本书介绍了与自主移动机器人运动学建模、导航规划和定位建图相关的数学基础、技术方法和算法。数学基础方面包括概率表示与基本运算，刚性物体三维运动的表示、建模以及计算，概率估计问题建模与求解等；运动学建模方面涵盖轮式移动机器人、躯干式移动机器人、腿足式移动机器人；导航规划方面涵盖路径规划、避障规划、轨迹规划以及融合导航方法；定位建图方面包括常用环境感知传感器、地图表示方法、局部地图构建、里程估计、同时定位与地图构建等，其中里程估计包括运动里程估计、激光里程计、视觉里程计以及多传感器融合里程估计，同时定位与地图构建介绍了闭环检测、问题建模、*优化求解以及采用扩展卡尔曼滤波和粒子滤波两种方法的定位技术。
本书可作为普通高校机器人相关专业高年级本科生和研究生的教材，也可供该领域的科研人员和工程技术人员参考。

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前言

第1章绪论

1.1什么是移动机器人

1.2移动机器人的应用

1.3移动机器人的分类

1.4移动机器人的关键性能

1.5自主移动关键技术

1.6小结

习题


第2章预备知识

2.1概率基础

2.1.1概率密度函数

2.1.2期望、方差及高斯分布

2.1.3联合概率和条件概率

2.2三维动态系统

2.2.1位移、旋转和位姿

2.2.2状态系统建模

2.2.3旋转的线性化

2.2.4旋转的概率表示

2.3估计方法

2.3.1概率状态系统

2.3.2最大后验估计

2.3.3滤波

2.4小结

习题



第3章运动学建模

3.1概述

3.2轮式移动机器人

3.2.1轮式移动机器人运动学建模
要素

3.2.2轮式移动运动学建模方法

3.2.3移动机器人机动度

3.2.4移动机器人的工作空间与
完整性

3.3躯干式移动机器人

3.3.1仿生游动机器人

3.3.2仿生飞行机器人

3.4腿足式移动机器人

3.4.1四足机器人

3.4.2双足机器人

3.5小结

习题

第4章导航规划

4.1概述

4.2路径规划

4.2.1位形空间和完备性

4.2.2分辨率完备的路径规划方法

4.2.3概率完备的路径规划方法

4.2.4最优路径搜索方法

4.3避障规划

4.3.1Bug算法

4.3.2向量势直方图法

4.3.3动态窗口法

4.4轨迹规划

4.4.1基本概念

4.4.2一维轨迹规划

4.4.3平面移动轨迹规划

4.4.4轨迹学习

4.5融合导航

4.5.1混合A*算法

4.5.2弹性带算法

4.5.3定时弹性带算法

4.6导航行为规划

4.7小结

习题

第5章地图表示与构建


5.1概述

5.2常用环境感知传感器

5.2.1测距传感器

5.2.2相机

5.3相机建模和标定

5.4地图表示方法

5.4.1点云地图

5.4.2栅格地图

5.4.3特征地图

5.4.4拓扑地图

5.4.5地图表示研究趋势

5.5局部地图构建

5.5.1局部栅格地图构建

5.5.2局部线段特征地图构建

5.6小结

习题


第6章里程估计

6.1概述

6.2运动里程估计

6.2.1轮式编码器里程估计

6.2.2惯性测量单元里程估计

6.3激光里程计

6.3.1迭代最近点算法

6.3.2基于特征匹配的激光里程计

6.3.3局部优化

6.4视觉里程计

6.4.1视觉特征提取与匹配

6.4.2运动估计

6.4.3局部优化


6.4.4直接法

6.5多传感器融合里程估计

6.5.1视觉惯导里程计

6.5.2视觉激光里程计

6.5.3扩展卡尔曼滤波融合里程
估计

6.6小结

习题


第7章同时定位与地图构建

7.1SLAM系统整体框架

7.2闭环检测

7.2.1词包模型

7.2.2全局描述子

7.2.3序列地点识别

7.3同时定位与地图构建建模

7.3.1基于最大后验估计的同时定位与
地图构建

7.3.2因子图模型

7.3.3基于扩展卡尔曼滤波的同时定位
与地图构建

7.4优化器分析

7.4.1稀疏结构

7.4.2鲁棒优化

7.5定位

7.5.1基于扩展卡尔曼滤波的定位

7.5.2基于粒子滤波的定位

7.6小结

习题

参考文献……前言/序言移动是机器人应用所需的一个重要基础功能，可有效拓展机器人的作业范围，完成物品转运、环境清洁、异常巡检等作业，也可到达人类无法到达或者存在危险的区域进行科考探测、侦查救援等。因此，移动机器人在工业、农业、林业、军事、医疗、家庭等各个领域都有着广泛的应用需求。
移动机器人应用领域和应用场景的拓展，对具有更高环境通过能力的移动方式以及不依赖人工遥控和环境内特殊导引标识部署的自主移动技术提出了极大需求。自主移动无须人的介入，对于移动机器人的应用推广具有很好的支撑性，但是对算法的智能性、适应性、可靠性和鲁棒性提出了更高的要求。近年来，移动机器人相关技术飞速发展，移动方式除了传统的轮式、履带式，也形成了多种可以灵巧稳定运行的仿生移动机器人，包括躯干式的仿生游动机器人和仿生飞行机器人以及腿足式的四足机器人和双足机器人等。自主移动技术不仅在导航规划方面形成了经典的算法，并且在地图表示与构建、里程估计、同时定位与地图构建等方面形成了系统方法，有效促进了自主移动机器人的应用推广。
本书编写的目的是为了解和开展自主移动机器人研究的学生和工程师提供基础知识和方法的指导。全书共7章：第1章对移动机器人及其关键技术进行简要介绍，包括什么是移动机器人，移动机器人的应用、类别、关键性能，以及自主移动需要解决的重要问题及模块架构；第2章介绍本书中各个章节的共性数学基础，包括随机变量和概率分布、三维空间几何和动态系统方程、常用的估计方法和技术，本章内容将为后续章节中的具体问题提供分析工具；第3章主要介绍常用轮式移动机器人的运动学建模方法及机动度、完整性等问题，并结合现有发展介绍仿生游动机器人和仿生飞行机器人的主要类型与运动学建模方法，以及四足机器人和双足机器人的运动学建模和行走步态生成方法；第4章介绍解决机器人自主移动过程中如何从起始点安全快速到达目标点的导航规划方法，包括路径规划、避障规划和轨迹规划，以及近年来研究学者提出的融合导航方法；第5、6、7章介绍移动机器人定位建图技术，包括如何利用传感器信息对环境进行建模、基于相邻两次传感器数据进行里程估计、融合多帧传感器数据构建全局一致地图并实现自主定位，这些是目前实现机器人自然导航、自主移动的重要关键技术。
本书由浙江大学熊蓉、王越、张宇、周春琳编写。四位人员均长期从事自主移动机器人相关技术研究，在国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金_浙江省两化融合联合基金、科技部重点研发项目课题等长期支持下取得了系列成果，相关技术应用于工业、航空航天、核能、港口、无人驾驶等领域，并培育了变电站无轨自然导航巡检机器人、工厂无轨自然导航搬运机器人等优秀产品，形成规模应用。本书第1、4、5章由熊蓉编写，第3章由熊蓉和周春琳合作编写，第2、7章由王越编写，第6章由张宇编写。
限于编著者水平，书中难免有疏漏之处，恳请读者批评指正。

编著者
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