結合Matlab與ROS快速上手無人自走車

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林顯易
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具体描述

結合Matlab與ROS快速上手無人自走車

  波士頓顧問公司(BCG)預測2025 年全球自動駕駛車市場銷售上探 420 億美元,而了解自駕車 AI 原理最好方式就是從無人自走車開始。本書以深入淺出方式帶領對自走車技術有興趣的社會人士或是高中職、大專程度學生了解無人自走車原理與實現方式,並透過本書實驗範例與程式可以在家動手實作無人自走車。

  ‧本書提出以 MATLAB® 圖形化的元件程式環境與 ROS 整合方式,相較完全以 ROS 的開發方式,本書方法大幅降低無人自走車程式門檻

  ‧本書使用 TurtleBot3自走車套件,硬體包括單板電腦、馬達驅動板、雷射測距感測器

  ‧本書介紹常用自走車演算法包括快速隨機搜索樹演算法(Rapidly-exploring random tree, RRT)、單純追踪演算法 (Pure Pursuit)、向量直方圖演算法 (Vector Field Histogram, VFH)、佔據柵格地圖 (Occupancy grid map)、同步定位與地圖建構 (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)。

  ‧本書提供無人自走車初階與高階實驗範例與程式,讓讀者可以按部就班的在家操作並經歷實現自走車的成就感。

  本書利用 MATLAB® 及 ROS2 的軟體整合,並使用 TurtleBot3 自走車套件來引領讀者輕鬆實現「路徑導航 (Navigation)」、「避障 (Obstacle Avoidance)」、「同步定位與地圖建構 (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)」。對於需要進行專題實驗的學生或是工作上有需要的社會人士,本書將是不可或缺的一本參考書籍。
 
好的,这是一份关于一本假设存在的图书的详细简介,这份简介力求内容丰富、专业,并且不包含您所提及的《結合Matlab與ROS快速上手無人自走車》的具体内容。 --- 图书简介:面向嵌入式系统开发的系统级软件架构设计与实践 书名:面向嵌入式系统开发的系统级软件架构设计与实践 副标题:从硬件抽象到底层驱动的优化与集成 ISBN:[此处为假设的ISBN] 出版日期:[此处为假设的出版日期] 内容概述 本书旨在为嵌入式系统工程师、高级固件开发者以及致力于构建复杂、高性能嵌入式产品的技术人员提供一套全面、深入的系统级软件架构设计方法论和实践指导。在当前物联网(IoT)、工业自动化和实时控制等领域对系统可靠性、实时性及可维护性提出更高要求的背景下,传统的“堆砌式”或“单体式”软件设计已难以适应现代嵌入式产品的生命周期管理和功能迭代需求。 本书以现代嵌入式软件工程的最佳实践为核心,系统地阐述了如何构建一个健壮、模块化、可扩展且易于调试的系统级软件架构。我们聚焦于如何在高资源受限(或资源相对充裕但需要极致性能)的环境中,有效地平衡实时性需求(Hard/Soft Real-Time)、功耗管理、安全性和长期可维护性。 全书内容紧密围绕“架构设计”与“工程实践”两条主线展开,不仅停留在理论层面,更提供了大量针对特定微控制器(MCU)和片上系统(SoC)的实战案例和代码范例,旨在帮助读者将抽象的架构概念转化为可执行、高性能的嵌入式代码。 核心章节与技术深度解析 本书内容涵盖了从最低层的硬件抽象到上层应用服务的构建,共分为六个主要部分: 第一部分:嵌入式软件架构基础与设计原则 本部分确立了现代嵌入式软件架构设计的基石。我们将探讨面向对象设计(OOD)在资源受限环境下的应用与权衡,特别是如何利用C++的特性(如模板、多态)来构建清晰的接口和模块边界。关键内容包括: 架构模式选择: 深入分析状态机驱动架构(State Machine)、事件驱动架构(EDA)以及分层架构在不同嵌入式应用中的适用性及性能影响。 模块化与解耦: 探讨接口定义语言(IDL)在不同模块间通信中的作用,以及如何利用依赖注入(DI)模式提高测试性和灵活性。 实时性度量与保证: 引入周转时间分析、最坏情况执行时间(WCET)的初步概念,为后续的实时操作系统(RTOS)选型和配置奠定基础。 第二部分:硬件抽象层(HAL)的高效构建 HAL是确保软件可移植性的关键。本部分着重于如何设计一个既能提供高性能,又易于迁移的硬件抽象层。 寄存器访问与内存映射优化: 讲解原子操作、内存屏障(Memory Barrier)在多核/异构系统中的必要性,以及如何通过内联汇编或编译器内建函数来优化关键路径的寄存器读写。 中断服务程序(ISR)设计规范: 详细说明ISR的编程约束、上下文保存与恢复机制,以及如何安全地从ISR向高层逻辑传递数据,避免阻塞时间过长。 驱动模型统一化: 介绍如何为不同类型的外部设备(如SPI、I2C、UART)设计统一的API接口,实现上层应用对底层协议的透明化操作。 第三部分:实时操作系统(RTOS)深度集成与调度策略 本部分是实现复杂任务并发管理的核心。我们不再仅仅停留在任务创建和信号量的使用,而是深入到操作系统的内部机制和性能调优。 内核选择与配置: 针对FreeRTOS、Zephyr等主流内核,分析其内核对象(如信号量、消息队列、事件组)的内存占用和时间复杂度。重点介绍如何进行内核裁剪以适应极低资源环境。 调度算法的定制与优化: 探讨固定优先级继承、优先级天花板协议等实时互斥机制,并教授如何实现时间片轮转(Time Slicing)和抢占式调度的平滑切换。 上下文切换开销分析: 演示使用性能分析工具测量并最小化任务切换引入的延迟,确保系统满足严格的时序要求。 第四部分:系统级数据流管理与通信中间件 现代嵌入式系统需要处理大量异构数据的流动。本部分专注于构建高效、可靠的中间件层。 内存池与动态内存管理: 在嵌入式系统中,标准`malloc/free`往往是性能瓶颈和碎片化的根源。本书提供了针对特定内存需求(如固定大小块、碎片化容忍度)的自定义内存分配器(如位图分配器、固定池分配器)的设计与实现。 进程间通信(IPC)优化: 对消息队列、共享内存、RPC(远程过程调用)机制在嵌入式环境下的性能进行对比,并给出低延迟、高吞吐量通信的实现方案。 数据序列化与反序列化: 介绍如何在资源约束下高效地使用如FlatBuffers或Protocol Buffers的嵌入式裁剪版本,以实现高效的数据交换。 第五部分:可靠性、调试与系统级测试 一个健壮的系统架构必须包含强大的错误处理和测试验证机制。 看门狗(Watchdog)与故障恢复策略: 设计多层次的看门狗机制,包括软件看门狗和硬件看门狗的联动,以及针对特定模块失效的自动重启与故障隔离策略。 日志系统与调试接口: 构建分级、异步、非阻塞的嵌入式日志框架,并介绍如何利用JTAG/SWD接口结合内存映射的调试变量,实现非侵入式的运行时状态监控。 单元测试与集成测试的嵌入式化: 探讨如何使用Google Test或替代框架在主机端模拟硬件环境(Mocking/Stubbing)对驱动和业务逻辑进行彻底的单元测试,并介绍硬件在环(HIL)测试的基础架构搭建。 第六部分:面向未来的架构演进:安全性与分布式集成 随着系统联网化,安全性成为架构设计的必然要求。 安全启动与固件更新(OTA): 讲解基于哈希校验和数字签名的安全启动流程,以及如何设计原子性更新机制,防止升级失败导致系统变砖。 轻量级安全原语: 在资源有限的MCU上实现必要的加密/解密操作、随机数生成器(TRNG/PRNG)的集成,并讨论硬件安全模块(HSM)的利用。 跨平台与跨架构考虑: 探讨如何利用清晰的接口层设计,使得软件架构能够平稳地从32位架构迁移到64位或特定DSP架构,保证投资回报率。 适用读者 本书适合具备C/C++基础,并对构建中大型、长期维护的嵌入式软件产品有实际需求的工程师。尤其推荐给以下人员: 1. 固件架构师: 需要从零开始设计复杂嵌入式系统的技术领导者。 2. 高级嵌入式软件工程师: 渴望超越基础驱动开发,深入理解系统底层性能瓶颈的开发者。 3. 系统集成工程师: 负责整合多个硬件模块和软件组件,需要设计高效通信和调度机制的专业人员。 4. 对软件可维护性和实时性能有严格要求的工业控制、医疗设备或航空电子领域的从业者。 通过本书的学习,读者将掌握构建下一代高性能、高可靠性嵌入式系统的核心能力,从“会写代码”迈向“会设计架构”的关键一步。

著者信息

作者簡介

林顯易


  林顯易現為國立台北科技大學自動科技研究所專任教授,主要專長為智慧機器人控制技術、人工智慧與機器學習、機電整合、影像感測。目前開設多門線上課程,包括在台達基金會 DeltaMOOCx「數位信號處理器」與「機器人學」,以及工研院 ITRI college + 「智慧機器人學」課程。另外林老師也擔任資策會與台灣區電機電子工業同業公會「人工智慧與機器學習」的講師,授課經驗豐富,細節請參考林老師網頁 arlabtw.com.tw。

陳雙龍

  陳雙龍目前就讀國立台北科技大學自動科技研究所在職專班,前後曾任職國內財星全球500 大企業、日本前八大知名電機企業韌體工程師,主要專長為程式設計、智慧機器人控制技術等,並持續不斷進修,廣泛學習,使所學與實務結合,於現場實踐專業技術。
 

图书目录

01 概述
1.1 本書主旨
1.2 本書適合對象
1.3 本書編排方式
1.4 小結

02 無人自走車導論
2.1 認識 ROS
2.2 ROS 受歡迎的原因
2.3 ROS 從 1.0 到 2.0
2.4 建構實驗環境
2.5 ROS 基本操作
2.6 小結

03 MATLAB® 介紹
3.1 MATLAB® 與程式語言比較
3.2 MATLAB® 基本操作
3.3 Robotics System Toolbox
3.4 ROS Toolbox
3.5 MATLAB® 安裝
3.6 版本更新過程
3.7 小結

04 無人自走車基礎理論
4.1 自走車系統之組成
4.2 演算法概念
4.3 安全法規
4.4 小結

05 無人自走車初階實驗
5.1 實驗準備
5.2 建立自走車與 MATLAB® 的連結
5.3 訊息的發佈與訂閱
5.4 速度指令發佈
5.5 訂閱里程計資料
5.6 前往定位點
5.7 移動到定點
5.8 探測周圍環境

06 無人自走車進階實驗
6.1 路徑規劃
6.2 路徑追蹤
6.3 避開障礙物
6.4 定位補償
6.5 佔據柵格地圖構建(Occupancy grid map)
6.6 自主巡航於工作站

07 未來發展
7.1 章節回顧

A 附錄

 

图书序言

  • ISBN:9789860776539
  • 規格:平裝 / 376頁 / 17 x 23 x 2.3 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

推薦序

  經濟部技術處扮演臺灣科技創新研發的推手,電動車與自駕車是為技術處的主要重點計畫之一,透過自駕技術展現科研與產業合作的最佳典範。為落實自駕車的目標,除了技術上的突破外,科普教育的普及也相當重要,而自自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR) 為實現自駕車的雛型,也是許多大專院學校的研究項目,因此自走車技術推廣是不容忽視的工作。

  很高興看到林顯易教授與其學生出版「自學無人自走車 ― 使用 ROS 與MATLAB」一書,本書對無人自走車原理、概念說明到實驗操作都有清楚地說明,帶領讀者進入無人自走車世界,不僅提供對無人自走車有興趣的大專院校學生與社會人士能在家自學,未來更可以接軌自駕車技術,培養出更多創新研發人才。

  林教授目前獲經濟部邀請擔任科技專家,學養俱佳,而本書由林教授與學生費心撰寫,在研究繁忙之餘還不忘對科普的重視,特別是林教授在機器人技術已深植十餘年,不僅在機器手臂或是無人自走車技術都有許多研究亮點,所提出 MATLAB 結合 ROS 的創新機器人控制概念為其獨到見解,透過 MATLAB 加速演算法開發的時程,並使用 ROS 提供自走車感測與動力的控制與驅動,未來有機會成為國內外機器人研發的創新平台開發作法。

  自駕車技術是國內外車廠的主要研發方向,台灣當然不能落於人後,藉由本書將可落實自駕車技術人才培育與科普推廣,因此本人極力推薦本書給對於自駕車或自走車有興趣的學生與社會人士,在目前科技爆炸的時代,透過本書增加自我的競爭力。

經濟部技術處 處長 邱求慧

推薦序

  自駕車研發市場正有著爆發性的成長,隨著人工智慧科技的成熟,深度學習和強化學習技術的躍進,還有5G 通訊技術推動車聯網的實現,皆成為自動駕駛與先進駕駛輔助系統(ADAS)的高速進展的強大推力。根據國外研究機構Research and Markets(註)報告指出全球自動駕駛汽車市場價值到2030 年將預計超過2 兆美元,全球銷量將超過5800萬台。

  發展自駕車產業,需要大量的軟體運算能力,精密演算法,即時回饋的感測器,以及各種裝置整合。透過MATLAB®& Simulink® 平台開發,可輕易整合人工智慧相關演算法,在同一平台中進行多設備系統開發及模擬,縮短在硬體上實現的成本及時間,加速產品上市時程。著名的電動車特斯拉Tesla 使用MATLAB®& Simulink® 進行建模已超過10 年,仍不斷透過模擬調整硬體效能,以提供更好的產品。台灣本身硬體製造實力強大,已有固有車用電子上下游完整供應鏈,放眼未來,若加上與國外車廠能接軌的開發系統,必定有機會在全球產業鏈佔有一席之地。林老師在校內透過輔助機器人實驗室及實踐場域(如木藝基地等),結合無人車和機器手臂,讓學生能夠了解工業4.0 自動化的精髓,在校外,屢屢率領團隊在競賽中創造佳績,並與企業界緊密結合,提供從使用者的角度自動化解決方案,具備著豐富理論與實作的教學經驗背景,書籍的內容十分適合想要踏入自走車/ 自駕車研發領域的初心者。本書內容理論與實作並蓄,除了詳細介紹使用的開發環境,林老師深入淺出的講解自走車理論,佐以數個不同階段的練習實驗,每個實驗步驟詳細,猶如置身課堂聽講,讓讀者可以輕鬆學習,快速理解。

  鈦思科技於國內推廣二十餘年,深感在學習初期若能降低門檻,讓初學者從過程中獲得成就感,可進而提高興趣,對於後續的研究便能提升效率及成果,增加未來的競爭優勢,身為鈦思科技總經理,欣聞林老師願意不藏私地分享經驗,開拓初學者學習捷徑,非常推薦大家跟著書中內容一步步操作,定令您受益匪淺。
 
鈦思科技股份有限公司總經理 申強華



  隨著科技發展及人工智慧技術的突飛猛進,以往只存在於電視影集中無人自駕霹靂車,近年來漸漸地被實現及應用。具有自動駕駛功能的車輛被視為全球未來的新興產業,自駕車可透過人工智慧與影像技術自主判定路況,提升乘車與行人安全。此外,未來城市的智慧運輸系統,除了智慧駕駛車輛、自駕巴士也將不可或缺,形成一套自主的車輛管理系統,這樣的願景相信在不久的未來就會實現。

  在自駕車的願景下,無人自走車為相較容易被實現的主題,尤其是學生常以自走車為專題研究題目,許多專題計畫廣泛實作與探討自走車的導航技術。特別是在新冠肺炎疫情當下,自走車相關應用更是需要被創造與開發,提供零接觸的各種可行應用,創造更多商機。

  為了讓更多學生與社會人士輕鬆地踏入開發自走車相關應用,本書採用MATLAB® 與 ROS2 結合的方式來建立自走車軟體開發平台,來降低進入自走車開發的門檻,讀者可以專心於控制演算法的開發,即便在家也可以自學無人自走車。本書規劃自走車的功能有路徑規劃、自主移動、路徑追蹤、閃避障礙物,以及自主導航到達指定目的地。

  ☘ 關於本書

  自走車目前已是一般人所接觸到的生活題材,期望藉由本書帶領對自走車技術有興趣的社會人士或是高中職、大專程度學生,可以輕鬆地按部就班學習,快速進入自走車開發的世界,透過自己實驗試作來了解自走車的原理。

  本書首先介紹自走車基本原理,並配合 MATLAB® 及 ROS2 整合實驗範例來引領讀者對自走車技術的認識,期望未來讀者能夠針對自己有興趣的部分深入研究,並能夠開啟對自動駕駛車技術的了解。

  ☘ 範例程式碼

  本書的實驗範例皆具備有可參考的程式碼,讀者可以直接套用或修改,以方便實驗操作進行,並能夠於下列網址回饋或是獲得關於本書的勘誤。

  mega.nz/folder/jkMBEA5K#JpHj-lJEm3h7S46xfMybPw

  ☘ 關於作者

  林顯易現為國立台北科技大學自動科技研究所專任教授,主要專長為智慧機器人控制技術、人工智慧與機器學習、機電整合、影像感測。目前開設多門線上課程,包括在台達基金會 DeltaMOOCx「數位信號處理器」與「機器人學」,以及工研院 ITRI college + 「智慧機器人學」課程。另外林老師也擔任資策會與台灣區電機電子工業同業公會「人工智慧與機器學習」的講師,授課經驗豐富,細節請參考林老師網頁 arlabtw.com.tw。

  陳雙龍為國立台北科技大學自動化科技研究所碩士,前後曾任職國內財星全球500 大企業、日本前八大知名電機企業韌體工程師,主要專長為程式設計、智慧機器人控制技術等,並持續不斷進修,廣泛學習,使所學與實務結合,於現場實踐專業技術。
 

用户评价

评分

看到書名裡強調「快速上手」,我的第一個反應是:「台灣的技術書籍很多時候都太過學術化,要如何做到真的『上手』,而不是停留在理論堆砌?」畢竟,很多教科書教你的都是理想狀態下的數學模型,但真正在跑車體時,遇到硬體延遲、感測器雜訊、通訊丟包這些現實問題時,那些優雅的公式往往會瞬間崩解。我比較關注的是,這本書在實作部分會不會過於簡化,導致讀者在實際採購零組件組裝車體後,發現書上的範例程式碼跑不起來,或者必須自行補足大量的硬體抽象層(HAL)程式碼。如果它能包含一個關於如何建立一個標準化的車體控制介面(例如,如何用MATLAB發送速度指令到底層的電機驅動板,可能是CAN Bus或PWM控制),並且能夠示範如何將ROS的導航堆疊(Navigation Stack)與MATLAB的決策模組進行有效率的切換或協同工作,那這本書的實用價值就會大大提升。對於我們這些需要向老闆或指導教授證明「我們能在一個月內做出可以自主移動的原型機」的人來說,這種「開箱即用」的範例是關鍵。期待它能提供的不只是腳本,而是完整的開發思維框架。

评分

這本書的出版簡直是為我們這些在台灣,特別是大學端或是一些新創公司裡,想要搭上機器人自走車這波浪潮的工程師或學生們,送上了一份及時雨。過去要整合MATLAB強大的模擬和控制演算法能力,又要讓它能跟ROS這個業界標準的機器人操作系統順利溝通,中間的落差簡直是天塹。網路上零散的教學資源,東拼西湊的設定檔,常常讓人花費大量時間在處理環境配置和通訊協定上,而不是專注於核心的演算法開發。這本書顯然是意識到了這個痛點,它提供了一個從零開始,結構清晰的實戰路線圖。特別是對於剛接觸ROS的讀者來說,ROS的眾多概念,像是節點(Node)、主題(Topic)、服務(Service)和參數伺服器(Parameter Server)等,光是理解這些架構就夠頭痛了,更別提還要跟MATLAB的編譯器或引擎做橋接。我個人是蠻期待它能在介紹如何在MATLAB環境中,設計出能直接發布到特定ROS Topic的訊息格式,並且能順利接收從Lidar或相機節點傳來的原始資料流,進行即時的數據處理與決策規劃,這才是真正的難關。如果這本書能將這些複雜的介面調試過程,以清晰的步驟圖或程式碼範例呈現,那對於加速專案落地,絕對是功德無量的一樁事。

评分

讀者群的廣泛性也是我考慮的一點。在台灣,接觸到自動控制或機器人技術的背景非常多元,有偏向電子電機的,也有偏向計算機科學的,甚至還有學機械背景的跨界者。一本好的入門書籍必須要能夠包容這些知識背景的差異。對於電機背景的人來說,MATLAB的矩陣運算可能很熟悉,但ROS的訊息傳遞機制可能很陌生;反之亦然。因此,這本書的敘事方式就顯得很關鍵。我希望它能用一種「雙語」的方式來解釋:一方面用MATLAB的語言(如矩陣操作、函數定義)來描述控制器的邏輯,另一方面用ROS的語言(如Publish/Subscribe模式、YAML配置)來描述系統架構。如果它能像一個資深前輩一樣,在關鍵的技術交叉點上,溫和且有條理地引導讀者理解「為什麼我們需要這樣做」,而不是只說「照著做」,那麼它就能真正幫助讀者建立起一套堅實的、可遷移的機器人開發能力,而不僅僅是完成一個單一的專案。

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說到MATLAB與ROS的結合,最令人頭痛的一環往往是編譯和部署。MATLAB Coder或 Simulink Coder 雖然強大,但它們生成的C/C++程式碼要如何完美地嵌入到ROS節點的結構中,而不是淪為一個獨立運行的程式,這中間的學問很大。如果這本書只停留在MATLAB命令視窗中呼叫ROS函式庫(使用ROS Toolbox),那對於需要建立高性能、低延遲的即時控制系統來說,幫助就有限了。我更期待看到的是,它如何指導讀者將Simulink中設計的狀態機或控制器,編譯成一個可以直接作為ROS Node啟動的獨立執行檔。這牽涉到環境變數的設置、編譯工具鏈的選擇,以及如何處理MATLAB運行時庫(Runtime Library)的依賴問題,這些都是跨平台開發的常見地雷區。如果這本書能夠深入解析這些編譯流程中的細微差別,特別是在邊緣運算裝置(如Jetson系列)上進行部署的特定考量,那絕對能區分出它與坊間其他入門書籍的層次。

评分

從台灣學術界發展的角度來看,機器人學的教學往往集中在演算法本身,但在系統整合與測試方面著墨不多。很多學生在畢業專題中,光是讓他們建立一個能跑起來的基礎SLAM(同步定位與地圖構建)系統,就已經是極大的挑戰。這本書如果能提供一個涵蓋「模擬到實體」的完整閉環測試流程,我會非常讚賞。例如,是否能示範如何利用Gazebo(ROS內建的模擬器)中建立的虛擬車體,先在MATLAB中驗證控制器的穩定性,然後無縫切換到實體車上運行?更重要的是,測試過程中的數據記錄與回放(Logging and Replaying)非常重要,這樣才能對錯誤進行有效的復盤分析。如果書中能提供一套標準化的測試腳本,讓讀者可以量化地評估控制器(PID、LQR或其他進階控制器)在不同場景下的表現差異,那就真正體現了MATLAB在科學計算上的優勢,而不僅僅是扮演一個輸入輸出的中間人角色。

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