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本书主要介绍以BeagleBone Black硬件平台和Ubuntu操作系统为核心，自主构建机器人的实用技术与方法。内容由浅及深，循序渐进，涵盖了开发机器人方方面面的问题，包括BeagleBone Black平台和Ubuntu系统的使用与开发，机器人的语言、听觉、视觉、运动、避障等功能的实现，以及无线遥控、GPS定位、空中飞行、水面航行等扩展功能的实现。通过系统集成技术，将各个独立功能进行整合，最终打造出一个完整的机器人。

第1章  BeagleBone Black入门  
1.1  任务简述  
1.2  打开包装盒  
1.3  接上键盘、 鼠标与显示器  
1.4  改变操作系统  
1.5  增加用户图形界面（GUI）  
1.6  远程访问BeagleBone Black  
1.7  任务完成  
1.8  挑战  
第2章  BeagleBone Black编程  
2.1  任务简述  
2.2  基本的Linux命令以及浏览文件
系统  
2.3  在BeagleBone Black上创建、 编辑
和保存文件  
2.4  在BeagleBone Black上创建并运行
Python程序  
2.5  BeagleBone Black上基本的程序
结构  
2.6  C++语言介绍  
2.7  任务完成  
2.8  挑战  
第3章  语音输入与输出  
3.1  任务简述  
3.2  连接硬件， 制作并输入声音  
3.3  使用eSpeak让机器人说话  
3.4  使用PocketSphinx识别语音
命令  
3.5  理解语音命令并发起动作   
3.6  任务完成  
3.7  挑战  
第4章  让BeagleBone Black能看见  
4.1  任务简述  
4.2  将USB摄像头连接到BeagleBone Black并查看图像  
4.3  下载和安装OpenCV——一个全功能的视觉库  
4.4  使用视觉库检测彩色物体  
4.5  任务完成  
4.6  挑战  
第5章  让机器人运动——控制轮式移动  
5.1  任务简述  
5.2  使用电机控制器控制平台的速度  
5.3  在BeagleBone Black上编程控制移动平台  
5.4  通过语音命令控制移动平台的运动  
5.5  任务完成  
5.6  挑战  
第6章  让机器人运动更灵活——学会用腿走路  
6.1  任务简述  
6.2  使用伺服控制器连接BeagleBone Black与移动平台  
6.3  在Linux中创建一个程序来控制移动平台  
6.4  通过语音命令让移动平台真正移动起来  
6.5  任务完成  
6.6  挑战  
第7章  使用传感器避障  
7.1  任务简述  
7.2  连接USB声呐传感器到BeagleBone Black  
7.3  使用电机来移动单个传感器  
7.4  任务完成  
7.5  挑战  
第8章  真正的移动——远程遥控机器人  
8.1  任务简述  
8.2  将BeagleBone Black连接到无线USB键盘  
8.3  使用键盘控制你的项目  
8.4  任务完成  
8.5  挑战  
第9章  使用GPS接收器定位机器人  
9.1  任务简述  
9.2  连接BeagleBone Black到GPS接收器  
9.3  编程访问GPS设备及确定如何向目标移动  
9.4  任务完成  
9.5  挑战  
第10章  系统集成  
10.1  任务简述  
10.2  建立通用控制结构使功能模块间相互通信  
10.3  任务完成  
10.4  挑战  
第11章  上天入地下海  
11.1  任务简述  
11.2  航海机器人  
11.3  飞行机器人  
11.4  潜水机器人  
11.5  任务完成  
11.6  挑战

译  者  序
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一， 自问世以来， 就一直备受瞩目。随着科学技术的快速发展， 机器人技术也得到了飞速发展， 应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索， 乃至太空作业等领域， 机器人从事着危险、 复杂的劳动， 其身影可谓是无处不在。目前， 机器人也已经走进了我们的生活与工作中， 在很多领域代替人类的劳动， 发挥着越来越重要的作用， 人类已经越来越离不开机器人的帮助。
机器人一般由机械装置、 传感装置和控制系统组成。其中控制系统是神经中枢， 相当于人的大脑， 是机器人最重要、 最复杂的部分， 其核心都是一台嵌入式计算机。本书主要介绍了如何基于“BeagleBone Black硬件平台+Ubuntu操作系统”的组合， 自主构建机器人的原理和方法。作为TI公司力推的开源硬件平台， BeagleBone Black不仅功能强大， 而且价格十分低廉。Ubuntu也是目前最为流行的Linux发行版。基于两种开放技术平台的机器人控制系统无疑具有非常好的扩展性和发展前景。围绕着BeagleBone Black硬件平台和Ubuntu操作系统， 本书讨论了打造机器人方方面面的问题， 包括BeagleBone Black平台的使用与开发， 机器人的语言、 听觉、 视觉、 运动、 避障等功能的实现， 以及无线遥控、 GPS定位、 空中飞行、 水面航行等扩展功能的实现， 通过系统集成技术， 将各个独立功能进行整合， 最终打造出一个完整的机器人。本书采用“stepbystep”的方式， 通过一步步的操作， 教会读者如何使用BeagleBone Black构建一个实际的机器人。本书的最大特点是实用性强， 由于不过多涉及深奥的技术原理， 所以对读者的基础要求并不高， 适合广大机器人开发爱好者和感兴趣的高校学生学习参考。
本书共11章， 其中第1章至第6章由汤凯翻译； 第7章至第9章由续欣翻译； 第10、 11章由刘洋翻译。全书译文最后由汤凯统一审核并定稿。
译者在翻译本书的过程中， 本着忠实于原文， 同时力求通俗易懂的原则， 但由于水平有限， 书中的缺点和错误在所难免， 敬请读者批评指正。
译  者2014年10月



前    言

我们正身处一个激动人心的时代， 我们都能深刻地体会到， 因为这些巨变就发生在我们的身边。若干年前， 基本上是伴随着生育高峰期出生的那一代人， 当时计算机还遥不可及， 被放置在大型企业或大学的密室中， 使用这些计算机被严格地限制。如果希望在计算机上编程， 你需要在卡片上打孔， 之后装入到读卡机， 然后等上一个多小时， 才能得到计算机的输出结果。不得不承认， 这就是我早期使用计算机的经历。
这些大型计算机， 例如IBM的360系列， 数字设备公司（Digital Equipment）的PDP7， 惠普公司的1000系列， 当时是少数公司的专属。建造这些计算机花费了成千上万美元， 但是却只有少数授权用户在专用机房里才能够使用。
这种情况持续多年， 直到个人计算机（PC）的出现。我有幸认识购买第一批IBM个人计算机的人。这些计算机有两个软驱， 一个单色显示器， 是一台让人吃惊的设备。个人计算机的出现极大地改变了世界， 那些看起来很遥远的计算技术一下子被搬到了我们办公桌上。处理器技术的进步导致了专用微处理器的诞生。它们可以用于特殊任务， 而无须再使用传统的模拟电路。在很多场合下， 它们改变了人机交互的方式。
这些针对特定应用的解决方案就是嵌入式系统。嵌入式系统带来了个人计算机的计算能力， 但经过了裁剪， 以适应家电或者是工业设备的需要。嵌入式技术的成本也得到了极大的降低， 毕竟没有人愿意为门锁或者是温度传感器支付上千美元的费用。早期的嵌入式设备资源非常有限， 开发应用非常具有挑战性， 因为很容易出现计算能力不足， 或者是用尽所有内存的情况。因此， 为了在即将消耗殆尽的内存空间中增加最后一项功能， 即使是计算机天才也要为此连续鏖战数天。
计算机时代孕育出了大量的硬件和软件新技术。诸如Intel公司和AMD公司生产的处理器具有令人难以置信的计算能力， 内存的容量也变得非常更加充足。微软公司和苹果公司提供了功能强大且使用方便的软件产品。个人计算机已经成为家庭、 学校、 商业和工厂必备的工具。
嵌入式系统正如个人计算机一样快速地发展。从早期专用的四位处理器， 内存只有2000字节的时代， 到现在嵌入式处理器的性能和功能已经达到了标准个人计算机的水平。最典型的例子就是身边的手机， 具有强大的计算能力， 但是体积却非常小， 价格也相当低廉。
    
现在已经到了引入一种小型、 低成本的嵌入式系统的时候了， 它不再是只能运行简单、 专用的应用， 而是具有满足任何类型计算需求的计算资源。同时， 这些小型但强大的系统也已经超越了那些小型、 专用的开发环境。它们配备有强大的操作系统， 提供类似于个人计算机的功能， 但是体积却要小得多。平板和智能手机的迅猛发展重新塑造了整个计算领域的面貌。
这种进步同样也影响着嵌入式领域。小型、 功能强大的系统可以基于低成本的硬件， 结合开源的软件构成了一个探索嵌入式世界的平台。从Arduino、 树莓派到现在的BeagleBone Black， 它们都在可接受的成本上， 通过开源软件社区， 提供了交换创意， 寻找问题答案的快捷方式。具备了这样的能力之后， 正如本书中描述的， 真正可以做到创意无限。
本书只关注BeagleBone Black平台。本书所涉及的内容也可以适用于其他平台， 只需要做稍许修改， 不过这不是本书的目的。本书是希望让你学到如何建立非常有趣， 但是复杂的且令人惊讶的机器人。BeagleBone Black非常具有吸引力， 因为它不仅可以让我们的目标变为现实， 也可以为科研与学术团体之外的人所使用。本书中， 我们将完成这样的目标， 并建立非常具有吸引力的项目。
本书首先介绍BeagleBone Black平台的使用基础， 包括如何购买到硬件， 如何安装软件并运行系统。然后， 在基本的系统之上， 我们将建立一些基础的功能， 展示增加音频、 视觉和控制的能力。
然后， 我们会进入一些相对复杂的功能， 包括GPS、 音频和一些高级传感器。最后， 我们将所有的功能进行整合， 展示如何构建完整的系统。
在每章中， 我会给出关于如何开展工作的具体指导。这有一定的风险， 因为这些指导容易发生变化。希望你能理解我们要完成目标， 在没有得到预期效果的情况下， 自己能设法继续进行下去。实际上， 有很多的论坛和博客可以寻求帮助， 所以遇到问题， 不要犹豫， 去求助。
有一点需要特别注意， 本书不是一个学术的练习， 所以不要光看不练。我希望读完本书后， 你能打造出能够带领我们进入22世纪的装置来。我经常告诉我的学生， 有了计算机， 他们的孩子们就可以在机器人的帮助下， 生活得更加幸福。
所以， 就让我们开始吧！
      本书内容
第1章： “BeagleBone Black入门”， 提供了第一次使用BeagleBone Black的方法。
第2章： “BeagleBone Black编程”， 针对不熟悉嵌入式系统、 Linux、 Python语言或其他编程语言的读者， 简单介绍了如何在BeagleBone Black上编写程序， 以帮助实现后续章节中的各项功能。
第3章： “语音输入与输出”， 展示如何为机器人增加语音识别与说话能力。
第4章： “让BeagleBone Black能看见”， 展示如何为机器人增加视觉功能。
第5章： “让机器人运动——控制轮式移动”， 展示如何为机器人增加轮式移动底盘。
第6章： “让机器人运动更灵活——学会用腿走路”， 展示如何让机器人具有步行的能力。
第7章： “使用传感器避障”， 展示如何通过使用传感器， 让机器人在运动的同时具备避障的能力。
第8章： “真正的移动——远程遥控机器人”， 展示如何使用遥控设备来控制机器人。
第9章： “使用GPS接收器定位机器人”， 展示如何为机器人添加GPS接收器。
第10章： “系统集成”， 介绍组合所有的能力， 同时发挥作用的方法。
第11章： “上天入地下海”， 介绍本项目一些拓展的能力， 如飞行、 航行和潜水。
      工作环境
本书每章的内容不仅介绍所需硬件设备， 还包括相应的软件资源。不过， 为了实现每个功能， 还需要一台连接互联网的计算机、 一台BeagleBone Black和电源。
      读者对象
本书面向初学者。不过， 在开始具体的内容之前， 至少需要读者熟悉计算机的基本使用方法和功能。不需要有编程经验， 但是有的话会有帮助。书中会向读者介绍Linux操作系统的基本使用， 所以有Linux基础会有帮助， 但这不是必须的。读者不仅需要对机器人和嵌入式设备的工作原理有着极大的兴趣， 同时， 在搭建自己的硬件并调试软件时， 还要有足够的耐心。
      本书约定
本书中， 读者会看到一些标题反复出现。
为了给读者完成各项功能提供清晰的指导， 我们使用了如下标题和图标。 
任务简述
解释任务的目标， 并附上任务完成后的实物图片。
亮点展示
介绍将要实现的功能为什么很酷、 很特别， 以及有趣的方面， 描述了该功能的亮点所在。
目标
介绍达到目标所需完成的各个任务， 具体的形式是： 任务1
任务2
任务3
任务4， 等等
任务检查清单
介绍任务的准备条件， 例如， 所需的资源或者需要下载的库文件等。
任务1
具体介绍需要完成的任务。
任务准备
介绍在正式开始任务之前需要做的准备工作。
任务执行
介绍实现任务目标需要完成的具体步骤。
任务完成小结
对前面任务执行过程进行简要的总结。
补充信息
与任务相关的额外信息。

书中还会有一些特殊的字体风格， 方便与其他信息进行区分。这里有这些风格的例子， 让我们来解释它们的含义。
代码字符如下显示： “你可以使用这样的命令ls la devsd*”。
一段代码按照以下的方式显示： 
    
任何命令行输入或输出按照下面的写法： 
  
新的术语和重要的单词使用粗体显示。在屏幕、 菜单或者对话框中所见到的单词的显示方式为： “第一次运行软件时， Safe start violation标签被设置， 在屏幕的左下角单击Resume按钮清除该设置”。
    警告或者重要的注释以这种方式显示。
    提示或者技巧以这种方式显示。

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