《机器人操作系统》教学大纲

《机器人操作系统》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22140031课程性质：专业必修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：C程序设计B、模拟电子技术C、机器人工程学、机器人检测技术与传感器等后续课程：毕业实习、毕业设计适用专业：机器人工程专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《机器人操作系统》是机器人工程专业必修的一门专业必修课。本课程主要传授类似于操作系统所提供的功能，包含硬件抽象描述、设备管理与控制、通用功能实现、程序间的消息传递、以及获取、建立、编写和运行机器人程序等。本课程对于开阔学生视野、使学生了解本专业的发展前沿具有重要的地位和作用。通过本课程的学习，学生能掌握一定的科学研究方法与技能，并为从事智能机器人技术研发、系统集成及领域应用的技术人员打下一定基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握智能机器人的定义、组成及系统构建,掌握Linux系统的基础操作方法；掌握ROS的安装方法；掌握一种ROS的编程语言（C++或python）。课程目标2：掌握ROS总体框架和理论要点，掌握ROS的通信机制、常用组件和进阶功能；掌握基于ROS的智能机器人系统设计与仿真方法，培养学生的科学思维能力、分析计算能力、科学归纳能力、运用ROS分析和解决工程实际问题的能力。课程目标3：掌握信息与自动控制技术、计算机硬软件及算法设计应用知识和机器人系统设计、开发和应用技能，在机器人工程及系统应用领域具有专业特长和创新实践能力的综合型工程技术人才。培养学生的科学思维、创新意识与学术素养；团队协作意识、大胆探索、勇于创新的精神；知行合一、勇于实践的奋斗者精神；具有爱国情怀，把知识用于社会主义现代化建设的伟大实践中，加速我国从制造大国向智造强国转变的进程。三、课程目标与毕业要求《机器人操作系统》课程教学目标对机器人工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度2.问题分析2.2应用数学、物理等方法和专业知识，能够对机器人工程领域复杂工程问题进行建模。课程目标3：掌握信息与自动控制技术、计算机硬软件及算法设计应用知识和机器人系统设计、开发和应用技能，在机器人工程及系统应用领域具有专业特长和创新实践能力的综合型工程技术人才。培养学生的科学思维、创新意识与学术素养；团队协作意识、大胆探索、勇于创新的精神；知行合一、勇于实践的奋斗者精神；具有爱国情怀，把知识用于社会主义现代化建设的伟大实践中，加速我国从制造大国向智造强国转变的进程。M3.设计/开发解决方案3.1能够针对机器人工程领域的复杂工程问题提出网络化、智能解决方案。课程目标2：掌握ROS总体框架和理论要点，掌握ROS的通信机制、常用组件和进阶功能；掌握基于ROS的智能机器人系统设计与仿真方法，培养学生的科学思维能力、分析计算能力、科学归纳能力、运用ROS分析和解决工程实际问题的能力。H5.使用现代工具5.2能够运用MATLAB、Proteus、PLC、ROS等工具对机器人领域的复杂工程问题进行设计、开发和仿真分析，并理解其局限性。课程目标1：掌握智能机器人的定义、组成及系统构建,掌握Linux系统的基础操作方法；掌握ROS的安装方法；掌握一种ROS的编程语言（C++或python）。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.ROS准备工作1.1智能机器人定义、组成及系统构建1.2为什么要学习ROS1.3Linux系统介绍、安装与基础操作1.4Linux环境下安装ROS系统。教学要求：使学生理解学习ROS的必要性，掌握学习该课程的方法；掌握智能机器人的定义、组成及系统构建；掌握Linux系统的基础操作方法；掌握ROS的安装方法；掌握一种ROS的编程语言（C++或python）。重点：智能机器人的定义、组成及系统构建；Linux系统的基础操作和ROS系统安装。难点：Linux系统的基础操作和ROS系统安装。412.ROS的体系架构及编程2.1ROS架构设计2.2ROS通信机制2.3ROS中的常用组件教学要求：使学生掌握ROS的文件系统；掌握ROS的话题通信机制；掌握ROS的服务通信机制；掌握ROS的参数通信机制；掌握ROS的工作空间和功能包的创建方法；掌握话题中的Publisher与Subscriber实现；掌握服务中的Server和Client实现；掌握Qt工具箱、rviz三维可视化平台、Gazebo仿真环境和rosbag数据记录与回放的使用方法；掌握launch启动文件的编程方法。重点：ROS的通信机制；话题中的Publisher与Subscriber实现；launch启动文件的编程。难点：ROS的通信机制；话题中的Publisher与Subscriber实现；launch启动文件的编程。8423.ROS中的常用组件3.1launch启动文件3.2TF坐标变换3.3Qt工具箱3.4rviz三维可视化平台3.5Gazebo仿真环境3.6rosbag数据记录与回放教学要求：使学生掌握launch启动文件的编程；理解并掌握Qt工具箱、rviz三维可视化平台、Gazebo仿真环境和rosbag数据记录与回放的使用方法。重点：launch启动文件的编程。难点：launch启动文件的编程42、34.机器人建模与仿真4.1统一机器人描述格式--URDF4.2创建改进的URDF模型4.3ros_control框架4.4Gazebo虚拟仿真教学要求：使学生掌握创建机器人URDF模型的方法；掌握改进URDF模型的方法；掌握Gazebo仿真环境添加URDF模型的方法；掌握Gazebo环境下机器人的功能仿真，如SLAM导航。重点：Gazebo仿真环境添加URDF模型的方法；Gazebo环境下机器人的功能仿真。难点：Gazebo仿真环境添加URDF模型的方法。842、3合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.ROS系统安装与环境配置实验内容：ROS消息发布与接收；ROS服务的请求与响应；ROS动作库的请求与响应。实验要求：掌握ROS的文件系统；掌握ROS的话题通信机制；掌握ROS的服务通信机制；掌握ROS的参数通信机制；掌握ROS的工作空间和功能包的创建方法；掌握话题中的Publisher与Subscriber实现；掌握服务中的Server和Client实现。212.ROS通信机制实验内容：ROS消息发布与接收；ROS服务的请求与响应；ROS动作库的请求与响应。实验要求：掌握ROS的文件系统；掌握ROS的话题通信机制；掌握ROS的服务通信机制；掌握ROS的参数通信机制；掌握ROS的工作空间和功能包的创建方法；掌握话题中的Publisher与Subscriber实现；掌握服务中的Server和Client实现。21，23.移动机器人URDF建模及改进URDF模型实验内容：创建移动机器人URDF模型、Xacro模型并应用。实验要求：理解并掌握URDF、Xacro、和Rviz在ROS中的作用。掌握URDF、Xacro语法工作原理及编程配置方法。掌握利用URDF构建机器人模型和在Rviz运行。21，24.移动机器人Gazebo仿真实验内容：学习ros_control框架；学习移动机器人Gazebo仿真。实验要求：掌握机器人ros_control框架及配置；掌握移动机器人Gazebo环境下摄像头、Kinect、激光雷达仿真。22，3合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学和案例教学等，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练；安排实操课，巩固课堂所学知识；提供灵活的自主学习平台。实验教学着重讲授如何用科学的手段来完成理论的验证；如何组织实验、处理数据和分析实验现象；介绍常用设备的原理、构造和使用维护方法以及综合实验内容的思路和方案设计等。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：（1）何苗.《机器人操作系统基础》[M].北京:机械工业出版社，2022年．2.参考书：（1）赵建伟.《机器人系统设计及其应用技术》[M].北京:清华大学出版社,2017年.（2）高翔.《视觉SLAM十四讲从理论到实践》[M].北京:电子工业出版社,2017年.（3）兰廷•约瑟夫（曾庆喜，朱德龙）.《机器人操作系统（ROS）入门必备》[M].北京:机械工业出版社,2020年.（4）MARTINEZA,FERNANDEZEE.LearningROSforroboticsprogramming[M].Britain:Birmingham:PacktPublishing，2013年.（5）胡春旭.《ROS机器人开发实践》[M].机械工业出版社,2018年．3.期刊：（1）ESTEFOP,SIMMONDSJ,ROBBESR,etal.Therobotoperatingsystem:Packagereuseandcommunitydynamics[J].JournalofSystemsandSoftware,2019,151(1):226-242.（2）CUANW,CHENS,WENS,etal,High-accuracyrobotindoorlocalizationschemebasedonrobotoperatingsystemusingvisiblelightpositioning[J].IEEEPhotonicsJournal,2020,12(2):1-16.（3）TSOLAKISN,BECHTSISD,BOCHTISD.AgROS:Arobotoperatingsystembasedemulationtoolforagriculturalrobotics[J].Agronomy,2019,9(7):403-423.（4）JIANGZ,GONGY,ZHAIJ,etal.Messagepassingoptimizationinrobotoperatingsystem[J].Inter8tionalJournalofParallelProgramming,2020,8(1):119-136.（5）宫志强徐世许王鹏程.基于ROS的巡检机器人系统设计与研究[ J].自动化与仪表.2022,37(04).4.网络资源：（1）古月居.ROS探索总结[EB/0L].https://blog.csdn.net/hcx25909/category9261493.html.（2）cn-ROSWiki./cn.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442实验15（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√15作业15（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√663期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核智能机器人的定义、组成及系统构建,Linux系统的基础操作方法；ROS总体框架和理论要点，ROS的通信机制、常用组件和进阶功能基于ROS的智能机器人系统设计与仿真方法等内容。（3）考试题型为：选择题、填空题、判断题、简答题和分析题等。√√√252510合计：100分355015八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为选择题、填空题、判断题、简答题和分析题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩