ROS机器人程序设计

ROS robot programming

课程编号

16300021

学分

3

开课学期

6

学时

讲课：32学时      实验：16 学时       实践：0学时

课程类型

专业选修课程

课程性质

限选

考核形式

考查

先修课程

《单片机技术理论与实验》、《电力拖动与运动控制》、《电力电子技术》、《大学物理》、《机械基础》

适用专业

机器人工程/智能制造

开课学院

电气与机器人化工程学院

建议教材

ROS机器人高效编程（第三版）

主要参考书

（1）蓝桥云课： ROS机器人操作系统初级教程

修订时期

2020年9月

版本

2020版

一、课程说明

本课程包含实际动手操作的示例，帮助学生快速入门开发机器人程序，并提供使用开源ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]库和工具的完整解决方案。本课程还介绍如何使用虚拟机和Docker容器来简化Ubuntu和ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]框架的安装，可以在隔离和可控的环境中开始工作，而无须更改常规的计算机设置。本课程首先介绍ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]的安装和基本概念，然后讲述ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]支持的更复杂的模块，如传感器和执行器集成模块（驱动程序）、导航和地图构建模块（创建自主移动机器人）、操作模块、计算机视觉模块、3D感知模块等。完成本课程后，将能够使用ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]的全部功能来设计和开发一个满足个性需求的功能齐全的机器人。

二、课程目标

1.了解机器人操作系统编程设计的基本方法。（对应毕业要求5.1：能够应用专业知识对机器人工程问题进行软硬件分析与设计。）

2. 能够使用机器人操作系统各组件进行系统集成设计。（对应毕业要求5.2：理解现代工程工具的特点，能够选择恰当的工具将其应用于元件选型、模块设计和系统集成等工程实践关键环节。）

3. 能够使用机器人操作系统如Gazebo进行相应项目开发和设计。（对应毕业要求5.3：能够运用适当的现代工程工具进行仿真，用于复杂工程问题的模拟与预测，并能够理解其局限性。）

4. 了解机器人操作系统发展动态和最新进展（对应毕业要求10.3：了解国际本行业发展动态，关注本专业国际热点问题。）

三、教学内容及基本要求

• 机器人操作系统知识和入门

   1．课程教学内容

机器人操作系统安装、虚拟机、Docker、嵌入式系统，本课程的内容、性质与任务。

   2．课程重点、难点

     机器人操作系统安装、虚拟机、Docker、嵌入式系统。

3．课程教学要求

了解本课程的性质、任务、内容和学习方法。了解ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]的基本构成、类型及主要参数，掌握ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]开发环境、程序设计基础。

• ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]架构及概念

   1．课程教学内容

机器人操作系统文件系统级、计算图级、社区级、创建功能包并实现功能等

   2．课程重点、难点

   机器人操作系统的核心概念和具体使用方法。

   3．课程教学要求

了解机器人操作系统内涵，熟悉机器人操作系统功能并能够编写对应功能的函数语句。

• 可视化和调试工具

  1．课程教学内容

调试ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]节点、日志消息、检测系统状态、设置动态参数、roswtf、可视化节点诊断、绘制标量数据图、图像可视化、3D可视化、保存与回放数据、插件

   2．课程重点、难点

    机器人操作系统的调试工具和各种可视化方法

   3．课程教学要求

     通过ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]可视化和调试工具学习，掌握其使用方法和编程方法。

• 3D建模与仿真

  1．课程教学内容

自定义机器人3D模型，创建一个URDF文件、xacro文件、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]仿真。

   2．课程重点、难点

机器人三维模型的构建。

   3．课程教学要求

   通过仿真模型搭建熟悉各模块连接方法和运行程序编写方法。

• 导航功能

   1．课程教学内容

创建变换、发布传感器消息、里程数据信息、创建基础控制器、创建地图，机器人配置、全局和局部代价地图、rviz详细配置、自适应蒙特卡洛定位，避障，目标发送。

   2．课程重点、难点

正确运用相关导航功能包进行机器人控制。

   3．课程教学要求

   了解导航功能包的工作原理；通过软件编程，掌握机器人的控制方法和控制程序编写方法。

• 使用MoveIt！

  1．课程教学内容

机械臂、体系结构、简单运动规划、抓取放置任务。

   2．课程重点、难点

正确连接机械臂编写运行程序。

   3．课程教学要求

   了解机械臂的控制方法和控制程序编写方法。

• ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]外设

  1．课程教学内容

使用游戏手柄、使用RGBD传感器，ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]摄像头驱动、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]与OpenCV库、标定摄像头、视觉里程计，点云库、可视化点云、滤波和缩减采样、配准与匹配、点云分区。

   2．课程重点、难点

正确外设编写运行程序。

   3．课程教学要求

   了解ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]外设的控制方法和相关程序编写方法。

四、课程学时分配

ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]机器人程序设计根据教学计划规定的学时数，理论课20学时，实验12学时，具体学时分配如下表，供参考。

教学内容概要	学时			教学方式	对应 课程目标
	讲课	实践	实验
1 ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]入门 机器人操作系统安装、虚拟机、Docker、嵌入式系统	4		2	讲授 实验
2 ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]架构及概念 机器人操作系统文件系统级、计算图级、社区级、创建功能包并实现功能等	4		2	讲授 实验
3 可视化和调试工具 调试ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]节点、日志消息、检测系统状态、设置动态参数、roswtf、可视化节点诊断、绘制标量数据图、图像可视化、3D可视化、保存与回放数据、插件	4		2	讲授 实验
4 3D建模与仿真 自定义机器人3D模型，创建一个URDF文件、xacro文件、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]仿真	4		2	讲授 实验
5 导航功能 创建变换、发布传感器消息、里程数据信息、创建基础控制器、创建地图，机器人配置、全局和局部代价地图、rviz详细配置、自适应蒙特卡洛定位，避障，目标发送	6		4	讲授 实验
6 使用MoveIt！ 机械臂、体系结构、简单运动规划、抓取放置任务	4		2	讲授 实验
7 ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]外设 使用游戏手柄、使用RGBD传感器，ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]摄像头驱动、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]与OpenCV库、标定摄像头、视觉里程计，点云库、可视化点云、滤波和缩减采样、配准与匹配、点云分区。	6		2	讲授 实验
合    计	32		16

五、其他教学环节

1. 实验项目与内容

                        实验项目与内容一览表

序号	实验项目名称	内容提要	实验学时	每组人数	实验类型	实验类别	实验要求
1	实验一、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]入门	机器人操作系统安装、虚拟机、Docker、嵌入式系统	2	2	验证性	专业基础	必修
2	实验二、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]架构及概念	机器人操作系统文件系统级、计算图级、社区级、创建功能包并实现功能等	2	2	验证性	专业基础	必修
3	实验三、可视化和调试工具	调试ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]节点、日志消息、检测系统状态、设置动态参数、roswtf、可视化节点诊断、绘制标量数据图、图像可视化、3D可视化、保存与回放数据、插件	2	2	验证性	专业基础	必修
4	实验四、3D建模与仿真	自定义机器人3D模型，创建一个URDF文件、xacro文件、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]仿真	2	2	验证性	专业基础	必修
5	实验五、导航功能	创建变换、发布传感器消息、里程数据信息、创建基础控制器、创建地图，机器人配置、全局和局部代价地图、rviz详细配置、自适应蒙特卡洛定位，避障，目标发送	4	2	验证型	专业	必修
6	实验六、使用MoveIt！	机械臂、体系结构、简单运动规划、抓取放置任务	2	2	验证型	专业	必修
7	实验七、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]外设	使用游戏手柄、使用RGBD传感器，ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]摄像头驱动、ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]与OpenCV库、标定摄像头、视觉里程计，点云库、可视化点云、滤波和缩减采样、配准与匹配、点云分区	2	2	验证型	专业	必修

2.说明

本课程实验是理论教学的辅助内容，本课程实验具有较强的实验性，是加强课程教学的必要环节。本课程实验的目的是让学生认识机器人相关硬件模块的基本原理、性能指标、控制方法以及基于ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]如何编程实现对其控制；提高学生分析、设计和操作的能力；培养实事求是、严谨的科学作风和良好的实验习惯，为从事机器人系统的分析设计及集成开发奠定基础。实验基本要求为：

（1）通过实验加深对智能机器人系统的基本概念、分析设计和控制方法的理解和掌握，提高综合运用所学知识解决问题的能力。

（2）掌握ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]编程环境和编程方法，能够对机器人传感器模块、运动模块、无线模块进行控制。

（3）能够综合运用所学知识设计机器人系统的控制器，结合相关模块和设备设计有一定功能的机器人。

六、教学管理

1.《ROS机器人程序设计》课程以项目化教学方式开展，项目难度由简到繁，将理论教学与实践教学相融合，边讲边做，边做边学。

2. 在本课程前学生须先修完《信号与系统分析》、《单片机技术理论与实践》、《电力拖动与运动控制》、《电力电子技术》等课程，掌握C语言编程能力和硬件电路设计方法，为《ROS机器人程序设计》课程的开展奠定基础。《ROS机器人程序设计》课程是将课堂教学与模拟工程项目实践结合的综合性应用课程，通过本课程的学习使学生掌握ROS1[KINETIC/MELODIC/NOETIC]机器人控制器的基本技术技能和工程应用，为后续的《机器人综合创新课程》以及未来职业发展打下良好基础。

3. 建议使用蓝桥云课，课程结构合理，突出了基础性、先进性和易读性。内容叙述力求深入浅出、层次分明。

七、考核方法

课程名称：ROS机器人程序设计        课程号：16300182

考核方式：考查

考核形式：平时成绩10%、实验成绩30%、期中考试10%、期末考查50%

1、考核说明

本课程的学生成绩由平时成绩、实验成绩、期中考试、期末考查成绩四部分组成，其中平时成绩占总成绩的10%，实验成绩占总成绩的30%、期中10%、期末考查成绩占总成绩的50%。具体考核环节和考核比例见下表。

考核环节	平时+期中（20%）		实验成绩 （30%）	期末考核 （50%）	合计
	平时测评	期中
考核比例	10%	10%	30%	50%	100%

实验项目（实际操作和实验报告）成绩考核标准

考核实验操作评分表		实验报告评分标准
操作表现	等级（分）	报告内容	得分
在规定时间的2/3时间内完成，独立完成操作，设备、工具和组件等ROS相关使用合理规范，环境整洁。	A（90-100）	1.报告主要内容（满分90分）	（1）实验目的和要求（10分）：遗漏1个实验目的和要求扣5分。 （2）实验器材（5分）：按撰写完备情况给分，若此项空缺按零分计算。 （3）实验原理和方法（25分）： ①实验原理和方法描述完整，无错误与遗漏之处。（25分） ②实验原理和方法描述基本完整、正确，存在个别遗漏之处或错误的地方。（20-24分） ③实验原理和方法描述较为完整、正确，存在少数遗漏之处或错误的地方。（15-19分） ④实验原理和方法描述不完整、正确，存在较多遗漏之处或错误的地方。（<15分） （4）实验数据和结果（50分） ①实验数据和结果介绍完整，分析到位，无错误与遗漏之处。（50分） ②实验数据和结果介绍基本完整、正确，分析较为到位，存在个别遗漏之处或错误的地方。（40-49分） ③实验数据和结果分析较为完整、正确，分析较为到位，存在少数遗漏之处或错误的地方。（25-39分） ④实验数据和结果分析不完整、正确，分析不到位，存在较多遗漏之处或错误的地方。（<25分）
在规定时间内完成，最多经一次个别指导完成操作，设备、工具和组件等ROS相关使用基本合理规范，环境整洁。	B（80-89）	2. 思考分析（满分10分）	①无思考分析题或实验心得体会，扣10分； ②主要内容分析不到位，扣5分； ③主要内容分析正确，但不全面，扣5分； ④字迹潦草扣5分；
在规定时间内完成，经多次个别指导完成操作，设备、工具和组件等ROS相关使用基本合理规范，环境整洁。	C（70-79）	实验报告合计得分	①报告主要内容项得分与思考分析项得分之和，为实验报告合计得分； ②无实验数据记录，或实验数据作假，实验报告合计得分为零分。
在规定时间内完成，经多次个别指导完成操作，设备、工具、元件和环境整理不到位。	D（60-69）
在规定时间内未完成操作。	E（＜60）

考核说明：《课程考核方案一览表》表达的对应关系，能够证明学生通过本课程考核成绩合格，即可达到课程目标的要求。

2、课程目标考核方案一览表

考核说明：《课程目标考核方案一览表》表达的对应关系，能够证明学生通过本课程考核成绩合格，即可达到课程目标的要求。

课程目标考核方案一览表

课程支撑的毕业要求序号	课程目标序号	考核内容	考核形式	考核原始材料（说明：试卷、作业、实验报告、技术报告、过程记录、实习总结等，纸质或电子）
5.1	课程目标1	了解机器人操作系统编程设计的基本方法	课堂任务	作业
5.2	课程目标2	能够使用机器人操作系统各组件进行系统集成设计。	实验+试卷	实验报告+试卷
5.3	课程目标3	能够使用机器人操作系统进行相应项目开发和设计	实验+试卷	实验报告+试卷
10.3	课程目标4	了解机器人操作系统发展动态和最新进展	课堂讨论	作业