第5周：传感器与感知基础

课时: 6小时（第一次课3小时 + 第二次课3小时）

📋 本周课程表

第一次课：常用传感器介绍（3小时）

⏱️ 时间分配

2.2.1 常用传感器介绍（60分钟）

传感器的分类

机器人传感器分类：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     机器人传感器                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  ┌────────────────┐    ┌────────────────┐                │
│  │   外部传感器    │    │   内部传感器    │                │
│  │  (感知环境)    │    │  (感知自身)    │                │
│  └───────┬────────┘    └───────┬────────┘                │
│          │                      │                          │
│    ┌─────┴─────┐         ┌─────┴─────┐                   │
│    │           │         │           │                   │
│  激光雷达    相机         里程计      IMU                  │
│  超声波      触觉         编码器      陀螺仪               │
│  红外        深度相机     电流       磁力计               │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

常用传感器一览

2.2.2 激光雷达(LiDAR)（60分钟）

什么是激光雷达？

LiDAR = Light Detection and Ranging

通过发射激光并接收反射光来测量距离

激光雷达工作原理：

    发射器                          接收器
      │                               │
      │  发射激光脉冲                  │
      ├──────────────────────────────►│
      │              │                │
      │   障碍物    │                │
      │      □      │                │
      │◄─────────────┤ 反射光         │
      │              │                │
      │    计算距离:                   │
      │    距离 = 光速 × 时间 / 2     │
      │                               │

激光雷达类型

激光雷达数据

# sensor_msgs/LaserScan 消息
std_msgs/Header header
    time stamp
    string frame_id  # "laser_frame"

float32 angle_min        # 扫描起始角度 (rad)
float32 angle_max        # 扫描结束角度 (rad)
float32 angle_increment  # 角度增量 (rad)
float32 time_increment   # 时间增量 (s)
float32 scan_time        # 扫描时间 (s)
float32 range_min        # 最小距离 (m)
float32 range_max        # 最大距离 (m)

float32[] ranges         # 距离数据 (m)
float32[] intensities    # 反射强度

查看激光雷达数据

# 查看激光雷达话题
ros2 topic list | grep scan

# 监听激光数据
ros2 topic echo /scan

# 输出示例：
# angle_min: 0.0
# angle_max: 6.283
# angle_increment: 0.0174
# ranges: [1.2, 1.3, 1.1, 0.9, ...]  # 360个点

2.2.3 相机与图像（30分钟）

相机类型

图像消息

# sensor_msgs/Image 消息
std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id

uint32 height        # 图像高度 (像素)
uint32 width         # 图像宽度 (像素)
string encoding      # 编码格式: "rgb8", "mono8", "bgr8"...
uint8 is_bigendian  # 字节序
uint32 step         # 一行像素的字节数
uint8[] data        # 图像数据

第二次课：RViz可视化实战（3小时）

⏱️ 时间分配

2.2.4 RViz可视化工具（40分钟）

什么是RViz？

RViz = ROS Visualization

ROS的三维可视化工具，可以显示机器人模型、传感器数据、地图等

RViz界面：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  ┌──────────┐  ┌─────────────────────────────────────────┐  │
│  │ Displays │  │                                         │  │
│  │          │  │                                         │  │
│  │ [+] RobotModel   3D视图区域                      │  │
│  │ [+] LaserScan    显示激光雷达数据              │  │
│  │ [+] Image        显示相机图像                  │  │
│  │ [+] PointCloud   显示点云                       │  │
│  │ [+] Odometry     显示里程计                     │  │
│  │ [+] Map          显示地图                        │  │
│  │          │  │                                         │  │
│  └──────────┘  └─────────────────────────────────────────┘  │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Toolbar │ Time │ Statusbar                          │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

启动RViz

# 启动RViz
rviz2

# 或者指定配置文件
rviz2 -d my_config.rviz

常用显示项

2.2.5 可视化实验（80分钟）

实验1：显示Turtlesim

# 启动Turtlesim
ros2 run turtlesim turtlesim_node

# 启动RViz
rviz2

# 在RViz中：
# 1. 添加显示项 → RobotModel
# 2. 添加显示项 → Pose
# 3. 设置Fixed Frame为 "world"

实验2：显示激光雷达数据

# 启动Gazebo仿真（带激光雷达）
ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py

# 在RViz中添加LaserScan显示项

实验3：显示相机图像

# 启动相机
ros2 run image_transport republish raw

# 在RViz中添加Image显示项

本周实验报告

✅ 验收清单

本周作业

📝 理论题

1. 列举3种外部传感器和3种内部传感器
2. 激光雷达和超声波传感器的区别是什么？

💻 实践题

1. 用RViz显示一个话题的数据
2. 尝试保存RViz配置

知识点速查表

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    第5周知识点速查                           │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  传感器                                                          │
│  ├── 外部传感器 = 感知环境                                   │
│  ├── 内部传感器 = 感知自身                                   │
│  ├── 激光雷达 = 发射激光测距                                 │
│  └── 相机 = 获取图像                                         │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  RViz                                                           │
│  ├── RobotModel = 显示机器人模型                             │
│  ├── LaserScan = 显示雷达数据                                │
│  ├── Image = 显示相机图像                                    │
│  └── PointCloud2 = 显示3D点云                               │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

📚 课后阅读

• RViz官方文档
• sensor_msgs文档

下周预告

第6周：闭环控制初探

• 什么是闭环控制
• 传感器与控制结合
• 简单避障逻辑

第5周结束！