ROS 與機器人模擬學習指南

 #簡介

本學習指南旨在幫助您了解 ROS（機器人作業系統）以及如何在模擬環境中使用它，特別是 Gazebo。本指南涵蓋了從 ROS 的基本概念到更高級的主題，例如 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) 和導航。它還包括了 TurtleBot3 和 DrRobot Jaguar 平台。

#學習目標

• 了解 ROS 的核心概念和架構。
• 學會使用 Gazebo 進行機器人模擬。
• 掌握 TurtleBot3 和 DrRobot Jaguar 機器人的配置和控制。
• 了解 ROS 的 SLAM 和導航功能。
• 學習如何使用 URDF、Xacro 建構機器人模型.

#測驗

請以簡潔的語言（2-3 句）回答下列問題：

1. 什麼是 ROS？它在機器人開發中的作用是什麼？
2. 說明 ROS 1 和 ROS 2 之間的主要區別。
3. 什麼是 ROS 節點（Node）？說明節點在 ROS 系統中的作用。
4. 描述 ROS 的發布（Publish）和訂閱（Subscribe）機制。
5. 什麼是 Gazebo？它與 ROS 有什麼關係？
6. 如何在 Gazebo 中使用「無頭模式」執行模擬？
7. 什麼是 TurtleBot3？簡述其主要應用場景。
8. OpenCR 控制板在 TurtleBot3 系統中扮演什麼角色？
9. 什麼是 SLAM？它在機器人導航中的作用是什麼？
10. 什麼是 URDF？解釋在機器人模擬和建模中的重要性.

#測驗答案

1. ROS (Robot Operating System) 是一個開放原始碼的機器人軟體框架。它提供工具和函式庫，簡化機器人軟體的開發、測試和部署，並促進機器人系統的模組化和重用。
2. ROS 1 主要使用 C++03 和 Python 2，依賴自定義的序列化和傳輸機制，而 ROS 2 則基於 C++11/14 和 Python 3，並透過中介軟體介面支援 DDS 標準，提供更強大的即時性和可靠性。ROS2 在平台支援度和編譯系統上也做了許多改進。
3. ROS 節點是一個執行特定任務的獨立進程。節點通過 ROS 的通信機制（如主題、服務）與其他節點交換訊息，共同構成一個完整的機器人系統，實現複雜的功能。
4. 在 ROS 中，發布（Publish）是指節點向指定主題（Topic）發送訊息，而訂閱（Subscribe）是指節點接收來自特定主題的訊息。這種機制實現了節點間的非同步通信，使節點可以獨立運作並響應事件。
5. Gazebo 是一個強大的 3D 機器人模擬器。在 ROS 中，Gazebo 用於創建逼真的虛擬環境，模擬機器人的行為和感測器數據，以便在實際部署前測試和驗證機器人軟體。
6. 在 Gazebo 中，無頭模式（headless mode）是指在沒有圖形使用者介面 (GUI) 的情況下運行模擬。這可以節省資源，特別是在伺服器上運行模擬時，減少對系統中支援 OpenGL 渲染的顯示卡依賴，並加速模擬。
7. TurtleBot3 是一個小巧、模組化且低成本的 ROS 機器人平台。它被廣泛應用於教學、研究和開發，可用於 SLAM、導航、自主駕駛等多種機器人應用。
8. OpenCR 控制板是 TurtleBot3 的核心元件，用於控制馬達、感測器等硬體。它提供 ROS 介面，使 ROS 節點可以控制機器人的底層硬體，實現運動控制、感測器數據採集等功能。
9. SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是一種演算法，用於同時建立環境地圖並估計機器人自身的位置。在機器人導航中，SLAM 使機器人能夠在未知環境中自主導航，建立環境地圖並定位自身。
10. URDF (Unified Robot Description Format) 是一種 XML 格式，用於描述機器人的物理屬性，例如連桿、關節和幾何形狀。它在機器人模擬和建模中非常重要，因為它提供了機器人的結構信息，可以被 Gazebo 等模擬器使用，以創建逼真的機器人模型。

#論文題型

1. 比較 ROS 1 和 ROS 2 的架構，並討論遷移到 ROS 2 的優勢和挑戰。
2. 描述如何在 ROS 中使用 Gazebo 進行機器人模擬，並討論優化模擬效能的方法。
3. 分析 TurtleBot3 平台的硬體和軟體架構，並探討其在教育和研究中的應用。
4. 詳細說明 SLAM 算法在 ROS 中的實現，並比較不同的 SLAM 算法及其適用場景。
5. 探討 ROS 在自動駕駛領域的應用，並討論 ROS 如何與其他自動駕駛技術（如感知、規劃、控制）集成。

#關鍵詞彙表

• ROS (Robot Operating System)（機器人作業系統）: 一個開放原始碼的機器人軟體框架，提供工具和函式庫簡化機器人軟體的開發。
• Gazebo (模擬器): 一個 3D 機器人模擬器，用於創建和模擬機器人的物理環境。
• Node (節點): ROS 系統中的一個獨立執行單元，負責執行特定的任務。
• Topic (主題): ROS 中節點之間進行訊息傳遞的管道。
• Publisher (發布者): 向特定主題發送訊息的節點。
• Subscriber (訂閱者): 接收來自特定主題訊息的節點。
• Service (服務): ROS 中節點之間進行請求-回應通信的機制。
• Message (訊息): 在 ROS 節點之間傳遞的數據。
• ROS 1: ROS 的第一個主要版本，主要基於 C++03 和 Python 2。
• ROS 2: ROS 的第二個主要版本，基於 C++11/14 和 Python 3，具有更強大的即時性和可靠性。
• TurtleBot3: 一個小巧、模組化且低成本的 ROS 機器人平台。
• OpenCR: ROBOTIS 開發的開源控制板，用於控制機器人的硬體。
• SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)（即時定位與地圖構建）: 一種演算法，用於同時建立環境地圖並估計機器人自身的位置。
• Navigation (導航): 機器人在環境中自主移動到目標位置的過程。
• URDF (Unified Robot Description Format)（統一機器人描述格式）: 一種 XML 格式，用於描述機器人的物理屬性。
• Xacro (XML Macro)（XML 巨集）: 一種用於簡化 URDF 文件編寫的巨集語言。
• Rviz (3D 可視化工具): ROS 的 3D 可視化工具，用於顯示機器人模型、感測器數據和地圖。
• tf (TransForm) (變換): ROS 中的坐標變換庫，用於管理和計算不同坐標系之間的關係。
• catkin: ROS 的建構系統，用於編譯和管理 ROS 套件。
• Colcon: ROS2 的建構系統, 取代 catkin.
• SDF (Simulation Description Format): Gazebo 用於描述世界和模型的 XML 格式。
• ament: ROS2 的建構系統, 除 CMake 外, 亦支援其他編譯系統.
• ros1_bridge: 用於在 ROS1 和 ROS2 之間進行通訊的 ROS 套件。

祝您學習順利！