東南大學于2016年開設了全國首個機器人工程本科專業(yè)。該專業(yè)建設之初，筆者在開展機器人感知方向科研工作的同時一直在思考，如何培養(yǎng)機器人專業(yè)人才，特別是如何高質量、高效率地培養(yǎng)機器人感知方向的專業(yè)人才。依據(jù)江蘇省高等學校重點教材項目的要求，筆者結合多年科研和一線教學實踐經(jīng)驗，以及對專業(yè)特點與技術變革的思考，探索并嘗試編寫了本教材。
機器人是科技發(fā)展的重要結晶，是人在改造世界過程中的產物。人對智能機器的幻想與癡迷由來已久，中國著名古籍《列子·湯問》中就曾記載偃師造人的傳說，這或許是人最早對自動機器與環(huán)境（音律環(huán)境）和諧關系、人機共融情景的憧憬。在如此憧憬下，人們經(jīng)過長期孜孜不倦的研究，終于在20世紀60年代開發(fā)出了最早的智能機器人。隨后，智能機器人滲透到生活、生產等越來越多的領域，帶來了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。2021年我國工業(yè)和信息化部等15個部門發(fā)布的《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》進一步推動了智能機器人產業(yè)的高質量發(fā)展，“機器人+”的行業(yè)應用模式將成為經(jīng)濟發(fā)展新動能，催生經(jīng)濟新格局。這也對筆者所從事的機器人感知領域的研究和教學工作提出了新的挑戰(zhàn)。
我們知道，人生活在五彩斑斕的世界中，時時刻刻都在感知周圍的環(huán)境并與其進行交互，人對環(huán)境的感知是人行為的基礎。人研究智能機器人的目的是讓機器人具有類人智能，將人的智能賦予機器人。在此進程中，賦予機器人智能環(huán)境感知能力是重要一環(huán)，對機器人的自主性、智能性、社會性提升均具有重要意義。機器人通過自身攜帶的傳感器（如GPS、IMU、視覺、激光雷達、超聲波等），或者智能空間中的傳感器，來獲取周圍的靜態(tài)物理環(huán)境、動態(tài)目標等傳感數(shù)據(jù)；然后，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理形成有用信息，進而實現(xiàn)環(huán)境的重構，完成對周圍環(huán)境的客觀表達；最后，再形成機器人本體內的“主觀”理解。更進一步，機器人在對自然環(huán)境感知的基礎上，針對復雜的社會環(huán)境，也可以像人一樣感知，具備了較高的社會感知和智能能力。當機器人具備一定社會感知能力后，也就具有了社交能力。
如今，隨處可見各種機器人在運行，它們時刻對所處環(huán)境進行著感知。如：在馬路上行駛的無人駕駛汽車，對路面、車道線、障礙物、行人、其他車輛等進行實時感知；服務機器人在從一個位置移動到另一個位置的過程中，對環(huán)境地圖、服務目標、操作對象、場所語義等進行感知；無人自主潛水器在水下航行時，自主進行探測、建圖與導航；無人機或無人機群置空后，對任務目標、環(huán)境對象、任務態(tài)勢進行捕獲與感知……然而，我們也應當清醒地認識到，機器人目前的感知能力仍遠達不到人們期望的水平。一個現(xiàn)實的例子是現(xiàn)在還沒有一輛汽車可以達到L5級別的自動駕駛，甚至L4級別的自動駕駛也很難完成。因此，研究人員和相關工程技術人員還需再接再厲，在相關領域持續(xù)發(fā)揮才智，培養(yǎng)該領域后繼人才成為當下的迫切需求。
機器人感知技術作為機器人技術的一個基礎分支，受到多個行業(yè)、領域的重點關注。然而目前熟練掌握該方向技術的專業(yè)人員尚鳳毛麟角，專業(yè)用人荒與就業(yè)難的自相矛盾在該領域也逐漸顯現(xiàn)。企業(yè)所需要的機器人感知技術研發(fā)人員，不僅要有扎實的理論基礎、廣泛的知識面，更要有豐富的動手實踐經(jīng)驗。由此，對機器人感知技術專業(yè)人才的培養(yǎng)方案，不僅要貼近前沿需求和“實戰(zhàn)”要求，同時也要涵蓋理論和技術前沿，并且易于初學者上手。
本書是筆者在多年的科研與教學實踐基礎上，參考相關領域優(yōu)秀成果編寫而成的，內容力求做到由淺入深、循序漸進、條理清晰，既強調了基本原理和工程應用，又反映了國內外研究和應用的最新進展，具有系統(tǒng)性、實用性、前沿性和易讀性。
1）系統(tǒng)性。相關理論脈絡清晰，全面梳理從度量層到語義層、從靜態(tài)對象到動態(tài)對象以及多種模態(tài)信息下的機器人感知技術，此外對常用的數(shù)學工具做了系統(tǒng)性歸納。
2）實用性。根據(jù)機器人系統(tǒng)應用需求，對應用中使用的大量經(jīng)典方法進行了詳細闡述，并在實驗部分對部分重要方法給出了實現(xiàn)過程，希望讀者通過本書的學習能掌握這些實用方法，快速投入“實戰(zhàn)”。
3）前沿性。展現(xiàn)國際上最新的研究成果，反映機器人感知領域的最先進水平。
4）易讀性。文字表述力求通俗易懂。在內容安排上力求由淺入深，循序漸進。
本書共7章并附相關的實驗指導。
第1章介紹機器人環(huán)境感知技術的有關概念和現(xiàn)狀，并對相關研究類別的特點進行了討論。
第2章介紹在機器人感知系統(tǒng)設計過程中主要使用的數(shù)學工具，包括線性代數(shù)、求導法則、優(yōu)化算法、解析幾何、概率等。
第3章從自主移動機器人攜帶的常用環(huán)境感知傳感器入手，介紹了傳感器感知方式和方法，以及從度量層面對傳感器信息進行分析的方法。
第4章主要從靜態(tài)對象感知角度出發(fā)，介紹用于靜態(tài)對象的自主感知技術，主要包括目標的檢測和識別，所用到的對象信息有二維信息、三維信息和觸覺信息。
第5章主要從動態(tài)對象感知角度出發(fā)，介紹一般動態(tài)障礙物的檢測方法以及對動態(tài)人臉和人體的檢測與跟蹤方法。
第6章介紹幾種語義級別的環(huán)境描述和理解方法。
第7章面