软件编程资源

Python 数值计算

• NumPy：向量、矩阵运算
• SciPy：优化、积分、信号处理
• Matplotlib：可视化
• SymPy：符号计算
• Pandas：数据分析

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import numpy as np

# 矩阵乘法
A = np.array([[1, 2], [3, 4]])
B = np.array([[5, 6], [7, 8]])
C = A @ B
print(C)  # [[19 22] [43 50]]

# 求逆
A_inv = np.linalg.inv(A)

# 特征值
eigenvalues, eigenvectors = np.linalg.eig(A)

C 数值计算

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#include <stdio.h>

// 一维数组实现矩阵加法
void matrix_add(int *A, int *B, int *C, int m, int n) {
    for (int i = 0; i < m; i++) {
        for (int j = 0; j < n; j++) {
            C[i * n + j] = A[i * n + j] + B[i * n + j];
        }
    }
}

其他

• C++：ROS 主力语言
• Java / Kotlin：Android 机器人控制
• HTML / JavaScript：Web 监控界面
• PHP / Python：后端

工具软件

矢量绘图

• Inkscape（免费开源）—— 推荐，画机械示意图
• Adobe Illustrator（商业）—— 设计稿
• Photoshop（商业）—— 位图
• Draw Freely：在线矢量图

3D 设计

• SolidWorks（商业）—— 机械设计行业标准
• CAXA（国产）—— 二维图纸
• Fusion 360（免费个人版）—— 入门级 CAD
• FreeCAD（开源）—— 替代 SolidWorks

仿真

• MATLAB / Simulink：控制算法、信号处理
• ANSYS：力学仿真（结构、流体）
• Adams：多体动力学
• Gazebo（ROS 集成）：3D 物理仿真
• V-REP / CoppeliaSim：通用机器人仿真
• Webots：跨平台
• MuJoCo：强化学习物理仿真

操作系统

主机操作系统：Ubuntu

机器人主机首选 Ubuntu 22.04 LTS / 24.04 LTS（ROS 1/2 官方支持）。

机器人操作系统 ROS

ROS（Robot Operating System） 是开源的机器人中间件，提供：

• 通信（话题 / 服务 / 动作）
• 包管理
• 工具链（RViz、rqt、rosbag）
• 仿真（Gazebo）

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ros-noetic (Ubuntu 20.04)
ros-melodic (Ubuntu 18.04)
ros2-humble (Ubuntu 22.04)
ros2-jazzy (Ubuntu 24.04)

核心概念：

• Node：一个独立进程
• Topic：异步消息（pub/sub）
• Service：同步请求 / 响应
• Action：长任务 + 反馈
• Bag：录制与回放

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# 写一个 ROS2 节点
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class Talker(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('talker')
        self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'chatter', 10)
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)

    def timer_callback(self):
        msg = String()
        msg.data = 'Hello World'
        self.publisher_.publish(msg)

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    talker = Talker()
    rclpy.spin(talker)
    rclpy.shutdown()

嵌入式 RTOS

机器人单片机上的实时操作系统：

FreeRTOS 入门：

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#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void vTaskBlink(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 翻转 LED
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

int main(void) {
    xTaskCreate(vTaskBlink, "Blink", 128, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();
    while (1);
}

硬件平台

嵌入式单板

• STM32：意法半导体，主流
• Arduino：开源、入门
• ESP32 / ESP8266：WiFi/BLE
• Raspberry Pi：Linux 单板机
• NVIDIA Jetson：GPU 加速 AI
• BeagleBone：工业级

STM32 入门

• 51 单片机：最老、入门
• AVR：Arduino 核心
• STM32：主流工业（f1 / f4 / h7 / g4 / u5 系列）

STM32 关键能力：

• 通用定时器（输出 PWM / 输入捕获）
• UART（串口通信）
• SPI / I2C（传感器通信）
• CAN（车载通信）
• USB / Ethernet
• ADC / DAC

常用传感器

• 陀螺仪 / 加速度计：MPU6050、LSM6DS
• 码盘：增量编码器
• 红外 / 超声波：避障
• LiDAR：RPLIDAR、Velodyne
• 相机：USB 相机、CSI 相机
• 深度相机：Intel RealSense、Azure Kinect、ZED

通信协议

写作与排版

• LaTeX：学术写作黄金标准
• Markdown：技术博客、README
• Inkscape：矢量图
• draw.io：流程图、架构图
• Mermaid：Markdown 图表

常用开发板

工具链

编译 / 构建

• CMake：跨平台构建
• catkin / colcon：ROS 构建
• Make / Ninja：Linux 经典
• PlatformIO：嵌入式跨平台

调试

• GDB：命令行调试
• VSCode + 插件：图形化调试
• OpenOCD / J-Link：JTAG 调试
• 串口助手：PuTTY、minicom、MobaXterm

版本控制

• Git：必备
• Git LFS：大文件
• DVC：数据版本控制

在线学习资源

课程

• Coursera：Robotics Specialization (UPenn)
• edX：MIT 6.832 机器人运动学
• 中国大学 MOOC：机器人学（中南大学）
• Bilibili（中文免费）：ROS 教程、古月居
• Udacity：Self-Driving Car Nanodegree

社区

• ROS Discourse：https://discourse.ros.org/
• ROS Answers：https://answers.ros.org/
• GitHub Awesome Robotics：https://github.com/jslee02/awesome-robotics
• 古月居（中文）：https://www.guyuehome.com/
• ROSClub（中文）
• 知乎机器人话题

论文 / 文献

• arXiv Robotics：https://arxiv.org/list/cs.RO/recent
• IEEE Robotics and Automation
• ICRA / IROS / RSS：顶会

实践项目路径

Level 1：单片机基础

1. Arduino 流水灯
2. STM32 GPIO / 定时器
3. UART 串口通信
4. PWM 控制舵机
5. I2C 读 MPU6050

Level 2：移动机器人

1. 4 轮小车驱动
2. 编码器测速
3. PID 巡线
4. IMU 姿态估计
5. ROS 集成

Level 3：自主导航

1. SLAM 建图（gmapping / cartographer）
2. 路径规划（move_base / nav2）
3. 自主避障
4. 多传感器融合（激光 + 视觉）
5. ROS2 迁移

Level 4：机械臂 / 无人机

1. 机械臂 DH 参数建模
2. 正逆运动学
3. MoveIt 运动规划
4. 视觉抓取
5. 多机协同

2017 vs 2024 视角：工具链 & STM32 库版本

本文写于 2017 年（ROS Kinetic、STM32 HAL 刚发布、FreeRTOS 还是 Richard Barry 一个人在维护）。7 年后（2024）回望，机器人开发栈已经发生显著变化。下面是当前可用的版本与替代方案。

1. ROS / ROS 2 版本对照（2024）

2024+ 新项目必须用 ROS 2 Humble 或 Jazzy。ROS 1 Noetic 还有 1 年寿命，不要再开新坑。

2. STM32 库版本（2024 视角）

本文 2017 写时 STM32 HAL 还很新。今天的状态：

实战建议（2024）：

• 新项目：CubeMX 生成 HAL 工程，IDE 用 STM32CubeIDE（免费）
• 性能关键路径：用 LL（Low-Layer）替代 HAL（开销小 10~30 倍）
• 电机控制 / 电源：用 HAL + LL 混编（启动用 HAL，高频中断用 LL）
• GUI：TouchGFX（替代 emWin）+ LTDC 控制器

ST 主流 MCU 系列（2024 现状）：

3. FreeRTOS 现状（2024）

• FreeRTOS 仍由 Amazon 维护（2017 年被 AWS 收购后持续投入）
• FreeRTOS Kernel V10 / V11：现代 API，支持 SMP（多核对称）
• FreeRTOS + TCP：自带 TCP/IP 协议栈（替代 lwIP 的轻量场景）
• Zephyr（Linux 基金会）：FreeRTOS 的强劲对手，2024 设备数已经超过 FreeRTOS
• NuttX：POSIX 兼容，PX4 / Sony Spresense 用它
• RT-Thread（国产）：国内嵌入式 RTOS 事实标准

选择建议：

• 单芯片低功耗 → FreeRTOS（成熟 + 文档多）
• 复杂产品 + 多协议 → Zephyr（蓝牙 / LoRa / CAN 全栈）
• 国产化 / 国内项目 → RT-Thread（本土生态、中文文档）
• 飞控 / 无人机 → PX4 + NuttX

4. ESP32 现状（2024）

• ESP32-S3（2022）：Xtensa LX7 双核 + AI 加速，主力
• ESP32-C3（2020）：RISC-V 单核，WiFi + BLE5
• ESP32-C6（2023）：WiFi 6 + BLE5 + 802.15.4（Thread/Zigbee）
• ESP32-H2（2023）：802.15.4 + BLE5，专攻 Thread/Zigbee
• ESP32-P4（2024 预告）：高性能双核 RISC-V
• ESP-IDF 5.x（2024）：基于 CMake + Ninja + idf.py，告别老旧 make
• Matter 协议（CSA 联盟）：智能家居统一标准，ESP32 全系支持

5. AI 训练 / 推理框架

6. 中国机器人大赛现状（2024）

• 原"全国大学生机器人大赛 Robocon"和"RoboMaster"仍然活跃
• RoboMaster 2024（机甲大师赛）：由大疆赞助，参赛队伍 300+ 高校
• RoboMaster 2024 高中组：新增高中组
• ICRA / IROS / RSS：仍是机器人顶会
• 国内新赛事：中国机器人及人工智能大赛、全国大学生智能车竞赛

7. 2024 学习路径建议

1. 基础：C / C++ / Python + ROS 2（Humble/Jazzy）
2. 嵌入式：STM32CubeMX + HAL/LL（替代老旧 StdPeriph）
3. 感知：OpenCV 4.x + PCL + ORB-SLAM3
4. 控制：ROS 2 Control + ros2_control + MoveIt 2
5. AI 入门：PyTorch 2.x + Hugging Face Transformers
6. 前沿：Octo / OpenVLA 具身基础模型 + Isaac Sim

8. 一句话总结

2017 年是 ROS Kinetic + StdPeriph + Caffe + 传统 PID 的时代； 2024 年是 ROS 2 Jazzy + HAL/LL + PyTorch + 具身基础模型 + 国产硬件白菜价 的时代。

入门门槛没变（数学 + 编程 + 动手），但工具栈完全换代了。

下一步

• 机器人核心技术与学习路径，看 2015-11-15《机器人核心技术与学习路径》
• 嵌入式开发，看对应 STM32 HAL / FreeRTOS 教程（注意：已从 StdPeriph 升级到 HAL/LL）
• ROS 2 实战，看 ROS 2 Humble 官方教程

参考资料

• ROS 官方：https://www.ros.org/
• ROS 2 Jazzy 官方：https://docs.ros.org/en/jazzy/
• STM32 HAL 文档：https://www.st.com/en/embedded-software/stm32cube-mcu-mpu-packages.html
• FreeRTOS 官方：https://www.freertos.org/
• Zephyr 官方：https://zephyrproject.org/
• RT-Thread 官方：https://www.rt-thread.org/
• NumPy 官方：https://numpy.org/
• OpenCV 官方：https://opencv.org/
• PyTorch 官方：https://pytorch.org/
• Awesome Robotics：https://github.com/jslee02/awesome-robotics