移動(dòng)機(jī)器人學(xué)：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、模型構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)方法

譯者序
前言
第1章　緒論 1
1.1　移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用 1
1.2　移動(dòng)機(jī)器人分類 2
1.2.1　地面自主移動(dòng)機(jī)器人 2
1.2.2　服務(wù)機(jī)器人 2
1.2.3　清潔和草坪護(hù)理機(jī)器人 3
1.2.4　社交機(jī)器人 3
1.2.5　野外機(jī)器人 4
1.2.6　檢測(cè)、偵查、監(jiān)控和勘探機(jī)器人 5
1.3　移動(dòng)機(jī)器人工程 6
1.3.1　移動(dòng)機(jī)器人子系統(tǒng) 6
1.3.2　全書概述 6
1.3.3　輪式移動(dòng)機(jī)器人基礎(chǔ) 8
1.3.4　參考文獻(xiàn)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(hào)約定 10
2.1.2　附體坐標(biāo)系 14
2.1.3　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 16
2.2　矩陣基礎(chǔ) 17
2.2.1　矩陣運(yùn)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(xiàn)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(xiàn)與延伸閱讀 43
2.3.5　習(xí)題 44
2.4　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 45
2.4.1　正運(yùn)動(dòng)學(xué) 45
2.4.2　逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 49
2.4.3　微分運(yùn)動(dòng)學(xué) 52
2.4.4　參考文獻(xiàn)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(xiàn)與延伸閱讀 63
2.5.6　習(xí)題 64
2.6　傳感器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 64
2.6.1　攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 64
2.6.2　激光測(cè)距傳感器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 65
2.6.3　參考文獻(xiàn)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(yùn)動(dòng)學(xué) 77
2.7.5　參考文獻(xiàn)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(hào) 82
2.8.2　四元數(shù)乘法 83
2.8.3　其他四元數(shù)運(yùn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(dòng)力學(xué) 121
3.4.2　一階和二階約束運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng) 123
3.4.3　拉格朗日動(dòng)力學(xué) 125
3.4.4　約束 129
3.4.5　參考文獻(xiàn)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(dòng)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(xiàn)與延伸閱讀 137
3.5.4　習(xí)題 137
第4章　動(dòng)力學(xué) 138
4.1　動(dòng)坐標(biāo)系 138
4.1.1　觀測(cè)問題 138
4.1.2　改變參考系 139
4.1.3　應(yīng)用實(shí)例：姿態(tài)穩(wěn)定裕度估計(jì) 143
4.1.4　運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的遞歸變換 145
4.1.5　參考文獻(xiàn)和延伸閱讀 148
4.1.6　習(xí)題 149
4.2　輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 149
4.2.1　剛體運(yùn)動(dòng)概況 150
4.2.2　輪式移動(dòng)機(jī)器人固定接觸點(diǎn)的速度運(yùn)動(dòng)學(xué) 152
4.2.3　常用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置 155
4.2.4　參考文獻(xiàn)和延伸閱讀 159
4.2.5　習(xí)題 160
4.3　約束運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué) 160
4.3.1　禁止方向的約束 161
4.3.2　純滾動(dòng)（無側(cè)滑）約束 165
4.3.3　拉格朗日動(dòng)力學(xué) 168
4.3.4　地形接觸 173
4.3.5　軌跡估計(jì)與預(yù)測(cè) 175
4.3.6　參考文獻(xiàn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間表示 187
4.4.3　非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 190
4.4.4　非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)動(dòng)力學(xué) 192
4.4.5　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 194
4.4.6　習(xí)題 195
4.5　預(yù)測(cè)模型與系統(tǒng)辨識(shí) 195
4.5.1　制動(dòng) 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(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)化和線性化 204
4.5.6　系統(tǒng)辨識(shí) 207
4.5.7　參考文獻(xiàn)與延伸閱讀 213
4.5.8　習(xí)題 214
第5章　最優(yōu)估計(jì) 215
5.1　隨機(jī)變量、隨機(jī)過程與隨機(jī)變換 215
5.1.1　不確定性的表征 215
5.1.2　隨機(jī)變量 216
5.1.3　不確定性變換 222
5.1.4　隨機(jī)過程 229
5.1.5　參考文獻(xiàn)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(jì) 235
5.2.1　連續(xù)積分與平均過程的方差 235
5.2.2　隨機(jī)積分 239
5.2.3　最優(yōu)估計(jì) 244
5.2.4　參考文獻(xiàn)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(shí)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(shí)例：二維平面的移動(dòng)機(jī)器人 260
5.