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本書全面地介紹了ROS2機器人操作系統(tǒng)與Gazebo機器人仿真技術，內(nèi)容涵蓋了機器人技術的基礎知識、ROS2的運行原理、基本操作與編程方法，以及新一代Gazebo仿真工具的使用，通過詳細的操作步驟解析和豐富的實踐案例，幫助讀者快速掌握機器人開發(fā)與仿真的關鍵技能。書共9章，第1章介紹了機器人技術基礎知識，對機器人領域進行了全面概述；第2~4章重點介紹了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)境和機器人建模方法，第7章介紹ROS2和Gazebo進行聯(lián)合仿真的方法，第8章以移動機器人的自主建圖和導航仿真介紹導航框架Nav2的使用方法，第9章介紹六足、四足、雙足機器人、多旋翼無人機、海面船舶和水平潛艇等6種機器人仿真方法和流程。本書內(nèi)容豐富，理論與實踐相結合，適合機器人技術初學者、高校計算機與機器人相關專業(yè)高年級本科生和研究生、科研院所的研究人員及從事機器人開發(fā)的工程師閱讀和參考。隨書附贈，本書中的所有仿真模型、全書源碼、授課PPT和授課視頻。

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

ROS(Robot Operating System，機器人操作系統(tǒng))作為機器人領域的主流開發(fā)框架，為機器人編程提供了一個高效、靈活且易于擴展的平臺。近年來，隨著ROS 2的推出，其在實時性、跨平臺支持、安全性等方面進行了全面升級，進一步推動了機器人技術的發(fā)展。與此同時，Gazebo作為一款強大的物理仿真工具，能夠高度逼真地模擬機器人與環(huán)境的交互，為機器人的設計、測試和優(yōu)化提供了有力支持。長期以來Gazebo作為仿真工具能夠與ROS 2進行聯(lián)合仿真，一方面作為ROS的默認仿真工具，解決了ROS缺乏機器人仿真工具的問題；另一方面Gazebo仿真工具為ROS 2程序的實驗和驗證提供了平臺，可在程序部署到真實機器人前進行算法檢驗，提升ROS 2程序的開發(fā)效率。

目前ROS 2和Gazebo發(fā)展迅速，已成為機器人開發(fā)和仿真領域的核心工具。然而，國內(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的長期支持版本Harmonic作為核心內(nèi)容進行系統(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，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，極大地降低了學習和開發(fā)的門檻。基于以上優(yōu)勢，本書建議初學者直接從新的ROS 2和Gazebo入手，以便充分利用其強大的新特性，并在未來的開發(fā)中獲得長期技術支持和持續(xù)收益。對于有一定經(jīng)驗的讀者，可參考本書介紹的內(nèi)容，將現(xiàn)有項目遷移到新的ROS 2和Gazebo版本，確保項目在未來的開發(fā)和應用中保持高效和可持續(xù)性。無論是機器人技術的初學者，還是希望深入了解ROS 2與Gazebo高級應用的開發(fā)者，本書都將是一本極具價值的參考書。

本書旨在為讀者提供一本系統(tǒng)、全面且實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。第1章為機器人技術基礎知識，介紹了機器人的定義、發(fā)展歷史、分類、構成到產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，是對機器人領域的概述。第2～4章全面地介紹了ROS 2機器人操作系統(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的使用方法等基礎內(nèi)容。第3章以Python語言為主介紹了ROS 2工作空間的結構、rclpy庫的使用、坐標系管理、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基礎仿真，通過豐富的案例展示了話題控制、服務調(diào)用、動作反饋及群機器人仿真等內(nèi)容。第5章和第6章細致地介紹了新一代Gazebo仿真工具。第5章介紹了Gazebo的架構、安裝、圖形用戶界面，以及命令行工具的使用方法等基礎知識。第6章詳細地介紹了使用SDF構建仿真環(huán)境、創(chuàng)建模型和機器人等內(nèi)容。第7～9章介紹了ROS 2和Gazebo聯(lián)合仿真的方法和實際應用案例。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章詳細地介紹了Nav2無人車導航框架的基本原理和仿真方法。第9章介紹了六足機器人、四足機器人、雙足機器人、四旋翼無人機、海面船舶和水下潛艇6種不同類型的機器人仿真方法，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器人開發(fā)和應用中的廣泛前景。隨書附贈的全部代碼均經(jīng)過驗證，方便讀者運行和修改。
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在編寫本書的過程中，筆者力求做到內(nèi)容翔實、語言通俗易懂，并通過大量實例和詳細的步驟解析，幫助讀者更好地理解和掌握相關知識。同時，我們也注意到機器人技術的快速發(fā)展，在內(nèi)容選擇上注重前沿性與實用性，確保本書能夠滿足當前機器人開發(fā)與仿真的實際需求。

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

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