前言

互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)可以看成是對人類大腦的進(jìn)一步延展，而機(jī)器人技術(shù)則可以看成是對人類軀體的進(jìn)一步延展。如果人工智能技術(shù)僅僅停留在虛擬的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)之中，那么其挖掘并利用新知識的能力將很難擴(kuò)展開來。可以說，機(jī)器人是人工智能技術(shù)應(yīng)用能力的有效延展，而能自主移動的機(jī)器人更是極大地拓展了人工智能技術(shù)的應(yīng)用范圍。SLAM導(dǎo)航技術(shù)正是當(dāng)下實現(xiàn)機(jī)器人自主移動的熱門研究領(lǐng)域，也是本書內(nèi)容的核心所在。

為什么寫這本書

幫助機(jī)器人實現(xiàn)完全自主化的每一種底層技術(shù)無疑將成為“機(jī)器人時代”的基礎(chǔ)設(shè)施，其中的自主移動技術(shù)在當(dāng)下備受矚目，其實質(zhì)就是解決從地點(diǎn)A到地點(diǎn)B的問題。這個問題看似簡單，實則非常復(fù)雜。當(dāng)向機(jī)器人下達(dá)移動到地點(diǎn)B的命令后，機(jī)器人不免會問出三個頗具哲學(xué)性的問題，即“我在哪”“我將到何處去”和“我該如何去”。經(jīng)過近幾十年來的研究，業(yè)界形成了一套有效解決機(jī)器人自主移動的方案，即SLAM導(dǎo)航方案。

目前以SLAM導(dǎo)航技術(shù)為支撐的自主移動應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，涵蓋航天、軍事、特種作業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、智慧交通、消費(fèi)娛樂等眾多領(lǐng)域。典型應(yīng)用包括火星探測車、軍事機(jī)器人、特種作業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人、自動駕駛汽車、終端物流配送機(jī)器人、機(jī)器人智慧養(yǎng)老、機(jī)器人餐廳、家庭服務(wù)機(jī)器人等。

雖然SLAM導(dǎo)航技術(shù)在許多方面取得了突破，但其仍處于發(fā)展階段且尚未真正落地。這就需要有更多的人參與到這個龐大且深奧的項目中來，以加快技術(shù)突破和產(chǎn)品落地的速度。而機(jī)器人是多專業(yè)知識交叉的學(xué)科，通常涉及傳感器、驅(qū)動程序、多機(jī)通信、機(jī)械結(jié)構(gòu)、算法等眾多領(lǐng)域。這就導(dǎo)致各個領(lǐng)域的研究、開發(fā)人員都在自己熟悉的領(lǐng)域內(nèi)“閉門造車”，缺乏領(lǐng)域之間的必要交流與實踐。軟件層面的開發(fā)者由于缺乏對機(jī)器人傳感器、機(jī)器人主機(jī)和機(jī)器人底盤的系統(tǒng)性認(rèn)識，因此往往會在涉及軟硬件深度優(yōu)化方面的問題時束手無策。而硬件層面的開發(fā)者由于缺乏軟件方面的必備基礎(chǔ)，因此經(jīng)常會在理解軟件層需求時出現(xiàn)偏差。由于缺乏相關(guān)的數(shù)學(xué)理論體系，因此ROS及硬件相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)人員大多只能充當(dāng)“調(diào)參俠”，很難對SLAM導(dǎo)航方面的算法提出實質(zhì)性的改善建議。缺乏工程思維和實踐經(jīng)驗，SLAM算法或?qū)Ш剿惴ǚ矫娴难芯咳藛T則很難將研究成果真正落地。

可以說，機(jī)器人SLAM導(dǎo)航是一個軟硬件相結(jié)合、理論加實戰(zhàn)的浩大工程性問題。而目前各領(lǐng)域之間還存在很大的交流屏障，這無疑成了機(jī)器人SLAM導(dǎo)航技術(shù)突破與落地的突出痛點(diǎn)。我由此萌生了寫一本兼具理論性和實踐性的系統(tǒng)化圖書的想法，希望通過這樣一本書將機(jī)器人SLAM導(dǎo)航中的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、數(shù)學(xué)理論、工程落地等一系列問題打通。

歷經(jīng)兩年多的艱苦創(chuàng)作，這本書終于要完稿了。最開始寫這本書的時候，想法其實比較簡單。當(dāng)時自以為對機(jī)器人SLAM導(dǎo)航技術(shù)很了解，因而有著強(qiáng)烈的欲望想將自己所理解的知識和經(jīng)驗分享給更多有需要的人，為機(jī)器人SLAM導(dǎo)航技術(shù)的普及與產(chǎn)品落地貢獻(xiàn)一份力量。但隨著寫作的逐步深入，我發(fā)現(xiàn)以前的很多理解存在不少偏差和局限，所以這倒逼著自己不斷去學(xué)習(xí)更深層的知識，不斷進(jìn)行自我認(rèn)知革新。直到寫完最后一章回頭望時，我發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)超越從前的自己很多很多了。希望大家也能以這樣的心態(tài)去學(xué)習(xí)本書，不斷進(jìn)行自我革新，等你學(xué)完整本書再回首時一定能發(fā)現(xiàn)一個全新的自己。

本書特色

本書的第一大亮點(diǎn)是對SLAM理論體系做了深入淺出的分析。本書先對SLAM理論做了總結(jié)性討論，這作為SLAM討論的開篇章節(jié)有利于讀者快速理清學(xué)習(xí)思路；而更深層的SLAM理論知識則放在后續(xù)具體SLAM系統(tǒng)中詳細(xì)展開討論，結(jié)合實例進(jìn)行講解，這樣的好處是能大大降低深奧理論知識的理解難度。

本書的第二大亮點(diǎn)是將SLAM與導(dǎo)航兩大研究領(lǐng)域有機(jī)地串接起來。目前很多資料只側(cè)重于討論SLAM問題，而很少談及導(dǎo)航問題。其實對自主移動機(jī)器人來說，SLAM技術(shù)只相當(dāng)于給機(jī)器人提供了一條腿，而另一條腿則是導(dǎo)航技術(shù)。由于本書前幾章對機(jī)器人硬件、系統(tǒng)、SLAM理論及具體算法實現(xiàn)做了大量鋪墊，這就為SLAM與導(dǎo)航相結(jié)合內(nèi)容的討論提供了土壤。

本書的第三大亮點(diǎn)是對機(jī)器學(xué)習(xí)所涉及的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了全面介紹，特別是對與SLAM前沿方向密切相關(guān)的深度學(xué)習(xí)及與自主導(dǎo)航前沿方向密切相關(guān)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行了深入對比分析。深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論知識的講解為本書學(xué)習(xí)者后續(xù)的持續(xù)研究提供了廣闊的想象空間，為機(jī)器人實現(xiàn)強(qiáng)人工智能提供了技術(shù)路線的參考。

讀者對象

本書適合的讀者范圍極為廣泛，主要包括：

• 從事自主移動機(jī)器人或者無人駕駛方面工作的開發(fā)人員；
• 智能機(jī)器人方面的市場調(diào)研人員、產(chǎn)品經(jīng)理等；
• 想要轉(zhuǎn)型到機(jī)器人算法崗位的開發(fā)者；
• SLAM導(dǎo)航領(lǐng)域的本科生或研究生；
• 從事機(jī)械設(shè)計、機(jī)器人底盤研發(fā)、AGV算法升級等方面工作的開發(fā)人員；
• 對SLAM導(dǎo)航感興趣的愛好者。

如何閱讀本書

本書分為四篇，共13章。

編程基礎(chǔ)篇（第1～3章）。本篇帶領(lǐng)大家了解ROS的核心概念、大型C++工程的代碼組織方式以及圖像處理方面的基礎(chǔ)知識，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好必要的編程基礎(chǔ)。

硬件基礎(chǔ)篇（第4～6章）。本篇通過對機(jī)器人傳感器、機(jī)器人主機(jī)和機(jī)器人底盤的討論，讓缺少硬件基礎(chǔ)的開發(fā)者對機(jī)器人的硬件有一個系統(tǒng)的認(rèn)識并更好地理解軟件與硬件之間的協(xié)同關(guān)系。機(jī)器人傳感器相當(dāng)于機(jī)器人的眼耳口鼻，機(jī)器人主機(jī)相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，而機(jī)器人底盤則相當(dāng)于集成傳感器和主機(jī)的軀干。

SLAM篇（第7～10章）。本篇首先總結(jié)式地介紹整個SLAM的理論知識體系，接著以各個具體的SLAM系統(tǒng)實現(xiàn)為例進(jìn)一步介紹SLAM算法的代碼框架及核心算法的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

自主導(dǎo)航篇（第11～13章）。本篇首先給出整個自主導(dǎo)航的理論體系知識的總結(jié)，接著以各個具體的自主導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)為例進(jìn)一步介紹自主導(dǎo)航算法的代碼框架以及核心算法的細(xì)節(jié)實現(xiàn)，最后以一個真實機(jī)器人為例介紹應(yīng)用SLAM導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的完整流程。學(xué)完本書的全部內(nèi)容后，相信大家能夠繼續(xù)進(jìn)行SLAM導(dǎo)航技術(shù)的獨(dú)立研究和開發(fā)。

勘誤與支持

由于本人水平有限，因此書中難免會出現(xiàn)一些錯誤或者表述不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑瑧┱堊x者朋友批評指正，你可以發(fā)郵件到我的郵箱（robot4xiihoo@163.com）或者添加我的個人微信號（xiaohugege277）來與我聯(lián)系。另外，我還為本書制作了配套的課件文檔和教學(xué)視頻，大家可以關(guān)注我的知乎賬號（@小虎哥哥愛學(xué)習(xí)）獲取最新課件文檔，或者關(guān)注我的bilibili賬號（@小虎哥哥愛學(xué)習(xí)）獲取最新教學(xué)視頻。大家還可以前往GitHub倉庫（https://github.com/xiihoo/Books_Robot_SLAM_Navigation）下載本書相關(guān)實驗代碼以及課后習(xí)題答案。同時大家也可以加入QQ技術(shù)交流群（728661815）參與本書的話題討論，或者前往網(wǎng)站（www.xiihoo.com）獲取機(jī)器人SLAM導(dǎo)航方面的更多相關(guān)資料。

致謝

感謝機(jī)械工業(yè)出版社華章公司的高婧雅編輯在寫作方面給予我的細(xì)心指導(dǎo)；感謝清華大學(xué)的高翔博士為本書作序；感謝亮風(fēng)臺首席架構(gòu)師侯曉輝、海軍工程大學(xué)吳中紅老師、香港大學(xué)博士生王斯煜對本書進(jìn)行審閱并給予高度評價；感謝廣大網(wǎng)友在本書寫作過程中提供的眾多寶貴建議；感謝在本書寫作過程中給予我極大鼓勵與關(guān)懷的親朋好友。

最后，希望這本書能陪伴大家走過一段難忘的學(xué)習(xí)之旅，并收獲一份珍貴的成長經(jīng)歷。星辰大海，如你所見，如你所愿。