《机器人操作系统》教学大纲

《机器人操作系统》教学大纲课程编号：13230419英文名称：RobotOperatingSystem学分：3学时：总学时56学时，其中理论40学时，实践16学时先修课程：程序设计基础C、Python编程基础课程类别：专业主干必修课程授课对象：机器人工程专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第6学期一、课程描述和目标《机器人操作系统》课程是基于计算机和嵌入式技术，结合多种传感器和执行器，进行机器人系统设计、仿真和控制的理论实践相结合课程，是机器人专业学生的一门专业必修课程，是运用计算机编程、人工智能、嵌入式技术等多种学科知识进行机器人系统设计的一门重要课程。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：通过Ubuntu系统的安装和图形用户界面的使用、shell命令语句的学习，能够掌握用于机器人的UbuntuLinux系统的使用原理和方法。课程目标2：通过C++和Python语言程序设计基本知识的学习，掌握在Linux操作系统下机器人编程操作，能够对机器人工程系统的工程问题，开发相应软件模拟相关领域的专业问题，并能进行计算和设计。课程目标3：通过基于ROS编程的学习，掌握ROS工作空间和程序包的创建，能够对相关复杂工程问题进行分析其局限性。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重5.1了解机器人工程相关领域常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，并理解其技术参数与适用范围等局限性；课程目标1H5.2能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对机器人工程相关领域的复杂工程问题进行分析、计算与设计；课程目标2M5.3能够针对包含具体检测、控制对象在内的机器人工程系统工程问题，开发或选用满足特定需求的现代工具，模拟、预测机器人工程相关领域的专业问题，并能够分析其局限性。课程目标3L（注：要求课程目标与毕业要求指标点应是一一对应支撑）三、教学内容、基本要求与学时分配1．理论教学内容序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1用于机器人的UbuntuLinux基本要求：了解Ubuntu、掌握VirtualBox的下载和安装、虚拟机的创建、Ubuntu的安装、Ubuntu图形用户界面的使用。重点难点：shell命令的使用德育要求：立德树人4集中讲授课程目标1课程目标2课程目标32机器人编程的C++基础知识基本要求：了解C++编程语言、掌握GCCC和G++编译器的安装和使用、C++工程文件的建立、C++异常处理。重点难点：C++的类和对象德育要求：爱岗敬业8集中讲授课程目标1课程目标2课程目标33机器人编程的Python基础基本要求：了解Python编程语言、掌握Python的安装、Python代码的编写和执行、异常处理、Python基础知识。重点难点：Python变量、函数、循环德育要求：创新意识8集中讲授课程目标1课程目标2课程目标34ROS概述基本要求：了解什么是机器人编程、掌握ROS的安装、支持ROS的机器人和传感器、常用的ROS计算平台、ROS文件系统。重点难点：ROS的架构和概念德育要求：社会责任4集中讲授课程目标1课程目标2课程目标35基于ROS编程基本要求：了解什么是使用ROS编程、掌握ROS工作空间和程序包的创建、ROS客户端的使用。重点难点：ROS对嵌入式办卡编程德育要求：科学素养8集中讲授课程目标1课程目标2课程目标36基于ROS的机器人项目基本要求：了解轮式机器人，掌握使用URDF创建一个三维ROS模型、编写机器人固件程序。重点难点：差速驱动机器人的运动学德育要求：乐于奉献8集中讲授课程目标1课程目标2课程目标3合计402．实验教学内容序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1Ubuntu系统安装根据具体需求，完成虚拟机的安装，并在虚拟机中安装Ubuntu系统，掌握shell命令2演示、验证课程目标12工程文件建立根据具体需求，完成LinuxMakefile、CMake文件创建，在Ubuntu中安装PySerial4演示、验证课程目标23ROS编程根据具体需求，完成基于ROS的HelloWorld实例，使用ROS连接Arduino，并在树莓派上安装ROS4演示、设计课程目标14ROS机器人项目根据具体需求，完成机器人硬件组装，为机器人创建基于ROS的蓝牙驱动器，传送消息6演示、设计课程目标3合计16注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括演示、验证、综合、设计等。四、课程教学方法1.总体设计采用项目驱动的教学模式，虚实结合，将机器人操作系统相关项目设计贯穿于整个教学过程中，分析学生设计过程产生的错误，通过师生互动完成教学任务，激发学生的学习兴趣，增强对所学知识的理解和掌握。课堂教学方法：理论讲授、实践演示、项目讨论。实验教学方法：项目驱动、集中指导、自主练习、个别答疑。课外学习方法：预习教材相关章节。2.课堂教学课堂讲授：在课前预习的基础上，按知识模块，通过项目案例来演示和归纳主要知识点的应用，通过问题引导学生学习和讨论，不断强化学生对知识的理解。在讲授、讨论中，引导学生掌握分析、设计和调试的基本方法，使学生体验项目设计的过程，获得项目设计的成就感。课内小组讨论：围绕实际项目设计任务，引导学生进行设计、优化、完善和补充。3.实验教学在课外学习和作业实施的基础上，通过具体任务要求和集中实验，理解有关知识点，开展机器人操作系统的演示。4.课外学习课前预习：要求学生在课前按预习计划完成自主学习内容，即自学教材相关章节。课后作业：要求学生按时完成课后作业。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由课堂表现、平时作业、实验考核、期末考试组成，均按百分制计分，其中课堂表现成绩占10%、平时作业成绩占20%、实验成绩占20%、期末闭卷考试成绩占50%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1课堂表现424102平时作业686203实验考核1055204期末考试15152050课程目标对应分值353035100（二）考核与评价标准1.课堂表现考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分课堂表现课堂积极学习机器人操作系统相关知识点，回答问题主动性高，项目设计应用讨论参与度强。课堂较积极学习机器人操作系统相关知识点，回答问题主动性较高，项目设计应用讨论参与度较强。课堂学习机器人操作系统相关知识点的态度一般，回答问题主动性尚可，项目设计应用讨论参与度一般。课堂学习机器人操作系统相关知识点，不参与问题解答与项目设计应用讨论。2.平时作业考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分平时作业按时完成，90%以上的作业内容齐全，机器人操作系统相关基本知识点理解、掌握到位，设计方案合理。按时完成，70%以上的作业内容齐全，机器人操作系统相关基本知识点理解、掌握较到位，设计方案较合理。延时完成，60%以上的作业内容齐全，机器人操作系统相关基本知识点理解、掌握基本到位，设计方案基本合理。不交和补交，50%以上的作业内容齐全，机器人操作系统相关基本知识点理解、掌握有偏差，设计方案需改进。3.实验考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分实验考核机器人操作系统实验方案合理，设计方法正确，机器人功能演示完整，很好地完成了实验要求内容，实验报告格式规范，符合实验报告写作要求。机器人操作系统实验方案较合理，设计方法较正确，机器人功能演示较完整，较好地完成了实验要求内容，实验报告格式较规范，较符合实验报告写作要求。机器人操作系统实验方案与设计方法一般，机器人部分功能可以演示，实验要求内容完成度一般，实验报告格式基本符合实验报告写作要求。机器人操作系统实验方案与设计方法较差，机器人功能演示效果差，实验要求内容完成度差，实验报告格式不符合实验报告写作要求。4.期末试卷考核与评价标准根据课程目标及教学内容，设计期末考核试题，综合检验学生对课程相关知识的掌握、综合应用及解决复杂问题的能力，根据考试题目设计相应评分标准。