《普通高等教育工业智能专业系列教材 无人系统基础》杨光红，王俊生编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《普通高等教育工业智能专业系列教材 无人系统基础》

【作　者】杨光红，王俊生编

【丛书名】普通高等教育工业智能专业系列教材

【页 数】 385

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.08

【ISBN号】978-7-111-68543-2

【价 格】89.90

【参考文献】 杨光红，王俊生编. 普通高等教育工业智能专业系列教材 无人系统基础. 北京：机械工业出版社, 2021.08.

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图书目录：

《普通高等教育工业智能专业系列教材 无人系统基础》内容提要：

本书是从事无人系统自主、智能控制相关工作的入门教材。编者从一般无人系统的知识入手，分享了在开发实际无人驾驶系统中积累的经验。本书共8章，第1章介绍无人系统的概念、意义、研究现状和发展趋势；第2章论述动态环境下无人系统的自主控制架构；第3章给出基于机器人操作系统ROS的程序设计方法；第4章设计无人驾驶数据采集系统；第5章组建无人驾驶定位系统；第6章开发无人驾驶环境感知系统；第7章研制无人驾驶规划决策系统；第8章构建无人驾驶执行控制系统。本书既可作为高等学校工业人工智能课程的教材，也可作为无人系统开发人员的技术参考书。本书配有授课电子课件，需要的教师可登录www.cmpedu.com免费注册，审核通过后下载，或联系编辑索取（微信：15910938545，电话：010-88379739）。

《普通高等教育工业智能专业系列教材 无人系统基础》内容试读

第1章绪论

本章介绍无人系统的概念、意义、研究现状以及人工智能在无人系统中的发展趋势，这是学习本书后续内容的必要准备。

1.1无人系统的概念和意义

无人系统是指无人车、无人机、无人潜航器和无人水面艇等无人平台及其配套装备的统称四。无人系统能够在无驾乘人员条件下以自主方式达成预定目标。“平台无人”的特点使无人系统可代替人类完成危险、繁重或枯燥的工作；军用无人系统具备人员零伤亡、适应和生存能力强、制造与维护成本低等诸多优点13)。

无人系统是由控制科学、信息科学和系统科学等高新技术支撑的综合系统，多学科交叉融合及协同发展是构建无人系统的基础)。21世纪以来，无人系统在工业、农业、服务业等民用领域得到了广泛应用，而且在军事领域也表现出强劲的发展势头。

科技进步帮助人类不断提升认识、改造以及利用世界的能力，其中，机械化和电气化令人类体力得到拓展；信息化与智能化增强了人类智力；无人系统使智能化、信息化、电气化和机械化融为一体，把人类能力带到了一个新的历史高度，在推动军事变革、社会进步和经济发展方面将发挥重要作用1。

1.2无人系统的研究现状

本节从无人车、无人机、无人潜航器和无人水面艇四个方面介绍在自主无人系统领域具有代表性的最新研究成果。而传统的只能通过人工遥控方式运行（或自主能力非常有限）的无人系统不在本书讨论范围内。

1.2.1无人车现状

近年来，无人驾驶技术在城市交通、农业、采矿、港口码头、仓储物流、智能家居、军事和航天等领域中得到广泛应用。

在城市交通领域，2009年Go0gle公司启动了自动驾驶汽车项目。2014年其推出了无人驾驶原型车Firefly(见图1-1)[6，并于2015年开始路试。Firefly是纯电动车，最高速度达40km/h。基于车载激光雷达和摄像机，Firefly能够感知环境信息，可在城市道路上完成无人驾驶。

2016年年底，基于Google自动驾驶汽车项目成立了子公司Waymo。2017年，Waymo宣布

Fiey退出历史舞台，继而将无人驾驶技术应用于克莱斯勒Pacific混合动力汽车（见图1-2）刀。2018年12月，自主驾驶出租车服务Waymo0ne正式投人商用。截至2019年7月，Waymo的无人车在实际道路上累计测试里程已超过1600万km。

无人系统基础

图1-1 Google公司的无人驾驶原型车Firefly

在号服可科材

图1-2 Waymo公司研制的自主驾驶的克莱斯勒Pacific混合动力汽车

2018年，Nuo公司对外公开了他们研制的用于短途配送货物的无人车（见图1-3）8]，并于同年在美国亚利桑那州面向公众开放了无人车配送服务。该车利用装备的摄像机和激光雷达可感知前来提货的用户和路况。

图1-3Nuo公司的短途配送货物无人车

在城市交通领域除以上研究成果外，还有多家科技公司和汽车制造商推出了多款无人驾驶汽车，这些无人车目前都在美国加利福尼亚州进行路试。

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第1章绪论

表1-1的数据来自美国加利福尼亚州车辆管理局(DMV)发布的《2018年自动驾驶接管

报告》。其中统计了2017年12月一2018年11月期间在该州进行测试的无人车人工接管频率。这里的人工接管是指，因为天气、交通和系统故障等特殊情况，自动驾驶汽车在人工干预下脱离自动驾驶模式，并将控制权交给人类驾驶员的过程。因此，人工接管频率的高低可以从一个侧面反映目前无人驾驶技术的研究现状。

表1-1DMV的城市交通领域无人车人工接管频率统计表(2017年12月一2018年11月期间)

公司名称

平均接管一次行进距离/km

公司名称

平均接管一次行进距离/km

Waymo

17846.8

Nullmax

71.4

GM Cruise

8327.8

Phantom AI

33.2

Zoox

3076.4

NVIDIA

32.2

Nuro

1645.3

SF Motors

17.7

Pony.AI

1635.6

Telenav

9.6

Nissan

336.8

BMW

7.3

Baidu

329.0

CarOne/Udelv

6.1

AIMotive

322.6

Toyota

4.1

AutoX

305.3

Qualcomm

3.8

Roadstar.AI

280.5

Honda

3.5

WeRide/JingChi

277.6

Mercedes Benz

2.3

Aurora

159.8

SAIC

1.9

Drive.ai

134.3

Apple

1.8

PlusAI

87.0

Uber

0.6

在农业领域，凯斯纽荷兰工业集团(CNH Industrial N.V.)在美国爱荷华州举行的2016农业进步展览会上推出了凯斯(Case IH)Magnum无人驾驶概念拖拉机（见图1-4）。

图1-4凯斯纽荷兰工业集团(CNH Industrial N.V.)的凯斯Magnum无人驾驶概念拖拉机

该拖拉机可依据地势、障碍物以及田间其他农用机械的位置，自动规划最佳行进路线：根

据远程遥控指令或天气预警信息，可实时调整该拖拉机的任务；一旦GPS位置信息丢失，该

无人驾驶拖拉机会立即停止运行，从而保证农业生产安全。

2019年，约翰迪尔公司(John Deere)对外公开了他们研制的全电动无人驾驶拖拉机

GridCON(见图1-5)。GridCON采用电缆供电，能够以20km/h的速度自主运行；为防止其碾压电缆，GridCON集成了智能引导系统，并配备了用于收放电缆的机械臂[o。

3

无人系统基础

图I-5约翰迪尔公司(John Deere)的全电动无人驾驶拖拉机GridCON

此外，在2016中国国际农业机械展览会上，中国一拖集团有限公司发布了无人驾驶拖拉机一代样机。2018年，该公司设计的“东方红”无人驾驶拖拉机实现了农业全过程（即起动、倒车、操作农具、避障、耕作)的无人作业。2019年，由河南省智能农机创新中心牵头研制了我国首台纯电动无人拖拉机，该项研究在拖拉机路径规划和电动控制等方面取得了突破。

在采矿行业，2005年小松集团(Komatsu)开始研制露天矿山无人运输系统，于2008年正式商业化运营：该系统无须驾驶员，从而降低了15%的运输成本：而且，通过优化无人驾驶矿用卡车的控制方式，使轮胎寿命延长了40%。2016年，小松集团推出了新一代无人驾驶矿用卡车（见图1-6），该车取消了方向盘、脚踏板以及驾驶室，进而采用了四轮驱动转向系统，因此大幅提高了车辆的动力和灵活性。截至2018年年初，小松集团的无人驾驶矿车已在南北美洲以及澳大利亚的六座矿山得到应用」

图1-6小松集团(Komatsu)的无人驾驶矿用卡车

另外，卡特彼勒公司(Caterpillar,CAT)于1996年研发了第一辆无人驾驶矿用卡车：2013年，该公司的六辆无人驾驶矿用卡车开始商用。至2019年商用规模已超过150辆，为矿山转运物料已达10亿t,行驶里程将近3500万km。

2019年年初，中国兵器工业集团旗下内蒙古北方重工业集团北方股份公司推出了国内首

台无人驾驶电动轮矿用卡车，并进驻矿山开展测试。该车采用了载波相位差分(TK)技术

定位误差限制在厘米级；基于毫米波雷达和激光雷达可感知矿区环境信息，从而实现了矿车自动避障、自动倾斜和精准停靠。

在港口码头行业，2001年科尼集团(Konecranes)把基于柴液动力的Gottwald集装箱自动

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第1章绪论

导引车(AGV)应用于德国汉堡港，无人驾驶的AGV负责将集装箱由岸桥运输到堆场；2006

年又交付了柴电动力的AGV:2011年采用铅酸电池的AGV开始商用；2018年具有快速充电

能力的锂电池供电AGV投人使用（见图1-7），其完全充电只需1.5h。

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图1-7科尼集团(Konecranes)Gottwald的锂电池供电集装箱自动导引车

从2002年起上海振华重工（集团）股份有限公司(ZPMC)开始研发集装箱AGV。2017

年其研制的第四代AGV在青岛港全自动化码头投入运营（见图1-8）。与上一代AGV的区

别是，该车具有集电系统以及顶升装置，集电系统利用滑触线保证AGV在行进中充电，顶升

装置可抬高集装箱并将其放置到堆场指定位置。

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图1-8青岛港全自动化码头的上海振华重工（集团）股份有限公司集装箱自动导引车

目前，集装箱AGV定位技术包括GPS定位、利用埋设的电磁导引线（或磁钉）进行定

位、加速度计和陀螺仪的惯性定位、激光定位等]。

在仓储物流领域，亚马逊公司(Amazon)于2012年使用了仓储AGV(即Kiva机器人，见图1-9)[3]。Kva机器人通过地面的二维码进行定位，可按照无线指令将订单对应的货架搬运到分拣员面前，从而大幅提高了仓库的拣货效率。从2012年起，阿里巴巴、京东、顺丰和

申通等公司陆续开始大量配备仓储物流搬运AGV。

此外，2015年Linde Material Handling公司与Balyo公司合作研发了无人驾驶叉车（见图1-10)。

无人系统基础

Linde rob

图1-9亚马逊公司(Amazon)的仓储物流

图1-l0 Linde Material Handling公司与

搬运AGV(Kiva机器人)

Blyo公司合作研发的无人驾驶叉车

该车在仓库内能无人驾驶的核心技术是Balyo设计的同时定位与地图构建(Simultaneous

Localization and Mapping,SLAM)算法。为实现无人驾驶叉车的室内定位和环境感知，Balyo的工程师要完成以下三个步骤：首先，手动控制叉车在工作区运动，期间利用车载激光雷达(Light Imaging Detection and Ranging,LIDAR)记录数据，并基于SLAM技术测绘出该工作☒的二维地图；然后，将二维地图中非固定设施移除，从而保留工作区的特征点（如柱子、墙壁搁物架等)，为后续无人驾驶提供工作区的参照地图，进而根据物流需求，在参照地图上为无人驾驶叉车添加虚拟路径和货物取放点：最后，将上述参照地图存储在无人驾驶叉车的计算机中，这样该叉车将参照地图和激光雷达实时获取的环境信息相比较就可完成自身定位和行进。

在智能家居领域，2010年Neato Robotics公司首次将激光雷达SLAM技术运用到扫地机器

人；利用SLAM技术测绘出的房间地图进行路径规划，保证了该机器人不与室内墙壁、家具发

生碰撞且避免了清扫路线重复的情况。图1-11所示是2017年Neato Robotics发布的最新一代扫地机器人Botvac D7 M Connected[I,其满电续航时间是2h,利用手机APP可令机器人在清扫行进过程中避开指定区域（如儿童和宠物区）。

图1-11 Neato Robotics公司的扫地机器人Botvac D7 MConnected

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···试读结束···