本書講什么這是一本介紹智能機(jī)器人與運動控制的書。隨著社會的發(fā)展，機(jī)器人在生活中也變得越來越普遍，不僅是工廠流水線上的工業(yè)機(jī)械臂，如無人駕駛汽車、無人物流配送車之類的機(jī)器人也逐漸走入千家萬戶。而這些智能機(jī)器人技術(shù)背后的基石正是運動控制。
　　運動控制是一類自動化技術(shù)，是指讓系統(tǒng)中的可動部分按預(yù)期的目標(biāo)受控運行的技術(shù)。這里的“可動部分”可以是電機(jī)、液壓泵等驅(qū)動單元，也可以是機(jī)器人本身。具體地說，對于電機(jī)、液壓泵等驅(qū)動單元而言，通常的運動控制目標(biāo)是使其按照預(yù)期的力（力矩）、速度運行，或者使其達(dá)到期望的位置；而對于機(jī)器人而言，其運動控制的目標(biāo)通常是跟蹤預(yù)設(shè)的軌跡，或者使機(jī)器人到達(dá)指定的位置。由于機(jī)器人通常是由多個電機(jī)、液壓泵等驅(qū)動單元共同組成的，因此單個電機(jī)、液壓泵等驅(qū)動單元的運動控制是機(jī)器人整體運動控制的基礎(chǔ)。直流電機(jī)是當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)中最常用的驅(qū)動單元，因此本書將以直流電機(jī)為例，講述運動控制技術(shù)。本書首先講述單電機(jī)的運動控制技術(shù)，隨后逐步擴(kuò)展到多電機(jī)的協(xié)同運動控制技術(shù)，即智能機(jī)器人的運動控制技術(shù)。由于無人駕駛汽車、無人物流配送車等的興起，智能移動機(jī)器人已成為智能制造中不可忽視的重要組成部分，也鑒于已有許多介紹機(jī)械臂的教材，因此本書將以智能移動機(jī)器人為例，著重介紹多電機(jī)系統(tǒng)運動控制技術(shù)。
　　從基本的自動控制原理中可知，為了實現(xiàn)對一個控制對象的自動控制，一般首先需要控制對象的模型（無模型控制不在此列）。對于控制器來說，控制對象的模型非常重要，因為控制對象的模型是用來描述“這些控制量輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)的狀態(tài)（輸出）會相應(yīng)發(fā)生什么改變”的；因此，通過控制對象的模型，才能知道“為了使系統(tǒng)的狀態(tài)（輸出）達(dá)到期望值，需要的控制量應(yīng)該是什么”。在實際工程中，一個準(zhǔn)確的控制對象的模型可以使控制器設(shè)計變得非常簡單。然而，如何獲得控制對象的模型呢？一般的做法是，設(shè)計特定的實驗，通過輸入特定的控制信號來激勵控制對象、采集控制對象的輸出，并依據(jù)該輸入-輸出信號來估計控制對象的模型，這一過程被稱為系統(tǒng)辨識（System Identification）。鑒于“建立準(zhǔn)確的控制對象模型”對于運動控制的重要性，本書將以直流電機(jī)和移動機(jī)器人為例，介紹運動控制系統(tǒng)的控制對象的建模方法，為之后的控制器設(shè)計打下基礎(chǔ)。
　　對于一個運動控制系統(tǒng)來說，若要實現(xiàn)自動控制，在獲得了控制對象的模型后，還需要感知模塊，用于提供閉環(huán)控制所需的反饋信號。因此，本書將以單直流電機(jī)系統(tǒng)和智能移動機(jī)器人為例，介紹其感知模塊。具體地，對于單直流電機(jī)系統(tǒng)，將介紹其反饋傳感器與信號；對于智能移動機(jī)器人，將介紹其常用的傳感器以及基本的定位算法。
　　在建立控制對象的模型和反饋通道后，本書將以單直流電機(jī)為例，介紹其控制方法。鑒于已經(jīng)獲得了具體的控制對象的模型，因此本書不再采用傳統(tǒng)的PID控制，而著重介紹線性二次型最優(yōu)控制的方法。這種方法相比于無模型的PID控制而言，通常具有更好的控制性能。
　　本書除了詳細(xì)介紹運動控制技術(shù)的建模、感知與控制理論外，還非常重視實踐。本書不僅會逐步介紹如何為控制對象建立模型、如何通過單片機(jī)實現(xiàn)單直流電機(jī)反饋信息的讀取與控制，還將介紹如何在ROS中實現(xiàn)智能機(jī)器人的基本定位、SLAM、規(guī)劃與控制，使讀者逐步了解ROS這一當(dāng)前被機(jī)器人界廣泛使用的架構(gòu)。
　　如何使用本書每個算法的背后均有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行支撐，因此為了講清楚這些算法，本書不可避免地將涉及一些“枯燥無味”的數(shù)學(xué)知識。然而，鑒于本書面向的讀者是工科專業(yè)的學(xué)生，因此會盡可能地把這些數(shù)學(xué)知識結(jié)合實際的運動控制系統(tǒng)進(jìn)行講述。
　　本書分為3部分：第1部分為電機(jī)運動控制技術(shù)，具體包括：1）電機(jī)的種類和一個單電機(jī)運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成。
　　2）由于直流電機(jī)是智能機(jī)器人上最常用的電機(jī)，因此將介紹直流電機(jī)拖動的電氣與力學(xué)模型，建立其狀態(tài)空間模型。
　　3）基于直流電機(jī)的狀態(tài)空間模型，將介紹如何設(shè)計實驗對直流電機(jī)拖動的電氣與力學(xué)模型中的待定參數(shù)開展辨識以及其背后的辨識原理。
　　4）基于辨識得到的直流電機(jī)拖動的電氣與力學(xué)模型，將介紹直流電機(jī)的線性二次型最優(yōu)控制方法。
　　第2部分為多電機(jī)協(xié)同控制技術(shù)，具體包括：1）移動機(jī)器人的運動學(xué)模型及其模型辨識方法。
　　2）移動機(jī)器人的感知方法，包括其常用傳感器與基本的定位方法。
　　3）移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤。
　　第3部分為運動控制實踐，具體包括：1）如何基于STM32實現(xiàn)第1部分講述的直流電機(jī)的反饋控制，包括直流電機(jī)的運動控制系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)辨識與控制。
　　2）介紹如何使用當(dāng)今科研界廣泛使用的ROS和Gazebo架構(gòu)與仿真軟件。
　　3）如何在ROS中實現(xiàn)移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤。
　　本書的使用需要有一定的基礎(chǔ)，因此建議讀者在閱讀本書之前，需具備以下知識：1）高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論和一定程度的數(shù)理統(tǒng)計知識。這些知識大部分讀者在本科低年級時應(yīng)當(dāng)均有涉獵，如果讀者對已學(xué)過知識的記憶已經(jīng)模糊，請不要慌張，本書中依舊會在適當(dāng)?shù)臅r候結(jié)合實際案