移動機器人學(xué)：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、模型構(gòu)建及實現(xiàn)方法

譯者序
前言
第1章　緒論 1
1.1　移動機器人應(yīng)用 1
1.2　移動機器人分類 2
1.2.1　地面自主移動機器人 2
1.2.2　服務(wù)機器人 2
1.2.3　清潔和草坪護理機器人 3
1.2.4　社交機器人 3
1.2.5　野外機器人 4
1.2.6　檢測、偵查、監(jiān)控和勘探機器人 5
1.3　移動機器人工程 6
1.3.1　移動機器人子系統(tǒng) 6
1.3.2　全書概述 6
1.3.3　輪式移動機器人基礎(chǔ) 8
1.3.4　參考文獻與延伸閱讀 9
1.3.5　習(xí)題 9
第2章　數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 10
2.1　約定和定義 10
2.1.1　符號約定 10
2.1.2　附體坐標(biāo)系 14
2.1.3　參考文獻與延伸閱讀 16
2.2　矩陣基礎(chǔ) 17
2.2.1　矩陣運算 17
2.2.2　矩陣函數(shù) 19
2.2.3　矩陣求逆 20
2.2.4　秩–零化度定理 22
2.2.5　矩陣代數(shù) 23
2.2.6　矩陣微積分 25
2.2.7　萊布尼茨法則 31
2.2.8　參考文獻與延伸閱讀 32
2.2.9　習(xí)題 32
2.3　剛體變換基礎(chǔ) 33
2.3.1　定義 33
2.3.2　為什么使用齊次變換 33
2.3.3　語義和解釋 34
2.3.4　參考文獻與延伸閱讀 43
2.3.5　習(xí)題 44
2.4　機構(gòu)運動學(xué) 45
2.4.1　正運動學(xué) 45
2.4.2　逆運動學(xué) 49
2.4.3　微分運動學(xué) 52
2.4.4　參考文獻與延伸閱讀 54
2.4.5　習(xí)題 54
2.5　方向和角速度 55
2.5.1　歐拉角形式的方向表示 56
2.5.2　角速度和小角度 59
2.5.3　歐拉角形式的角速度與方向變化率 61
2.5.4　軸角形式的角速度與方向變化率 62
2.5.5　參考文獻與延伸閱讀 63
2.5.6　習(xí)題 64
2.6　傳感器的運動學(xué)模型 64
2.6.1　攝像機的運動學(xué)模型 64
2.6.2　激光測距傳感器的運動學(xué)模型 65
2.6.3　參考文獻與延伸閱讀 71
2.6.4　習(xí)題 71
2.7　變換圖與位姿網(wǎng)絡(luò) 71
2.7.1　關(guān)系變換 71
2.7.2　位姿網(wǎng)絡(luò)求解 74
2.7.3　過約束網(wǎng)絡(luò) 75
2.7.4　用于一般位置坐標(biāo)系的微分運動學(xué) 77
2.7.5　參考文獻與延伸閱讀 81
2.7.6　習(xí)題 81
2.8　四元數(shù) 82
2.8.1　表示和符號 82
2.8.2　四元數(shù)乘法 83
2.8.3　其他四元數(shù)運算 85
2.8.4　三維旋轉(zhuǎn)表示 86
2.8.5　姿態(tài)和角速度 88
2.8.6　參考文獻與延伸閱讀 90
2.8.7　習(xí)題 90
第3章　數(shù)值方法 92
3.1　向量函數(shù)的線性化和優(yōu)化 92
3.1.1　線性化 93
3.1.2　目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化 94
3.1.3　約束優(yōu)化 98
3.1.4　參考文獻與延伸閱讀 103
3.1.5　習(xí)題 103
3.2　方程組 103
3.2.1　線性系統(tǒng) 103
3.2.2　非線性系統(tǒng) 108
3.2.3　參考文獻與延伸閱讀 110
3.2.4　習(xí)題 110
3.3　非線性優(yōu)化和約束優(yōu)化 111
3.3.1　非線性優(yōu)化 111
3.3.2　約束優(yōu)化 116
3.3.3　參考文獻與延伸閱讀 119
3.3.4　習(xí)題 120
3.4　微分代數(shù)系統(tǒng) 120
3.4.1　約束動力學(xué) 121
3.4.2　一階和二階約束運動學(xué)系統(tǒng) 123
3.4.3　拉格朗日動力學(xué) 125
3.4.4　約束 129
3.4.5　參考文獻與延伸閱讀 133
3.4.6　習(xí)題 133
3.5　微分方程的積分 134
3.5.1　狀態(tài)空間中的動力學(xué)模型 134
3.5.2　狀態(tài)空間模型的積分 134
3.5.3　參考文獻與延伸閱讀 137
3.5.4　習(xí)題 137
第4章　動力學(xué) 138
4.1　動坐標(biāo)系 138
4.1.1　觀測問題 138
4.1.2　改變參考系 139
4.1.3　應(yīng)用實例：姿態(tài)穩(wěn)定裕度估計 143
4.1.4　運動狀態(tài)的遞歸變換 145
4.1.5　參考文獻和延伸閱讀 148
4.1.6　習(xí)題 149
4.2　輪式移動機器人運動學(xué) 149
4.2.1　剛體運動概況 150
4.2.2　輪式移動機器人固定接觸點的速度運動學(xué) 152
4.2.3　常用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置 155
4.2.4　參考文獻和延伸閱讀 159
4.2.5　習(xí)題 160
4.3　約束運動學(xué)與動力學(xué) 160
4.3.1　禁止方向的約束 161
4.3.2　純滾動（無側(cè)滑）約束 165
4.3.3　拉格朗日動力學(xué) 168
4.3.4　地形接觸 173
4.3.5　軌跡估計與預(yù)測 175
4.3.6　參考文獻和延伸閱讀 179
4.3.7　習(xí)題 180
4.4　線性系統(tǒng)理論概述 181
4.4.1　線性定常系統(tǒng) 181
4.4.2　線性動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示 187
4.4.3　非線性動態(tài)系統(tǒng) 190
4.4.4　非線性動態(tài)系統(tǒng)的擾動動力學(xué) 192
4.4.5　參考文獻與延伸閱讀 194
4.4.6　習(xí)題 195
4.5　預(yù)測模型與系統(tǒng)辨識 195
4.5.1　制動 196
4.5.2　轉(zhuǎn)向 197
4.5.3　車輛翻倒 199
4.5.4　車輪打滑和偏航穩(wěn)定性 202
4.5.5　動力學(xué)模型的參數(shù)化和線性化 204
4.5.6　系統(tǒng)辨識 207
4.5.7　參考文獻與延伸閱讀 213
4.5.8　習(xí)題 214
第5章　最優(yōu)估計 215
5.1　隨機變量、隨機過程與隨機變換 215
5.1.1　不確定性的表征 215
5.1.2　隨機變量 216
5.1.3　不確定性變換 222
5.1.4　隨機過程 229
5.1.5　參考文獻與延伸閱讀 234
5.1.6　習(xí)題 234
5.2　協(xié)方差傳播與最優(yōu)估計 235
5.2.1　連續(xù)積分與平均過程的方差 235
5.2.2　隨機積分 239
5.2.3　最優(yōu)估計 244
5.2.4　參考文獻與延伸閱讀 251
5.2.5　習(xí)題 251
5.3　狀態(tài)空間卡爾曼濾波器 252
5.3.1　引言 252
5.3.2　線性離散時間卡爾曼濾波 254
5.3.3　非線性系統(tǒng)的卡爾曼濾波 256
5.3.4　簡單應(yīng)用實例：二維平面的移動機器人 260
5.