譯者序
前言
第1章　緒論 1
1.1　移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用 1
1.2　移動(dòng)機(jī)器人分類 2
1.2.1　地面自主移動(dòng)機(jī)器人 2
1.2.2　服務(wù)機(jī)器人 2
1.2.3　清潔和草坪護(hù)理機(jī)器人 3
1.2.4　社交機(jī)器人 3
1.2.5　野外機(jī)器人 4
1.2.6　檢測(cè)、偵查、監(jiān)控和勘探機(jī)器人 5
1.3　移動(dòng)機(jī)器人工程 6
1.3.1　移動(dòng)機(jī)器人子系統(tǒng) 6
1.3.2　全書概述 6
1.3.3　輪式移動(dòng)機(jī)器人基礎(chǔ) 8
1.3.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 9
1.3.5　習(xí)題 9
第2章　數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 10
2.1　約定和定義 10
2.1.1　符號(hào)約定 10
2.1.2　附體坐標(biāo)系 14
2.1.3　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 16
2.2　矩陣基礎(chǔ) 17
2.2.1　矩陣運(yùn)算 17
2.2.2　矩陣函數(shù) 19
2.2.3　矩陣求逆 20
2.2.4　秩–零化度定理 22
2.2.5　矩陣代數(shù) 23
2.2.6　矩陣微積分 25
2.2.7　萊布尼茨法則 31
2.2.8　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 32
2.2.9　習(xí)題 32
2.3　剛體變換基礎(chǔ) 33
2.3.1　定義 33
2.3.2　為什么使用齊次變換 33
2.3.3　語義和解釋 34
2.3.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 43
2.3.5　習(xí)題 44
2.4　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 45
2.4.1　正運(yùn)動(dòng)學(xué) 45
2.4.2　逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 49
2.4.3　微分運(yùn)動(dòng)學(xué) 52
2.4.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 54
2.4.5　習(xí)題 54
2.5　方向和角速度 55
2.5.1　歐拉角形式的方向表示 56
2.5.2　角速度和小角度 59
2.5.3　歐拉角形式的角速度與方向變化率 61
2.5.4　軸角形式的角速度與方向變化率 62
2.5.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 63
2.5.6　習(xí)題 64
2.6　傳感器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 64
2.6.1　攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 64
2.6.2　激光測(cè)距傳感器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 65
2.6.3　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 71
2.6.4　習(xí)題 71
2.7　變換圖與位姿網(wǎng)絡(luò) 71
2.7.1　關(guān)系變換 71
2.7.2　位姿網(wǎng)絡(luò)求解 74
2.7.3　過約束網(wǎng)絡(luò) 75
2.7.4　用于一般位置坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)學(xué) 77
2.7.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 81
2.7.6　習(xí)題 81
2.8　四元數(shù) 82
2.8.1　表示和符號(hào) 82
2.8.2　四元數(shù)乘法 83
2.8.3　其他四元數(shù)運(yùn)算 85
2.8.4　三維旋轉(zhuǎn)表示 86
2.8.5　姿態(tài)和角速度 88
2.8.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 90
2.8.7　習(xí)題 90
第3章　數(shù)值方法 92
3.1　向量函數(shù)的線性化和優(yōu)化 92
3.1.1　線性化 93
3.1.2　目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化 94
3.1.3　約束優(yōu)化 98
3.1.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 103
3.1.5　習(xí)題 103
3.2　方程組 103
3.2.1　線性系統(tǒng) 103
3.2.2　非線性系統(tǒng) 108
3.2.3　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 110
3.2.4　習(xí)題 110
3.3　非線性優(yōu)化和約束優(yōu)化 111
3.3.1　非線性優(yōu)化 111
3.3.2　約束優(yōu)化 116
3.3.3　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 119
3.3.4　習(xí)題 120
3.4　微分代數(shù)系統(tǒng) 120
3.4.1　約束動(dòng)力學(xué) 121
3.4.2　一階和二階約束運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng) 123
3.4.3　拉格朗日動(dòng)力學(xué) 125
3.4.4　約束 129
3.4.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 133
3.4.6　習(xí)題 133
3.5　微分方程的積分 134
3.5.1　狀態(tài)空間中的動(dòng)力學(xué)模型 134
3.5.2　狀態(tài)空間模型的積分 134
3.5.3　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 137
3.5.4　習(xí)題 137
第4章　動(dòng)力學(xué) 138
4.1　動(dòng)坐標(biāo)系 138
4.1.1　觀測(cè)問題 138
4.1.2　改變參考系 139
4.1.3　應(yīng)用實(shí)例：姿態(tài)穩(wěn)定裕度估計(jì) 143
4.1.4　運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的遞歸變換 145
4.1.5　參考文獻(xiàn)和延伸閱讀 148
4.1.6　習(xí)題 149
4.2　輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 149
4.2.1　剛體運(yùn)動(dòng)概況 150
4.2.2　輪式移動(dòng)機(jī)器人固定接觸點(diǎn)的速度運(yùn)動(dòng)學(xué) 152
4.2.3　常用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置 155
4.2.4　參考文獻(xiàn)和延伸閱讀 159
4.2.5　習(xí)題 160
4.3　約束運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué) 160
4.3.1　禁止方向的約束 161
4.3.2　純滾動(dòng)（無側(cè)滑）約束 165
4.3.3　拉格朗日動(dòng)力學(xué) 168
4.3.4　地形接觸 173
4.3.5　軌跡估計(jì)與預(yù)測(cè) 175
4.3.6　參考文獻(xiàn)和延伸閱讀 179
4.3.7　習(xí)題 180
4.4　線性系統(tǒng)理論概述 181
4.4.1　線性定常系統(tǒng) 181
4.4.2　線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示 187
4.4.3　非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 190
4.4.4　非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)動(dòng)力學(xué) 192
4.4.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 194
4.4.6　習(xí)題 195
4.5　預(yù)測(cè)模型與系統(tǒng)辨識(shí) 195
4.5.1　制動(dòng) 196
4.5.2　轉(zhuǎn)向 197
4.5.3　車輛翻倒 199
4.5.4　車輪打滑和偏航穩(wěn)定性 202
4.5.5　動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)化和線性化 204
4.5.6　系統(tǒng)辨識(shí) 207
4.5.7　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 213
4.5.8　習(xí)題 214
第5章　最優(yōu)估計(jì) 215
5.1　隨機(jī)變量、隨機(jī)過程與隨機(jī)變換 215
5.1.1　不確定性的表征 215
5.1.2　隨機(jī)變量 216
5.1.3　不確定性變換 222
5.1.4　隨機(jī)過程 229
5.1.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 234
5.1.6　習(xí)題 234
5.2　協(xié)方差傳播與最優(yōu)估計(jì) 235
5.2.1　連續(xù)積分與平均過程的方差 235
5.2.2　隨機(jī)積分 239
5.2.3　最優(yōu)估計(jì) 244
5.2.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 251
5.2.5　習(xí)題 251
5.3　狀態(tài)空間卡爾曼濾波器 252
5.3.1　引言 252
5.3.2　線性離散時(shí)間卡爾曼濾波 254
5.3.3　非線性系統(tǒng)的卡爾曼濾波 256
5.3.4　簡(jiǎn)單應(yīng)用實(shí)例：二維平面的移動(dòng)機(jī)器人 260
5.3.5　關(guān)于卡爾曼濾波的實(shí)用信息 269
5.3.6　其他形式的卡爾曼濾波 274
5.3.7　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 274
5.3.8　習(xí)題 275
5.4　貝葉斯估計(jì) 276
5.4.1　定義 276
5.4.2　貝葉斯法則 278
5.4.3　貝葉斯濾波 282
5.4.4　貝葉斯建圖 286
5.4.5　貝葉斯定位 292
5.4.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 295
5.4.7　習(xí)題 295
第6章　狀態(tài)估計(jì) 296
6.1　位姿估計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 296
6.1.1　位姿修正與航位推算法 296
6.1.2　位姿修正 298
6.1.3　三角測(cè)量中的誤差傳播 300
6.1.4　實(shí)際位姿修正系統(tǒng) 307
6.1.5　航位推算法 308
6.1.6　實(shí)際航位推算系統(tǒng) 316
6.1.7　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 316
6.1.8　習(xí)題 317
6.2　用于狀態(tài)估計(jì)的傳感器 318
6.2.1　關(guān)節(jié)傳感器 318
6.2.2　環(huán)境場(chǎng)傳感器 319
6.2.3　慣性參考系 320
6.2.4　慣性傳感器 322
6.2.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 327
6.2.6　習(xí)題 327
6.3　慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 328
6.3.1　引言 328
6.3.2　慣性導(dǎo)航的數(shù)學(xué)原理 328
6.3.3　慣性導(dǎo)航中的誤差和輔助系統(tǒng) 332
6.3.4　應(yīng)用實(shí)例：簡(jiǎn)單的里程計(jì)輔助姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng) 335
6.3.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 338
6.3.6　習(xí)題 338
6.4　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 339
6.4.1　引言 339
6.4.2　工作原理 339
6.4.3　狀態(tài)測(cè)量 340
6.4.4　性能參數(shù) 343
6.4.5　運(yùn)行模式 345
6.4.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 346
6.4.7　習(xí)題 346
第7章　控制 348
7.1　經(jīng)典控制 348
7.1.1　引言 348
7.1.2　虛擬彈簧阻尼系統(tǒng) 351
7.1.3　反饋控制 353
7.1.4　參考模型和前饋控制 358
7.1.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 361
7.1.6　習(xí)題 361
7.2　狀態(tài)空間控制 362
7.2.1　引言 362
7.2.2　狀態(tài)空間反饋控制 363
7.2.3　應(yīng)用實(shí)例：機(jī)器人軌跡跟蹤 366
7.2.4　感知控制 370
7.2.5　轉(zhuǎn)向軌跡生成 372
7.2.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 377
7.2.7　習(xí)題 378
7.3　預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化與建模 378
7.3.1　變分法 378
7.3.2　最優(yōu)控制 381
7.3.3　模型預(yù)測(cè)控制 385
7.3.4　求解最優(yōu)控制問題的方法 387
7.3.5　參數(shù)化最優(yōu)控制 390
7.3.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 393
7.3.7　習(xí)題 394
7.4　智能控制 394
7.4.1　引言 395
7.4.2　評(píng)價(jià) 397
7.4.3　表達(dá) 399
7.4.4　搜索 405
7.4.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 409
7.4.6　習(xí)題 410
第8章　感知 411
8.1　圖像處理算子與算法 411
8.1.1　計(jì)算機(jī)視覺算法分類 412
8.1.2　高通濾波算子 413
8.1.3　低通算子 417
8.1.4　信號(hào)和圖像匹配 418
8.1.5　特征檢測(cè) 420
8.1.6　區(qū)域處理 422
8.1.7　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 425
8.1.8　習(xí)題 425
8.2　非接觸傳感器的物理特性及原理 426
8.2.1　非接觸傳感器 426
8.2.2　測(cè)距技術(shù) 427
8.2.3　輻射信號(hào) 430
8.2.4　透鏡、濾光片和反射鏡 436
8.2.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 439
8.2.6　習(xí)題 440
8.3　感知傳感器 440
8.3.1　激光測(cè)距傳感器 440
8.3.2　超聲波測(cè)距傳感器 444
8.3.3　可見光攝像機(jī) 445
8.3.4　中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)攝像機(jī) 447
8.3.5　雷達(dá) 449
8.3.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 451
8.3.7　習(xí)題 451
8.4　幾何級(jí)與語義級(jí)計(jì)算機(jī)視覺概述 451
8.4.1　像素級(jí)分類 451
8.4.2　計(jì)算立體視覺 453
8.4.3　障礙物探測(cè) 456
8.4.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 459
8.4.5　習(xí)題 459
第9章　定位和地圖構(gòu)建 462
9.1　表示和問題 462
9.1.1　引言 462
9.1.2　表示 463
9.1.3　定時(shí)和運(yùn)動(dòng)問題 465
9.1.4　定位的相關(guān)問題 466
9.1.5　結(jié)構(gòu)概述 468
9.1.6　應(yīng)用實(shí)例：無人地面車輛的地形地圖 469
9.1.7　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 473
9.1.8　習(xí)題 473
9.2　視覺定位和運(yùn)動(dòng)估計(jì) 473
9.2.1　引言 473
9.2.2　定位和運(yùn)動(dòng)估計(jì)的信號(hào)對(duì)準(zhǔn) 479
9.2.3　用于定位和運(yùn)動(dòng)估計(jì)的特征匹配 483
9.2.4　搜索最優(yōu)位姿 488
9.2.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 496
9.2.6　習(xí)題 497
9.3　同步定位與地圖構(gòu)建 498
9.3.1　引言 498
9.3.2　循環(huán)構(gòu)建地圖的全局一致性 499
9.3.3　回訪檢測(cè) 503
9.3.4　離散路標(biāo)的EKF SLAM 505
9.3.5　應(yīng)用實(shí)例：激光反射器的自動(dòng)探測(cè) 508
9.3.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 510
9.3.7　習(xí)題 511
第10章　運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 512
10.1　引言 512
10.1.1　路徑規(guī)劃簡(jiǎn)介 513
10.1.2　路徑規(guī)劃的系統(tǒng)闡述 514
10.1.3　無障礙運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 515
10.1.4　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 516
10.1.5　習(xí)題 517
10.2　全局路徑規(guī)劃的表示與搜索 517
10.2.1　連續(xù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 517
10.2.2　最優(yōu)搜索的重要?jiǎng)?chuàng)意 522
10.2.3　一致代價(jià)序貫規(guī)劃算法 525
10.2.4　加權(quán)序貫規(guī)劃 529
10.2.5　序貫運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的實(shí)現(xiàn) 536
10.2.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 538
10.2.7　習(xí)題 539
10.3　實(shí)時(shí)全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃：在未知的動(dòng)態(tài)環(huán)境中的移動(dòng) 539
10.3.1　引言 539
10.3.2　有限深度搜索 541
10.3.3　實(shí)時(shí)方法 543
10.3.4　規(guī)劃修正方法：D*算法 544
10.3.5　分層規(guī)劃 551
10.3.6　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 553
10.3.7　習(xí)題 553
索引 554