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本書全面地介紹了ROS2機(jī)器人操作系統(tǒng)與Gazebo機(jī)器人仿真技術(shù)，內(nèi)容涵蓋了機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、ROS2的運(yùn)行原理、基本操作與編程方法，以及新一代Gazebo仿真工具的使用，通過詳細(xì)的操作步驟解析和豐富的實(shí)踐案例，幫助讀者快速掌握機(jī)器人開發(fā)與仿真的關(guān)鍵技能。書共9章，第1章介紹了機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行了全面概述；第2~4章重點(diǎn)介紹了ROS2的安裝、編程和仿真案例，以便讀者熟練掌握ROS2；第5章和第6章介紹了Gazebo的安裝、仿真環(huán)境和機(jī)器人建模方法，第7章介紹ROS2和Gazebo進(jìn)行聯(lián)合仿真的方法，第8章以移動(dòng)機(jī)器人的自主建圖和導(dǎo)航仿真介紹導(dǎo)航框架Nav2的使用方法，第9章介紹六足、四足、雙足機(jī)器人、多旋翼無人機(jī)、海面船舶和水平潛艇等6種機(jī)器人仿真方法和流程。本書內(nèi)容豐富，理論與實(shí)踐相結(jié)合，適合機(jī)器人技術(shù)初學(xué)者、高校計(jì)算機(jī)與機(jī)器人相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生、科研院所的研究人員及從事機(jī)器人開發(fā)的工程師閱讀和參考。隨書附贈(zèng)，本書中的所有仿真模型、全書源碼、授課PPT和授課視頻。

前言
隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域正迎來前所未有的變革與機(jī)遇。機(jī)器人不再僅僅是工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化工具，而是正在逐漸融入人類生活的方方面面，從家庭服務(wù)到太空探索，從醫(yī)療到危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)，其應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展。在這一背景下，掌握機(jī)器人開發(fā)與仿真技術(shù)已成為進(jìn)入機(jī)器人行業(yè)的關(guān)鍵技能。

ROS(Robot Operating System，機(jī)器人操作系統(tǒng))作為機(jī)器人領(lǐng)域的主流開發(fā)框架，為機(jī)器人編程提供了一個(gè)高效、靈活且易于擴(kuò)展的平臺(tái)。近年來，隨著ROS 2的推出，其在實(shí)時(shí)性、跨平臺(tái)支持、安全性等方面進(jìn)行了全面升級(jí)，進(jìn)一步推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)，Gazebo作為一款強(qiáng)大的物理仿真工具，能夠高度逼真地模擬機(jī)器人與環(huán)境的交互，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化提供了有力支持。長(zhǎng)期以來Gazebo作為仿真工具能夠與ROS 2進(jìn)行聯(lián)合仿真，一方面作為ROS的默認(rèn)仿真工具，解決了ROS缺乏機(jī)器人仿真工具的問題；另一方面Gazebo仿真工具為ROS 2程序的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證提供了平臺(tái)，可在程序部署到真實(shí)機(jī)器人前進(jìn)行算法檢驗(yàn)，提升ROS 2程序的開發(fā)效率。

目前ROS 2和Gazebo發(fā)展迅速，已成為機(jī)器人開發(fā)和仿真領(lǐng)域的核心工具。然而，國(guó)內(nèi)缺乏系統(tǒng)介紹二者特性的書籍和資料，鑒于這一現(xiàn)狀，本書精心選取了ROS 2在2024年5月發(fā)布的長(zhǎng)期支持版本Jazzy和與之所配套的在2023年9月發(fā)布的新一代Gazebo的長(zhǎng)期支持版本Harmonic作為核心內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)介紹。新的ROS 2和Gazebo不論在安裝、使用和編程方面均展現(xiàn)出易用性。同時(shí)，二者的聯(lián)合仿真也更加規(guī)范、合理，整體邏輯也更為清晰，極大地降低了學(xué)習(xí)和開發(fā)的門檻。基于以上優(yōu)勢(shì)，本書建議初學(xué)者直接從新的ROS 2和Gazebo入手，以便充分利用其強(qiáng)大的新特性，并在未來的開發(fā)中獲得長(zhǎng)期技術(shù)支持和持續(xù)收益。對(duì)于有一定經(jīng)驗(yàn)的讀者，可參考本書介紹的內(nèi)容，將現(xiàn)有項(xiàng)目遷移到新的ROS 2和Gazebo版本，確保項(xiàng)目在未來的開發(fā)和應(yīng)用中保持高效和可持續(xù)性。無論是機(jī)器人技術(shù)的初學(xué)者，還是希望深入了解ROS 2與Gazebo高級(jí)應(yīng)用的開發(fā)者，本書都將是一本極具價(jià)值的參考書。

本書旨在為讀者提供一本系統(tǒng)、全面且實(shí)用的教材和參考資料，幫助讀者快速地掌握ROS 2與Gazebo的基本原理與核心技術(shù)。第1章為機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，介紹了機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史、分類、構(gòu)成到產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，是對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的概述。第2～4章全面地介紹了ROS 2機(jī)器人操作系統(tǒng)。第2章介紹了ROS 2的基本原理、安裝方法、命令行工具和rqt的使用方法等基礎(chǔ)內(nèi)容。第3章以Python語言為主介紹了ROS 2工作空間的結(jié)構(gòu)、rclpy庫(kù)的使用、坐標(biāo)系管理、Launch文件編寫和URDF的使用等內(nèi)容。第4章通過TurtleSim仿真環(huán)境介紹了ROS 2基礎(chǔ)仿真，通過豐富的案例展示了話題控制、服務(wù)調(diào)用、動(dòng)作反饋及群機(jī)器人仿真等內(nèi)容。第5章和第6章細(xì)致地介紹了新一代Gazebo仿真工具。第5章介紹了Gazebo的架構(gòu)、安裝、圖形用戶界面，以及命令行工具的使用方法等基礎(chǔ)知識(shí)。第6章詳細(xì)地介紹了使用SDF構(gòu)建仿真環(huán)境、創(chuàng)建模型和機(jī)器人等內(nèi)容。第7～9章介紹了ROS 2和Gazebo聯(lián)合仿真的方法和實(shí)際應(yīng)用案例。第7章介紹了ROS 2和Gazebo聯(lián)合仿真的基本原理和一般流程。第8章詳細(xì)地介紹了Nav2無人車導(dǎo)航框架的基本原理和仿真方法。第9章介紹了六足機(jī)器人、四足機(jī)器人、雙足機(jī)器人、四旋翼無人機(jī)、海面船舶和水下潛艇6種不同類型的機(jī)器人仿真方法，展示了ROS 2與Gazebo聯(lián)合仿真的一般流程和步驟，以及二者在多樣化機(jī)器人開發(fā)和應(yīng)用中的廣泛前景。隨書附贈(zèng)的全部代碼均經(jīng)過驗(yàn)證，方便讀者運(yùn)行和修改。
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在編寫本書的過程中，筆者力求做到內(nèi)容翔實(shí)、語言通俗易懂，并通過大量實(shí)例和詳細(xì)的步驟解析，幫助讀者更好地理解和掌握相關(guān)知識(shí)。同時(shí)，我們也注意到機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，在內(nèi)容選擇上注重前沿性與實(shí)用性，確保本書能夠滿足當(dāng)前機(jī)器人開發(fā)與仿真的實(shí)際需求。

最后，感謝所有支持本書編寫工作的同事和朋友，也期待讀者在學(xué)習(xí)過程中提出寶貴意見和建議。
作者
2025年5月5日

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