東南大學(xué)于2016年開設(shè)了全國首個(gè)機(jī)器人工程本科專業(yè)。該專業(yè)建設(shè)之初，筆者在開展機(jī)器人感知方向科研工作的同時(shí)一直在思考，如何培養(yǎng)機(jī)器人專業(yè)人才，特別是如何高質(zhì)量、高效率地培養(yǎng)機(jī)器人感知方向的專業(yè)人才。依據(jù)江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材項(xiàng)目的要求，筆者結(jié)合多年科研和一線教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)專業(yè)特點(diǎn)與技術(shù)變革的思考，探索并嘗試編寫了本教材。
機(jī)器人是科技發(fā)展的重要結(jié)晶，是人在改造世界過程中的產(chǎn)物。人對(duì)智能機(jī)器的幻想與癡迷由來已久，中國著名古籍《列子·湯問》中就曾記載偃師造人的傳說，這或許是人最早對(duì)自動(dòng)機(jī)器與環(huán)境（音律環(huán)境）和諧關(guān)系、人機(jī)共融情景的憧憬。在如此憧憬下，人們經(jīng)過長期孜孜不倦的研究，終于在20世紀(jì)60年代開發(fā)出了最早的智能機(jī)器人。隨后，智能機(jī)器人滲透到生活、生產(chǎn)等越來越多的領(lǐng)域，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2021年我國工業(yè)和信息化部等15個(gè)部門發(fā)布的《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》進(jìn)一步推動(dòng)了智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，“機(jī)器人+”的行業(yè)應(yīng)用模式將成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能，催生經(jīng)濟(jì)新格局。這也對(duì)筆者所從事的機(jī)器人感知領(lǐng)域的研究和教學(xué)工作提出了新的挑戰(zhàn)。
我們知道，人生活在五彩斑斕的世界中，時(shí)時(shí)刻刻都在感知周圍的環(huán)境并與其進(jìn)行交互，人對(duì)環(huán)境的感知是人行為的基礎(chǔ)。人研究智能機(jī)器人的目的是讓機(jī)器人具有類人智能，將人的智能賦予機(jī)器人。在此進(jìn)程中，賦予機(jī)器人智能環(huán)境感知能力是重要一環(huán)，對(duì)機(jī)器人的自主性、智能性、社會(huì)性提升均具有重要意義。機(jī)器人通過自身攜帶的傳感器（如GPS、IMU、視覺、激光雷達(dá)、超聲波等），或者智能空間中的傳感器，來獲取周圍的靜態(tài)物理環(huán)境、動(dòng)態(tài)目標(biāo)等傳感數(shù)據(jù)；然后，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理形成有用信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)境的重構(gòu)，完成對(duì)周圍環(huán)境的客觀表達(dá)；最后，再形成機(jī)器人本體內(nèi)的“主觀”理解。更進(jìn)一步，機(jī)器人在對(duì)自然環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，針對(duì)復(fù)雜的社會(huì)環(huán)境，也可以像人一樣感知，具備了較高的社會(huì)感知和智能能力。當(dāng)機(jī)器人具備一定社會(huì)感知能力后，也就具有了社交能力。
如今，隨處可見各種機(jī)器人在運(yùn)行，它們時(shí)刻對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行著感知。如：在馬路上行駛的無人駕駛汽車，對(duì)路面、車道線、障礙物、行人、其他車輛等進(jìn)行實(shí)時(shí)感知；服務(wù)機(jī)器人在從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的過程中，對(duì)環(huán)境地圖、服務(wù)目標(biāo)、操作對(duì)象、場(chǎng)所語義等進(jìn)行感知；無人自主潛水器在水下航行時(shí)，自主進(jìn)行探測(cè)、建圖與導(dǎo)航；無人機(jī)或無人機(jī)群置空后，對(duì)任務(wù)目標(biāo)、環(huán)境對(duì)象、任務(wù)態(tài)勢(shì)進(jìn)行捕獲與感知……然而，我們也應(yīng)當(dāng)清醒地認(rèn)識(shí)到，機(jī)器人目前的感知能力仍遠(yuǎn)達(dá)不到人們期望的水平。一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子是現(xiàn)在還沒有一輛汽車可以達(dá)到L5級(jí)別的自動(dòng)駕駛，甚至L4級(jí)別的自動(dòng)駕駛也很難完成。因此，研究人員和相關(guān)工程技術(shù)人員還需再接再厲，在相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮才智，培養(yǎng)該領(lǐng)域后繼人才成為當(dāng)下的迫切需求。
機(jī)器人感知技術(shù)作為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)基礎(chǔ)分支，受到多個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。然而目前熟練掌握該方向技術(shù)的專業(yè)人員尚鳳毛麟角，專業(yè)用人荒與就業(yè)難的自相矛盾在該領(lǐng)域也逐漸顯現(xiàn)。企業(yè)所需要的機(jī)器人感知技術(shù)研發(fā)人員，不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、廣泛的知識(shí)面，更要有豐富的動(dòng)手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。由此，對(duì)機(jī)器人感知技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)方案，不僅要貼近前沿需求和“實(shí)戰(zhàn)”要求，同時(shí)也要涵蓋理論和技術(shù)前沿，并且易于初學(xué)者上手。
本書是筆者在多年的科研與教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，參考相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)秀成果編寫而成的，內(nèi)容力求做到由淺入深、循序漸進(jìn)、條理清晰，既強(qiáng)調(diào)了基本原理和工程應(yīng)用，又反映了國內(nèi)外研究和應(yīng)用的最新進(jìn)展，具有系統(tǒng)性、實(shí)用性、前沿性和易讀性。
1）系統(tǒng)性。相關(guān)理論脈絡(luò)清晰，全面梳理從度量層到語義層、從靜態(tài)對(duì)象到動(dòng)態(tài)對(duì)象以及多種模態(tài)信息下的機(jī)器人感知技術(shù)，此外對(duì)常用的數(shù)學(xué)工具做了系統(tǒng)性歸納。
2）實(shí)用性。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用需求，對(duì)應(yīng)用中使用的大量經(jīng)典方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在實(shí)驗(yàn)部分對(duì)部分重要方法給出了實(shí)現(xiàn)過程，希望讀者通過本書的學(xué)習(xí)能掌握這些實(shí)用方法，快速投入“實(shí)戰(zhàn)”。
3）前沿性。展現(xiàn)國際上最新的研究成果，反映機(jī)器人感知領(lǐng)域的最先進(jìn)水平。
4）易讀性。文字表述力求通俗易懂。在內(nèi)容安排上力求由淺入深，循序漸進(jìn)。
本書共7章并附相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
第1章介紹機(jī)器人環(huán)境感知技術(shù)的有關(guān)概念和現(xiàn)狀，并對(duì)相關(guān)研究類別的特點(diǎn)進(jìn)行了討論。
第2章介紹在機(jī)器人感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中主要使用的數(shù)學(xué)工具，包括線性代數(shù)、求導(dǎo)法則、優(yōu)化算法、解析幾何、概率等。
第3章從自主移動(dòng)機(jī)器人攜帶的常用環(huán)境感知傳感器入手，介紹了傳感器感知方式和方法，以及從度量層面對(duì)傳感器信息進(jìn)行分析的方法。
第4章主要從靜態(tài)對(duì)象感知角度出發(fā)，介紹用于靜態(tài)對(duì)象的自主感知技術(shù)，主要包括目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別，所用到的對(duì)象信息有二維信息、三維信息和觸覺信息。
第5章主要從動(dòng)態(tài)對(duì)象感知角度出發(fā)，介紹一般動(dòng)態(tài)障礙物的檢測(cè)方法以及對(duì)動(dòng)態(tài)人臉和人體的檢測(cè)與跟蹤方法。
第6章介紹幾種語義級(jí)別的環(huán)境描述和理解方法。
第7章面