都提供這個信息。

這些字段描述了激光掃描的幾何形狀和參數，以及每個激光點的距離和可能

的強度信息。

（7）結合第1章的圖1.4和圖1.5所示的兩輪差速運動模型，分析

兩輪差速機器人的里程計模型。

答：

（8）已知差速驅動的移動機器人輪子半徑為r,驅動輪到兩輪中間

點P的距離為d,左輪和右輪的旋轉角速度分別為，若機器人在平面

全局坐標系下的姿態(tài)為，求其運動學模型。

答：根據你提供的信息，差速驅動的移動機器人的輪子半徑為r,驅動輪到兩

輪中間點P的距離為d,左輪和右輪的旋轉角速度分別為公」和31，機器人

在平面全局坐標系下的姿態(tài)為（x,y,0）o我們可以推導出森差速驅擊機器人的

運動學模型。

首先，我們假設機器人在一個時間間隔At內運動。那么，左輪和右輪在△

t時間內分別旋轉的角度可以表示為：

0_1=G)_1*△t

G_r=co_r*△t

接下來，計算機器人的線速度V和角速度3。根據差速驅動的特性，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，通過計算機器人的線速度和角速度來確定機器人的整體線速度v和角

機器人操作系統(tǒng)ROS應用實踐

速度3

v=(v_l+v_r)/2

3=(v_r-v_l)/d

最后，使用機器人的線速度和角速度來更新機器人的位姿。根據運動學模型:

△x=v*cos（。）*At

△y=v*sin（。）*△t

△0=G）*△t

x'=x+△x

y'=y+Ay

0'=0+△。

其中，（x,y,0）是機器人的當前位姿，（x',y',O'）是根據運動學模型

預測的下一個時刻的位姿。

這個運動學模型描述了差速驅動移動機器人的位姿變化規(guī)律。它是通過控制

左右輪的旋轉角速度來確定機器人的整體線速度和角速度，從而更新機器人的位

姿。

（9）求阿克曼驅動型底盤的正運動學方程和逆運動學方程。

答：阿克曼驅動型底盤是一種常用于車輛或機器人的驅動系統(tǒng)，它使用前輪

轉向機構實現(xiàn)轉向控制。下面分別介紹阿克曼驅動型底盤的正運動學方程和逆運

動學方程。

1.阿克曼驅動型底盤的正運動學方程：

正運動學方程用于根據車輛的轉向角度和轉向半徑計算車輛的前進速度和轉

向角速度。假設底盤的輪子基準軸距（輪子中心之間的距離）為L,前輪的轉向

角度為a,底盤的前進速度為v,轉向角速度為3。那么，正運動學方程可表

示為：

V=3*R

Q=atan（L/（R+0.5*W））

?22?

其中，R是車輛的轉向半徑，W是車輛的軌寬(左右車輪之間的距離)。

2.阿克曼驅動型底盤的逆運動學方程：

逆運動學方程用于根據車輛的前進速度和轉向角速度計算車輛的轉向角度和

轉向半徑。假設底盤的輪子基準軸距為L