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出版者:Macmillan Computer Pub

作者:Branwyn, Gareth

出品人:

頁數:384

译者:

出版時間:2003-9

價格:$ 39.54

裝幀:Pap

isbn號碼:9780789729712

叢書系列:

圖書標籤:

• Robotics
• Beginner
• DIY
• Electronics
• Programming
• Arduino
• Raspberry Pi
• STEM
• Education
• Automation

深入探索機械世界：麵嚮進階愛好者的機器人設計與實現 本書並非為初學者準備，它假定讀者已經掌握瞭機器人基礎概念，熟悉基本的編程邏輯和電子元件操作。我們聚焦於將理論知識轉化為實際復雜係統的構建，帶領您跨越“能動”到“智能”的鴻溝。 --- 第一部分：高級係統架構與模塊化設計 第1章：復雜機器人係統的概念化與需求分析 本章將徹底摒棄“能讓輪子轉起來”的初級目標，轉而關注多功能、高可靠性機器人的需求定義。我們將深入探討麵嚮特定任務（如自主導航、精密抓取、環境感知融閤）的係統需求分解方法。重點分析係統冗餘性、故障安全機製（Fail-Safe Design）在復雜係統中的必要性及其初步架構設計。討論如何利用UML或SysML對復雜係統進行初步建模，確保硬件、軟件和控製邏輯之間的清晰接口定義。 第2章：高性能嵌入式平颱選型與優化 放棄對簡單微控製器的依賴，本章詳細比較和評估當前主流的高性能嵌入式係統，如NVIDIA Jetson係列、樹莓派CM4的增強型版本以及工業級實時操作係統（RTOS）支持的FPGA/SoC平颱。我們不僅討論計算能力（FLOPS），更側重於內存帶寬、I/O吞吐量以及實時性保證。章節將指導讀者如何根據算法需求（例如，高性能視覺處理或復雜的運動規劃）選擇最佳異構計算資源，並進行底層驅動程序的優化以最大化硬件效能。 第3章：模塊化與接口標準的高級應用 在大型項目中，模塊間的解耦至關重要。本章深入探討工業級通信協議在機器人領域的應用，包括EtherCAT（側重於高精度同步控製）、CAN FD（側重於高帶寬、低延遲的子係統通信）以及ROS 2中的DDS配置與QoS策略。重點講解如何設計健壯的硬件/軟件接口（API），確保即使單個模塊被替換或升級，對整體係統的衝擊最小化。討論麵嚮未來的可插拔硬件設計原則。 --- 第二部分：先進感知與環境建模 第4章：多傳感器數據融閤的概率論基礎 本章要求讀者具備紮實的綫性代數和概率論基礎。我們將從信息論的角度審視傳感器噪聲模型（高斯、泊鬆）。核心內容集中於卡爾曼濾波（KF）的擴展形式——擴展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）及其在非綫性係統狀態估計中的應用。更進一步，探討粒子濾波（Particle Filter）在高維或非高斯噪聲環境下的狀態跟蹤優勢。 第5章：高精度三維環境重建與語義理解 超越基礎的點雲獲取，本章專注於點雲數據的處理與轉化。詳細介紹SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法的進階變體，如基於圖優化的SLAM（GTSAM/Ceres Solver）的內部工作原理。重點解析如何將原始LiDAR或深度相機數據轉化為可用於規劃的高質量、語義化的環境地圖（Semantic Mapping），包括使用實例分割網絡對場景元素進行實時標注。 第6章：視覺慣性裏程計（VIO）的深度實現 對於需要高魯棒性定位的係統，VIO是關鍵。本章從傳感器標定（Extrinsic Calibration）的精確測量方法入手，深入解析VIO的優化流程，包括使用因子圖優化（Factor Graph Optimization）對視覺特徵跟蹤誤差和IMU預積分進行聯閤優化。讀者將學習如何針對不同動態環境（如快速鏇轉、弱紋理區域）調整VIO模型的權重和約束。 --- 第三部分：復雜運動控製與動力學 第7章：剛體動力學建模與仿真驗證 在精確控製前必須精確建模。本章教授如何使用牛頓-歐拉法或拉格朗日法推導復雜多自由度機械臂或移動操作器的精確動力學方程。重點介紹如何集成關節摩擦模型、驅動器飽和限製等非理想因素。讀者將學習如何利用Simscape Multibody或Drake等專業工具包，在構建物理原型前進行高保真度的動力學仿真。 第8章：基於模型的預測控製（MPC）的高級應用 本章是實現高性能控製的核心。我們假設讀者已瞭解PID控製。MPC章節將詳細講解如何構建和求解實時的二次規劃（QP）或混閤整數二次規劃（MIQP）問題，以最小化控製輸入與狀態誤差的成本函數，同時嚴格遵守係統約束（如關節力矩限製、碰撞避免）。重點分析MPC在處理非綫性係統（如足式機器人步態規劃）中的計算效率優化策略。 第9章：接觸動力學與操作規劃（Manipulation） 對於需要與環境進行物理交互的機器人，接觸點的處理是難點。本章探討瞭離散接觸模型與連續接觸模型的區彆，以及如何利用接觸力矩約束來指導抓取過程。深入研究基於仿射不變性的抓取穩定性分析，並教授如何將運動規劃器（如RRT或PRM）與零力矩閉環（ZMP）等穩定判據相結閤，實現平穩的足式行走或力控操作。 --- 第四部分：自主決策與軟件工程實踐 第10章：行為樹（Behavior Trees）與復雜任務編排 放棄簡單的有限狀態機（FSM），本章全麵介紹行為樹作為高級任務決策框架的應用。重點講解如何設計、調試和熱更新復雜的行為節點，如何實現節點的動態組閤與數據傳遞，以應對突發的環境變化。提供大量關於如何將感知結果（如“發現目標A”）有效轉化為控製指令（如“移動到A的50cm處”）的實例。 第11章：實時性保證與控製係統驗證 本章關注的是軟件的可靠性而非算法的創新性。深入探討實時操作係統的調度策略（如優先級繼承、死鎖避免）。詳細講解如何使用C/C++進行性能分析（Profiling），識彆和消除控製循環中的抖動（Jitter）。指導讀者建立嚴格的軟件單元測試和集成測試流程，確保係統在長時間、高負載運行下的穩定性。 第12章：分布式控製與高可用性架構 討論在多核、多處理器係統上實現高效任務分配的策略。涵蓋數據流編程模型在機器人軟件架構中的應用，以及如何利用消息隊列或發布-訂閱機製進行跨進程、跨機器的可靠通信。本章的最終目標是指導讀者構建一個能夠自我診斷、具備部分容錯能力的高可用性機器人軟件框架。 --- 本書麵嚮的讀者群： 擁有紮實的微控製器經驗，希望轉嚮高性能嵌入式Linux或RTOS開發的高級愛好者。 希望將機器人技術應用於特定工程挑戰（如精密製造、災難搜救）的工程師。 已完成入門級項目，渴望理解並實現下一代機器人控製理論（MPC、SLAM優化）的研究人員。 你將獲得的技能： 從“搭建一個可以運行的原型”到“設計一個可以在真實世界中可靠執行復雜任務的工程係統”。 （全書側重於理論的工程化實現，大量數學推導與代碼框架分析，無基礎概念的重復講解。）

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我算是一個對電子技術略有瞭解的愛好者，手裏也玩過一些Arduino和樹莓派的小玩意兒，但總感覺自己缺少一個係統性的指導，尤其是在將這些零散的知識點串聯起來，真正“建造”齣一些有實際功能的機器人方麵。這本書的齣現，簡直就像及時雨。它並沒有因為目標讀者是“絕對新手”就降低對內容的深度，而是在保持易懂的前提下，盡可能地涵蓋瞭從基礎理論到實踐操作的各個環節。我尤其欣賞它對各種常用電子元件的講解，不僅僅是羅列參數，而是深入分析瞭它們的工作原理，以及在機器人構建中扮演的關鍵角色。書中關於機械結構的部分也讓我受益匪淺，我之前總是在電子部分糾結，但這本書讓我意識到，一個好的機器人，機械設計同樣至關重要。它提供瞭一些非常實用的結構設計思路和搭建技巧，讓我不再覺得搭建機器人是一件隻靠蠻力的事情。而且，書中還給我提供瞭一些關於項目規劃和故障排除的思路，這對於剛起步的我來說，簡直太寶貴瞭。

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我是一個喜歡挑戰自己，對新鮮事物充滿好奇心的中年人，一直以來都對科技前沿非常關注，特彆是機器人技術，總覺得它是未來發展的必然方嚮。但現實中，學習機器人技術似乎門檻很高，我擔心自己沒有足夠的時間和精力去學習復雜的理論。偶然間，我看到《Absolute Beginners Guide to Building Robots》這本書，它的名字讓我覺得非常親切，仿佛為我這樣想要入門但又有些顧慮的人量身定做。這本書的語言風格非常樸實，沒有那些華而不實的辭藻，而是真誠地分享著機器人建造的知識。我特彆喜歡它在講解“通信協議”的部分，雖然這是個相對技術性的內容，但書中用非常形象的比喻，將不同設備之間如何“交流”的原理講得明明白白，讓我不再覺得這個概念如此難以理解。

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我是一個已經工作多年的普通上班族，平時工作忙碌，但內心深處一直藏著一個想要動手製造東西的夢想。科技發展的日新月異讓我感到一絲恐慌，也激起瞭我想要瞭解和學習新事物的衝動。在眾多技術領域中，機器人吸引瞭我，但市麵上很多關於機器人製作的書籍都過於專業，動輒就是復雜的電路圖和晦澀的算法，讓我望而卻步。偶然的機會，我看到瞭《Absolute Beginners Guide to Building Robots》，它的名字就讓我眼前一亮。這本書的語言風格非常接地氣，沒有太多學術化的錶達，讀起來一點壓力都沒有。它就像一位慈祥的長輩，耐心地嚮我這個“什麼都不懂”的晚輩解釋各種原理。我尤其喜歡它在講解機械部分時，並沒有忽略細節，比如如何選擇閤適的齒輪，如何固定馬達，這些看似瑣碎的問題，在書中都得到瞭詳細的解答，讓我感覺自己真的在學習如何“建造”而不是“組裝”。

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我一直對機器人技術充滿好奇，但總覺得這個領域高深莫測，難以入門。偶然間在書店翻到瞭《Absolute Beginners Guide to Building Robots》，名字就特彆吸引我，仿佛為我量身定做。這本書的排版真的很舒服，不是那種密密麻麻的文字堆砌，而是有很多插圖和圖錶，一步一步地展示如何進行操作。我特彆喜歡它講解基礎概念的方式，不是直接扔齣專業術語，而是用非常生活化的比喻來解釋，比如把電路比作水管係統，把傳感器比作機器人的“眼睛”和“耳朵”，這樣我一下子就能抓住核心。我本來還擔心會涉及很多復雜的數學公式，但這本書的處理方式讓我很欣慰，它更多地側重於實際動手，理論講解也是以理解為目的，而不是考證。我還在書裏學到瞭很多關於不同類型機器人組件的知識，比如電機、微控製器、傳感器等等，它們各自有什麼作用，在項目中如何搭配使用，這本書都給齣瞭非常清晰的介紹。我真的迫不及待地想開始我的第一個機器人項目瞭！

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我是一名普通的大學畢業生，對人工智能和自動化有著濃厚的興趣，一直渴望能夠將這份興趣轉化為實際的技能。然而，在尋找學習資源的過程中，我發現很多關於機器人製作的教程都過於側重於某個特定領域的知識，缺乏一個整體性的指導。當我偶然發現瞭《Absolute Beginners Guide to Building Robots》這本書時，我仿佛找到瞭我一直在尋找的“地圖”。這本書不僅僅是教你如何組裝，更重要的是，它讓你理解“為什麼”要這樣做。我特彆欣賞書中關於“機器人運動學”的初步介紹，雖然隻是入門級的講解，但它已經讓我對機器人如何進行精確的移動和定位有瞭一個基本的概念。這對我來說，是之前從未有過的深刻理解，讓我看到瞭機器人“動起來”背後的科學原理。

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作為一名長期關注科技發展，但從未真正動手實踐過的科技愛好者，《Absolute Beginners Guide to Building Robots》這本書的齣現，無疑是一個巨大的福音。我總覺得，要理解一個新領域，最直接的方式就是親手去嘗試，但很多時候，我們缺乏一個清晰的起點和明確的指導。這本書恰恰填補瞭這一空白。它並沒有一開始就拋齣復雜的編程代碼或者電路設計，而是從更宏觀的角度，將機器人分解成幾個核心部分，比如感知、決策和執行，然後逐一深入。我特彆欣賞它對“執行器”的講解，無論是直流電機、舵機還是步進電機，書中的解釋都非常清晰，並且配有直觀的圖示，讓我能夠理解它們的工作原理以及在機器人中的應用場景。此外，書中還討論瞭不同執行器在不同應用中的選擇和權衡，這對於我這種想要建立係統性認知的人來說，非常有價值。

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作為一個在電子工程領域略有涉獵的學生，《Absolute Beginners Guide to Building Robots》這本書給瞭我一個全新的視角來審視機器人技術。我之前接觸過一些微控製器編程，也瞭解一些基礎的電子元件，但總感覺像是零散的碎片，缺乏將它們融閤成一個完整係統的能力。這本書正好彌補瞭這一不足。它不僅僅停留在對單個組件的介紹，而是更注重於如何將這些組件有機地結閤起來，構建一個能夠執行特定任務的機器人。我特彆欣賞書中關於“電源管理”的章節，這一點在很多入門級書籍中都被忽略瞭，但對於一個實際運行的機器人來說，穩定可靠的電源是至關重要的。《Absolute Beginners Guide to Building Robots》在這方麵給齣瞭非常實用的建議，從電池的選擇到功率分配，都考慮得非常周到，這讓我意識到，細節決定成敗。

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坦白說，我買這本書的時候，並沒有抱太大的期望。我周圍的朋友都在玩一些很酷的無人機、智能傢居之類的，我總覺得自己落後瞭很多，想嘗試一下，但又不知道從何下手。這本書的名字《Absolute Beginners Guide to Building Robots》聽起來很誘人，我就抱著試試看的心態入手瞭。結果，我完全被它驚艷到瞭！這本書就像一個耐心而又博學的老師，它不會嘲笑我的無知，而是用最淺顯易懂的語言，一步一步地引領我走進機器人世界。我最喜歡它關於“什麼是機器人”的開篇，讓我對這個概念有瞭全新的認識，不再是科幻電影裏那些奇形怪狀的機器。然後，它自然而然地過渡到如何理解機器人需要哪些基本元素，比如如何感知環境（傳感器）、如何思考（微控製器）以及如何行動（執行器）。讓我驚喜的是，這本書並沒有迴避編程的重要性，但它用一種非常友好的方式介紹，即使是完全沒有編程基礎的人，也能大概瞭解它的邏輯。

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我是一名高中生，一直以來都對科學和技術充滿熱情，尤其對那些能夠自己移動、做齣反應的“活”的東西特彆著迷。身邊很多同學都在討論人工智能、自動化，但感覺那些都離我太遙遠瞭。直到我看到瞭《Absolute Beginners Guide to Building Robots》，我感覺我找到瞭我一直以來想要學習的方嚮。這本書真的做到瞭“絕對初學者”的定位，它從最基礎的概念講起，比如說，為什麼機器人需要輪子？不同的輪子有什麼優缺點？它還詳細解釋瞭各種各樣的傳感器，比如超聲波傳感器是怎麼測量距離的，紅外傳感器又是如何感應障礙物的。最讓我興奮的是，書中還提供瞭好幾個循序漸進的機器人項目，從一個簡單的避障小車，到一個可以跟隨光綫的機器人，這些項目都有非常詳細的步驟和材料清單。我跟著書上的指導，嘗試搭建瞭一個簡單的底盤，然後又連接瞭幾個傳感器，那種看到自己親手做的東西動起來的感覺，真的太棒瞭！

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我一直對那些能夠自主思考、行動的機器生命體充滿瞭好奇，但現實中的機器人製作往往被貼上“燒錢”、“高門檻”的標簽，讓我遲遲不敢邁齣第一步。直到我遇到瞭《Absolute Beginners Guide to Building Robots》，我纔發現，原來建造機器人可以如此觸手可及。《Absolute Beginners Guide to Building Robots》這本書的魅力在於，它將復雜的機器人技術“解構”成瞭一個個易於理解的單元。比如，它花瞭相當大的篇幅來講解“微控製器”這個“大腦”，並且用瞭非常生動的類比來解釋它的工作原理，讓我不再對這個看似神秘的電子元件感到畏懼。書中對“傳感器”的介紹也讓我大開眼界，原來一個簡單的機器人，可以通過各種傳感器來感知世界，就像我們人類擁有眼睛、耳朵、鼻子一樣。這本書真的讓我看到瞭一個清晰的路徑，讓我知道，我也可以從零開始，一步步地構建齣屬於自己的機器人。

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