《機器人SLAM技術及其ROS系統(tǒng)應用》-徐本連 教案大綱

機器人SLAM技術及其ROS系統(tǒng)應用課程編號學分3開課學期7學時講課：32學時實驗：16學時實踐：0學時課程類型專業(yè)必修課程課程性質限選考核形式考試先修課程《控制器編程基礎（C語言）》《單片機技術理論與實踐（C語言）》、《電力拖動與運動控制》、《電力電子技術》、《大學物理》、《機械基礎》適用專業(yè)機器人工程等開課學院建議教材機器人SLAM技術及其ROS系統(tǒng)應用，徐本連、魯明麗等.機械工業(yè)出版社,2024年主要參考書1雷祁.基于ROS機器人的智能物流系統(tǒng)設計[D].長安大學.制定人審定人批準人修訂時期版本

一、課程說明《機器人SLAM技術及其ROS系統(tǒng)應用》課程是一門以ROS系統(tǒng)作為平臺，以Turtlebot機器人為載體，實現(xiàn)相應的SLAM算法，以求理論與實際相結合，緊跟當前的程序設計課程，包括ROS的基礎知識、ROS的多機通訊、ROS的消息傳遞、ROS的節(jié)點、ROS的服務、ROS的SLAM等內容。該課程旨在幫助學習者掌握ROS機器人程序設計的基本原理和實踐技能。課程包含實際動手操作的示例，幫助學生快速入門開發(fā)機器人程序。本課程還介紹如何在Turtlebot機器人上實現(xiàn)SLAM算法，分別介紹了基于特征估計的激光SLAM技術以及基于視覺的SLAM技術。本課程首先介紹SLAM的基本定義、分類及其數(shù)學模型，對ROS系統(tǒng)進行簡要描述，分析在ROS系統(tǒng)下基于激光特征點的SLAM技術和基于視覺的SLAM技術的特點，然后詳細分析一些典型的基于矢量的SLAM算法和基于隨機有限集的SLAM算法的基本原理及其實現(xiàn)，給出ROS系統(tǒng)的詳細安裝步驟以及部分常用的ROS系統(tǒng)基本操作命令，并以Turtebot機器人為載體進行基礎功能包的安裝和測試，最后介紹用于SLAM的ROS相關工具及其使用，以及基于激光雷達算法的原理，基于視覺的算法的工作原理及其實現(xiàn)步驟，并在機器人Turlebot上對這些算法進行功能實現(xiàn)。同時介紹多機器人視覺SLAM系統(tǒng)和地圖融合實現(xiàn)過程。完成本課程后，將能夠使用基于ROSMelodic的Turtlebot機器人進行SLAM算法的實現(xiàn)。二、課程教學目標（一）立德樹人通過課程學習機器人SLAM理論和技術,對機器人SLAM相關知識有一個全面了解。通過對基于ROS系統(tǒng)的講解和有關理論及技術建立過程,了解前輩們在基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術發(fā)展過程中如何思考,如何克服所遇到的障礙,幫助學生建立科學的思維方法以及工作中勇于面對挑戰(zhàn)的精神。從機器人SLAM學科對我國創(chuàng)新驅動發(fā)展作用的角度出發(fā),以杰出貢獻者研究工作為載體,把社會主義核心價值觀教育融入課程教學內容和教學全過程各環(huán)節(jié),突出價值引領、知識傳授和能力培養(yǎng),幫助學生正確認識歷史規(guī)律、準確把握基本國情、掌握科學的世界觀、方法論,促進樹立正確的世界觀和價值觀。在課程講授過程中主要包括以下五個方面：強調人工智能和機器人技術的社會責任。在機器人程序設計課程中，應該加強對于人工智能和機器人技術的社會責任教育。學生應該了解機器人技術對于社會、經濟、環(huán)境等方面的影響，并且學會如何負責任地使用機器人技術。培養(yǎng)團隊合作意識和職業(yè)道德。在機器人程序設計課程中，應該注重培養(yǎng)學生的團隊合作意識和職業(yè)道德。學生應該了解到團隊合作的重要性，并且學會如何與團隊成員合作，如何遵守職業(yè)道德規(guī)范。強調創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神。在機器人程序設計課程中，應該強調創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神。學生應該了解到創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)對于個人和社會的重要性，并且學會如何進行創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)。培養(yǎng)學生的批判思維能力。在機器人程序設計課程中，應該注重培養(yǎng)學生的批判思維能力。學生應該學會如何批判性地思考問題，如何評估技術方案的可行性和風險。加強國家意識和文化自信。在機器人程序設計課程中，應該加強國家意識和文化自信教育。學生應該了解到國家的發(fā)展戰(zhàn)略和政策，了解到中國特色社會主義的基本理論和實踐，培養(yǎng)對于自己國家的認同感和自信心。（二）課程目標課程目標1.培養(yǎng)學生對基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術程序設計的理解和實踐能力，通過學習基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術的基本概念、架構和功能，掌握基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術程序設計的方法和技巧，能夠獨立完成ROS程序設計和調試。課程目標2.理解ROS機器人現(xiàn)代儀器儀表的工作原理和使用方法，能夠選擇與使用適合的儀器儀表進行測試和測量。熟練掌握系統(tǒng)仿真與設計軟件的使用，能夠進行系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化設計。掌握信息技術工具的使用，包括程序設計語言、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡等，能夠開發(fā)和維護復雜的機器人控制系統(tǒng)。理解各種工具和軟件的局限性，能夠根據(jù)應用場景選擇合適的工具和軟件。能夠進行實際項目的設計、開發(fā)和測試，具備解決實際問題的能力。提高學生的團隊合作和溝通能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。培養(yǎng)學生的自學能力和持續(xù)學習意識，能夠不斷跟進新的技術和工具的發(fā)展。課程目標3.能夠運用適當?shù)默F(xiàn)代工程工具進行ROS機器人程序的仿真，并能夠用于工業(yè)機器人系統(tǒng)集成復雜工程問題的模擬分析與預測。能夠理解ROS機器人程序設計的局限性，包括物理模型、傳感器模型、控制模型等方面的限制，并能夠應對這些局限性。能夠掌握ROS機器人程序設計的最佳實踐，包括代碼規(guī)范、測試、文檔等方面的最佳實踐。課程目標4.隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人已經成為現(xiàn)代工業(yè)生產的重要組成部分。ROS（RobotOperatingSystem）是一種開源的機器人操作系統(tǒng)，它為機器人程序設計提供了強大的工具和框架，使得機器人的開發(fā)和運行更加高效和可靠。三、教學內容及基本要求機器人操作系統(tǒng)知識和入門1．課程教學內容機器人操作系統(tǒng)安裝、SLAM技術、Turtlebot機器人，本課程的內容、性質與任務。此外，還有許多基于ROS機器人的SLAM技術教程和示例可供學習和參考。2．課程重點、難點ROS機器人操作系統(tǒng)安裝、基于ROS系統(tǒng)的機器人SLAM技術、Turtlebot機器人。入門重點包括機器人操作系統(tǒng)的基本概念、ROS的安裝和配置、ROS的節(jié)點使用、ROS的通信機制等。難點包括Turtlebot機器人的底盤與傳感器測試、Turtlebot機器人上SLAM算法的實現(xiàn)等。3．課程教學要求了解本課程的性質、任務、內容和學習方法。了解SLAM算法的基礎與實現(xiàn)，了解ROS的基本構成、類型及主要參數(shù)，掌握ROS開發(fā)環(huán)境、程序設計基礎。入門ROS需要掌握Linux操作系統(tǒng)、機器人運動學、傳感器數(shù)據(jù)處理等知識。入門SLAM技術需搖了解SLAM算法的原理、SLAM算法的分類等知識，此外，還需要了解ROS的基本概念和架構，如節(jié)點、話題、服務等。如果不具備上述基礎，可以通過ROS官方網(wǎng)站提供的教程和文檔進行補充學習。4.課程教學方式整合思維研究、探究式學習、融合學習、基于問題的教學等。ROS架構及概念1．課程教學內容機器人操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)級、計算圖級、社區(qū)級、創(chuàng)建功能包并實現(xiàn)功能等。ROS的核心概念包括節(jié)點、話題、服務和參數(shù)服務器等。節(jié)點是ROS中最基本的單元，它可以是一個傳感器、一個執(zhí)行器或者一個算法。話題是節(jié)點之間進行通信的一種方式，它可以是一個消息的發(fā)布者或者訂閱者。服務是一種節(jié)點之間進行請求和響應的方式，它可以是一個服務的提供者或者服務的請求者。參數(shù)服務器是ROS中用于存儲參數(shù)的一個中心化的服務器。2．課程重點、難點機器人操作系統(tǒng)的核心概念和具體使用方法。ROS的概念重點包括節(jié)點、話題、服務和參數(shù)等，其中節(jié)點是ROS的基本組成單位，話題用于節(jié)點之間的通信，服務用于節(jié)點之間的請求和響應，參數(shù)用于存儲節(jié)點的配置信息。ROS的難點在于其分布式架構和異步通信機制，需要開發(fā)者具備一定的分布式系統(tǒng)和并發(fā)編程的知識。3．課程教學要求了解機器人操作系統(tǒng)內涵，熟悉機器人操作系統(tǒng)功能并能夠編寫對應功能的函數(shù)語句。具體要根據(jù)不同的應用場景和學習目標來確定。一般來說，需要掌握ROS的基本概念和使用方法，了解ROS的常用工具和庫，能夠使用ROS構建簡單的機器人應用程序。同時，還需要具備一定的編程能力和機器人相關的知識。4.課程教學方式整合思維研究、探究式學習、融合學習、基于問題的教學等?；赗OS系統(tǒng)的SLAM技術1．課程教學內容讓學生學會安裝ROS系統(tǒng)并掌握ROS系統(tǒng)的基本操作；熟悉TurtleBot機器人平臺；了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源算法。2．課程重點、難點ROS系統(tǒng)的一些基本操作和命令?；赗OS系統(tǒng)的TurtleBot機器人的實踐，如何安裝調試Turtlebot?；诩す饫走_的SLAM算法和基于視覺的SLAM算法。3．課程教學要求通過安裝Ubuntu系統(tǒng)以及ROS系統(tǒng)掌握ROS系統(tǒng)的使用。掌握ROS系統(tǒng)的基本操作，如功能包的創(chuàng)建編譯、節(jié)點的使用等，熟悉Turtlebot的安裝和配置，了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源方案。4.課程教學方式整合思維研究、探究式學習、融合學習、基于問題的教學等。可視化和調試工具1．課程教學內容調試ROS節(jié)點、日志消息、檢測系統(tǒng)狀態(tài)、設置動態(tài)參數(shù)、roswtf、可視化節(jié)點診斷、繪制標量數(shù)據(jù)圖、圖像可視化、3D可視化、保存與回放數(shù)據(jù)、插件。ROS可視化和調試工具教學內容包括RViz、rqt、rosbag等工具的使用方法和應用場景，可以通過ROS官方文檔、ROSWiki、ROS教程等資源進行學習。同時，也可以參考一些開源項目的代碼和文檔，如ROS機器人操作系統(tǒng)實踐指南、ROS機器人程序設計等。2．課程重點、難點機器人操作系統(tǒng)的調試工具和各種可視化方法。ROS可視化和調試工具的重點是提供一個直觀的界面，讓用戶可以方便地觀察和調試機器人的運行狀態(tài)。難點在于如何設計一個簡單易用、功能齊全的工具，同時保證其穩(wěn)定性和可靠性。3．課程教學要求通過ROS可視化和調試工具學習，掌握其使用方法和編程方法。ROS可視化和調試工具教學要求包括但不限于：掌握ROS中的可視化工具RViz和rqt，了解ROS中的調試工具rosdebug和roslaunch，熟悉ROS中的消息傳遞機制和參數(shù)服務器等。同時，還需要具備一定的編程能力和ROS基礎知識。4.課程教學方式整合思維研究、探究式學習、融合學習、基于問題的教學等。基于特征估計的激光SLAM技術1．課程教學內容學習激光雷達傳感器的基礎知識。還包括Turtlebot在ROS系統(tǒng)可視化工具RViz和Gazebo中的顯示仿真。學習基于激光的Gmapping算法、HectorSLAM算法、cartographer算法。2．課程重點、難點正確運用激光雷達進行機器人周圍環(huán)境的仿真顯示。了解三種基于激光的SLAM算法原理及其在ROS平臺下的實現(xiàn)。3．課程教學要求了解激光雷達工作原理；掌握turtlebot機器人在可視化軟件中雷達的顯示。理解三種激光算法的實現(xiàn)原理，能夠利用算法構建周圍的環(huán)境地圖。學習者需要掌握ROS的基本概念和使用方法，以及相關的算法和工具。此外，還需要具備一定的編程能力和實踐經驗。4.課程教學方式整合思維研究、探究式學習、融合學習、基于問題的教學等?；谝曈X的SLAM技術1．課程教學內容讓學生了解視覺SLAM的主要流程及常見視覺傳感器；掌握實現(xiàn)特征點法視覺里程計的步驟；了解直接法視覺里程計的基本原理；了解基于圖優(yōu)化的后端優(yōu)化方法；了解回環(huán)檢測的基本方法；掌握MonoSLAM、ORB-SLAM2算法的基本原理及實現(xiàn)；掌握多機器人視覺SLAM的基本原理。2．課程重點、難點理解經典視覺SLAM框架以及視覺SLAM流程的主要步驟，特征點法視覺里程計的一般性原理，直接法視覺里程計的基本原理，基于圖優(yōu)化的后端優(yōu)化方法的一般性原理，回環(huán)檢測的一般性原理，能夠理解MonoSLAM算法的一般性原理及其實現(xiàn)。能夠理解ORB-SLAM2算法的一般性原理及其實現(xiàn)。以及多機器人視覺SLAM的一般性原理及其實現(xiàn)。3．課程教學要求能夠掌握視覺SLAM算法的原理以及實現(xiàn)方法，能夠理解MonoSLAM以及ORB-SLAM2算法的原理及其在ROS系統(tǒng)中的實現(xiàn)，能夠構建周圍環(huán)境地圖。掌握多奇跡人SLAM的基本原理4.課程教學方式整合思維研究、探究式學習、融合學習、基于問題的教學等。四、課程學時分配機器人SLAM技術及其ROS系統(tǒng)應用根據(jù)教學計劃規(guī)定的學時數(shù)，理論課32學時，實驗16學時，通常，機器人SLAM技術及其ROS系統(tǒng)應用課程的學時分配是根據(jù)具體的課程安排和教學目標來確定的。一般來說，這個課程需要涉及到機器人控制、ROS框架的使用、機器人SLAM技術等方面的知識，因此需要一定的學時來進行教學和實踐。具體的學時分配可以根據(jù)課程的難度和深度來確定。初級難度和深度具體學時分配如下表，供參考。教學內容概要學時教學方式對應課程目標講課實踐實驗1ROS入門機器人操作系統(tǒng)安裝、SLAM技術、Turtlebot機器人42講授實驗2ROS架構及概念機器人操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)級、計算圖級、社區(qū)級、創(chuàng)建功能包并實現(xiàn)功能等42講授實驗3基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術安裝ROS系統(tǒng)并掌握ROS系統(tǒng)的基本操作；熟悉TurtleBot機器人平臺；了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源算法等42講授實驗4可視化和調試工具調試ROS節(jié)點、日志消息、檢測系統(tǒng)狀態(tài)、設置動態(tài)參數(shù)、roswtf、可視化節(jié)點診斷、繪制標量數(shù)據(jù)圖、圖像可視化、3D可視化、保存與回放數(shù)據(jù)、插件42講授實驗5基于特征估計的激光SLAM技術學習激光雷達傳感器的基礎知識。還包括Turtlebot在ROS系統(tǒng)可視化工具RViz和Gazebo中的顯示仿真。學習基于激光的Gmapping算法、HectorSLAM算法、cartographer算法。84講授實驗6基于視覺的SLAM技術了解視覺SLAM的主要流程及常見視覺傳感器；掌握實現(xiàn)特征點法視覺里程計的步驟；了解直接法視覺里程計的基本原理；了解基于圖優(yōu)化的后端優(yōu)化方法；了解回環(huán)檢測的基本方法；掌握MonoSLAM、ORB-SLAM2算法的基本原理及實現(xiàn)；掌握多機器人視覺SLAM的基本原理84講授實驗合計3216五、其他教學環(huán)節(jié)1.實驗項目與內容實驗項目與內容一覽表序號實驗項目名稱內容提要實驗學時每組人數(shù)實驗類型實驗類別實驗要求1實驗一、ROS入門機器人操作系統(tǒng)安裝、SLAM技術、Turtlebot機器人22驗證性專業(yè)基礎必修2實驗二、ROS架構及概念機器人操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)級、計算圖級、社區(qū)級、創(chuàng)建功能包并實現(xiàn)功能等22驗證性專業(yè)基礎必修3實驗三、基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術安裝ROS系統(tǒng)并掌握ROS系統(tǒng)的基本操作；熟悉TurtleBot機器人平臺；了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源算法等22驗證性專業(yè)基礎必修4實驗四、可視化和調試工具調試ROS節(jié)點、日志消息、檢測系統(tǒng)狀態(tài)、設置動態(tài)參數(shù)、roswtf、可視化節(jié)點診斷、繪制標量數(shù)據(jù)圖、圖像可視化、3D可視化、保存與回放數(shù)據(jù)、插件22驗證性專業(yè)基礎必修5實驗五、基于特征估計的激光SLAM技術學習激光雷達傳感器的基礎知識。還包括Turtlebot在ROS系統(tǒng)可視化工具RViz和Gazebo中的顯示仿真。學習基于激光的Gmapping算法、HectorSLAM算法、cartographer算法。42驗證性專業(yè)必修6實驗六、基于視覺的SLAM技術了解視覺SLAM的主要流程及常見視覺傳感器；掌握實現(xiàn)特征點法視覺里程計的步驟；了解直接法視覺里程計的基本原理；了解基于圖優(yōu)化的后端優(yōu)化方法；了解回環(huán)檢測的基本方法；掌握MonoSLAM、ORB-SLAM2算法的基本原理及實現(xiàn)；掌握多機器人視覺SLAM的基本原理42驗證性專業(yè)必修2.說明這些教學環(huán)節(jié)包括了ROS基礎知識、ROS通信機制、ROS控制機制、ROS導航、ROS仿真、激光SLAM技術、視覺SLAM技術、Turtlebot機器人技術等。本課程實驗是理論教學的輔助內容，本課程實驗具有較強的實驗性，是加強課程教學的必要環(huán)節(jié)。本課程實驗的目的是讓學生認識機器人相關硬件模塊的基本原理、性能指標、控制方法以及基于ROS如何編程實現(xiàn)對其控制；提高學生分析、設計和操作的能力；培養(yǎng)實事求是、嚴謹?shù)目茖W作風和良好的實驗習慣，為從事機器人系統(tǒng)的分析設計及集成開發(fā)奠定基礎。實驗基本要求為：（1）通過實驗加深對ROS智能機器人系統(tǒng)的基本概念、分析設計和控制方法的理解和掌握，提高綜合運用所學知識解決問題的能力。（2）掌握ROS編程環(huán)境和編程方法，能夠熟練控制機器人底盤、視覺傳感器、激光雷達傳感器等。（3）能夠綜合運用所學SLAM技術，運用SLAM算法在機器人上實現(xiàn)地圖的構建。六、教學管理1.《ROS機器人程序設計》課程以項目化教學方式開展，項目難度由簡到繁，將理論教學與實踐教學相融合，邊講邊做，邊做邊學。2.在本課程前學生須先修完《信號與系統(tǒng)分析》、《單片機技術理論與實踐》、《電力拖動與運動控制》、《電力電子技術》等課程，掌握C語言編程能力和硬件電路設計方法，為《ROS機器人程序設計》課程的開展奠定基礎?！禦OS機器人程序設計》課程是將課堂教學與模擬工程項目實踐結合的綜合性應用課程，通過本課程的學習使學生掌握ROS機器人控制器的基本技術技能和工程應用，為后續(xù)的《機器人技術創(chuàng)新與實踐》以及未來職業(yè)發(fā)展打下良好基礎。3.建議使用機械工業(yè)出版社出版的《ROS機器人程序設計》（2017年出版）作為教材，該教材由張瑞雷等翻譯。該教材是將ROS與機器人的開發(fā)相結合，注重實例，每一章都附有示例程序，方便學生鞏固每一章的知識。該教材結構合理，突出了基礎性、先進性和易讀性。內容敘述力求深入淺出、層次分明。七、考核方法課程名稱：ROS機器人程序設計課程號：16300021考核方式：考查考核形式：平時成績10%、實驗成績30%、期中考試10%、期末考試50%1、考核說明本課程的學生成績由平時成績、實驗成績、期中考試、期末考試成績四部分組成，其中平時成績占總成績的20%，實驗成績占總成績的20%、期中考試10%、期末考試成績占總成績的50%。平時成績由平時測評（占總成績的10%）、階段性學習報告（占總成績的10%）綜合評定。具體考核環(huán)節(jié)和考核比例見下表。

考核環(huán)節(jié)平時成績（20%）期中考試（10%）實驗成績（20%）期末考核（50%）合計考核比例20%10%20%50%100%實驗項目（ROS機器人實際操作和實驗報告）成績考核標準考核實驗操作評分表實驗報告評分標準操作表現(xiàn)等級（分）報告內容得分在規(guī)定時間的2/3時間內完成，獨立完成操作，設備、工具和元件整理到位，環(huán)境整潔。A（90-100）1.報告主要內容（滿分90分）（1）實驗目的和要求（10分）：遺漏1個實驗目的和要求扣5分。（2）實驗器材（5分）：按撰寫完備情況給分，若此項空缺按零分計算。（3）實驗原理和方法（25分）：①實驗原理和方法描述完整，無錯誤與遺漏之處。（25分）②實驗原理和方法描述基本完整、正確，存在個別遺漏之處或錯誤的地方。（20-24分）③實驗原理和方法描述較為完整、正確，存在少數(shù)遺漏之處或錯誤的地方。（15-19分）④實驗原理和方法描述不完整、正確，存在較多遺漏之處或錯誤的地方。（<15分）（4）實驗數(shù)據(jù)和結果（50分）①實驗數(shù)據(jù)和結果介紹完整，分析到位，無錯誤與遺漏之處。（50分）②實驗數(shù)據(jù)和結果介紹基本完整、正確，分析較為到位，存在個別遺漏之處或錯誤的地方。（40-49分）③實驗數(shù)據(jù)和結果分析較為完整、正確，分析較為到位，存在少數(shù)遺漏之處或錯誤的地方。（25-39分）④實驗數(shù)據(jù)和結果分析不完整、正確，分析不到位，存在較多遺漏之處或錯誤的地方。（<25分）在規(guī)定時間內完成，最多經一次個別指導完成操作，設備、工具和元件整理到位，環(huán)境整潔。B（80-89）2.思考分析（滿分10分）①無