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第1章 绪言1

1.1 关于本书7

1.1.1 MATLAB软件7

1.1.2 读者对象及必备知识9

1.1.3 符号与约定10

1.1.4 怎样使用本书10

1.1.5 使用本书教学11

1.1.6 本书梗概11

第一部分 基础知识14

第2章 位置与姿态描述14

2.1 二维空间位姿描述17

2.2 三维空间位姿描述22

2.2.1 三维空间姿态描述22

2.2.2 平移与旋转组合34

2.3 本章总结36

延伸阅读38

习题38

第3章 时间与运动39

3.1 轨迹39

3.1.1 平滑一维轨迹39

3.1.2 多维的情况42

3.1.3 多段轨迹43

3.1.4 三维空间姿态插值44

3.1.5 笛卡儿运动45

3.2 时变坐标系48

3.2.1 旋转坐标系48

3.2.2 增量运动48

3.2.3 惯性导航系统50

3.3 本章总结52

延伸阅读52

习题53

第二部分 移动机器人59

第4章 移动机器人载体59

4.1 机动性59

4.2 移动机器人小车62

4.2.1 移动到一个点65

4.2.2 跟踪一条直线67

4.2.3 跟踪一般路径68

4.2.4 运动到一个位姿70

4.3 飞行机器人72

4.4 本章总结78

扩展阅读79

习题80

第5章 机器人导航82

5.1 反应式导航82

5.1.1 Braitenberg车83

5.1.2 简单自动机85

5.2 基于地图的路径规划87

5.2.1 距离变换88

5.2.2 D90

5.2.3 沃罗诺伊路线图法92

5.2.4 概率路线图方法95

5.2.5 RRT98

5.3 本章总结100

扩展阅读100

习题101

第6章 机器人定位103

6.1 航迹推算107

6.1.1 机器人建模107

6.1.2 位姿估计109

6.2 使用地图113

6.3 创建地图117

6.4 定位并制图119

6.5 蒙特卡罗定位121

6.6 本章总结125

扩展阅读125

习题127

第三部分 臂型机器人132

第7章 机械臂运动学132

7.1 描述一台机械臂132

7.2 正运动学135

7.2.1 两连杆机器人135

7.2.2 六轴机器人138

7.3 逆运动学141

7.3.1 封闭形式解142

7.3.2 数值解144

7.3.3 欠驱动机械臂145

7.3.4 冗余机械臂145

7.4 轨迹148

7.4.1 关节空间运动148

7.4.2 笛卡儿运动151

7.4.3 通过奇异位形的运动152

7.4.4 位形转换153

7.5 高级问题154

7.5.1 关节角偏移154

7.5.2 确定D-H参数154

7.5.3 改进D-H参数156

7.6 应用：绘图157

7.7 应用：一个简单的步行机器人158

7.7.1 运动学158

7.7.2 单腿运动160

7.7.3 四腿运动161

7.8 本章总结162

扩展阅读162

习题164

第8章 速度关系166

8.1 机械手的雅可比矩阵166

8.1.1 坐标系之间的速度转换170

8.1.2 末端执行器坐标系的雅可比矩阵171

8.1.3 解析雅可比矩阵171

8.1.4 雅可比条件及可操纵性172

8.2 分解速率运动控制175

8.2.1 雅可比矩阵的奇异性178

8.2.2 欠驱动机器人的雅可比矩阵178

8.2.3 过驱动机器人的雅可比矩阵180

8.3 力的关系181

8.3.1 坐标系间的力旋量转换181

8.3.2 力旋量转换至关节空间182

8.4 逆运动学：一个通用数值方法182

8.5 本章总结184

扩展阅读184

习题184

第9章 动力学与控制186

9.1 运动方程186

9.1.1 重力188

9.1.2 惯量矩阵189

9.1.3 科氏矩阵191

9.1.4 有效载荷的影响192

9.1.5 基座力193

9.1.6 动态可操作性193

9.2 传动系统194

9.2.1 摩擦195

9.3 正向动力学197

9.4 机械臂关节控制198

9.4.1 驱动器198

9.4.2 独立关节控制199

9.4.3 刚体动力学补偿205

9.4.4 柔性传动208

9.5 本章总结209

扩展阅读210

习题211

第四部分 计算机视觉217

第10章 光与色彩217

10.1 光的谱表示217

10.1.1 吸收219

10.1.2 反射220

10.2 色彩221

10.2.1 颜色再造225

10.2.2 色度空间227

10.2.3 色彩名称231

10.2.4 其他颜色空间231

10.2.5 两种原色之间的转换233

10.2.6 什么是白色235

10.3 高级议题235

10.3.1 颜色的不变性236

10.3.2 白平衡237

10.3.3 由于吸收的颜色变化238

10.3.4 伽玛238

10.3.5 应用：彩色图像240

10.4 本章总结242

扩展阅读243

习题244

第11章 图像形成246

11.1 透视变换246

11.1.1 透镜畸变255

11.2 相机标定256

11.2.1 齐次变换法257

11.2.2 分解相机标定矩阵258

11.2.3 位姿估计259

11.2.4 相机标定工具箱260

11.3 非透视成像模型261

11.3.1 鱼眼镜头相机262

11.3.2 反射折射相机264

11.3.3 球形相机266

11.4 统一化成像268

11.4.1 映射广角图像到球面上269

11.4.2 合成透视图像270

11.5 本章总结272

扩展阅读272

习题275

第12章 图像处理276

12.1 获取图像276

12.1.1 来自文件的图像276

12.1.2 来自附带相机的图像280

12.1.3 来自电影文件的图像280

12.1.4 来自网络的图像281

12.1.5 来自代码的图像282

12.2 一元操作284

12.3 二元操作287

12.4 空间操作291

12.4.1 互相关291

12.4.2 模板匹配302

12.4.3 非线性操作307

12.5 数学形态学309

12.5.1 去除噪声312

12.5.2 边界检测313

12.5.3 形态交离变换314

12.6 形状变化315

12.6.1 裁剪315

12.6.2 图像缩放316

12.6.3 图像金字塔317

12.6.4 图像变形318

12.7 本章总结321

扩展阅读323

习题324

第13章 图像特征提取326

13.1 区域特征326

13.1.1 分类328

13.1.2 图像表示337

13.1.3 图像描述341

13.1.4 简要回顾351

13.2 直线特征351

13.3 点特征356

13.3.1 经典角点检测器356

13.3.2 尺度空间角点检测器361

13.4 本章总结366

扩展阅读367

习题368

第14章 使用多幅图像370

14.1 特征匹配371

14.2 多视图几何学375

14.2.1 基本矩阵377

14.2.2 本质矩阵379

14.2.3 估计基本矩阵381

14.2.4 平面单应性385

14.3 立体视觉390

14.3.1 稀疏立体匹配390

14.3.2 密集立体匹配394

14.3.3 峰值细化401

14.3.4 清理和重构403

14.3.5 三维纹理映射显示405

14.3.6 补色立体图406

14.3.7 图像矫正407

14.3.8 平面拟合409

14.3.9 3D点集匹配410

14.4 结构和运动412

14.5 应用：透视矫正418

14.6 应用：拼接421

14.7 应用：图像匹配和检索423

14.8 应用：图像序列处理430

14.9 本章总结432

扩展阅读432

习题436

第五部分 机器人学、视觉与控制444

第15章 基于视觉的控制444

15.1 基于位置的视觉伺服445

15.2 基于图像的视觉伺服448

15.2.1 相机和图像运动448

15.2.2 控制特征运动453

15.2.3 深度457

15.2.4 控制性能分析459

15.3 使用其他图像特征461

15.3.1 直线特征461

15.3.2 圆特征463

15.4 本章总结465

扩展阅读465

习题467

第16章 高级视觉伺服469

16.1 XY/Z分割的IBVS469

16.2 使用极坐标的IBVS471

16.3 对一个球面相机的IBVS473

16.4 应用：机械臂机器人476

16.5 应用：移动机器人477

16.5.1 完整约束移动机器人477

16.5.2 非完整约束移动机器人478

16.6 应用：飞行机器人480

16.7 本章总结481

扩展阅读481

习题482

附录486

附录A安装工具箱486

附录B Simulink软件488

附录C MATLAB对象492

附录D线性代数复习498

附录E椭圆504

附录F高斯随机变量510

附录G雅克比矩阵513

附录H 卡尔曼滤波515

附录齐次坐标系519

附录J图521

附录K峰值搜索524

术语527

参考文献531