《機(jī)器人SLAM技術(shù)及其ROS系統(tǒng)應(yīng)用》-徐本連 教案大綱

機(jī)器人SLAM技術(shù)及其ROS系統(tǒng)應(yīng)用課程編號學(xué)分3開課學(xué)期7學(xué)時講課：32學(xué)時實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時實(shí)踐：0學(xué)時課程類型專業(yè)必修課程課程性質(zhì)限選考核形式考試先修課程《控制器編程基礎(chǔ)（C語言）》《單片機(jī)技術(shù)理論與實(shí)踐（C語言）》、《電力拖動與運(yùn)動控制》、《電力電子技術(shù)》、《大學(xué)物理》、《機(jī)械基礎(chǔ)》適用專業(yè)機(jī)器人工程等開課學(xué)院建議教材機(jī)器人SLAM技術(shù)及其ROS系統(tǒng)應(yīng)用，徐本連、魯明麗等.機(jī)械工業(yè)出版社,2024年主要參考書1雷祁.基于ROS機(jī)器人的智能物流系統(tǒng)設(shè)計[D].長安大學(xué).制定人審定人批準(zhǔn)人修訂時期版本

一、課程說明《機(jī)器人SLAM技術(shù)及其ROS系統(tǒng)應(yīng)用》課程是一門以ROS系統(tǒng)作為平臺，以Turtlebot機(jī)器人為載體，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的SLAM算法，以求理論與實(shí)際相結(jié)合，緊跟當(dāng)前的程序設(shè)計課程，包括ROS的基礎(chǔ)知識、ROS的多機(jī)通訊、ROS的消息傳遞、ROS的節(jié)點(diǎn)、ROS的服務(wù)、ROS的SLAM等內(nèi)容。該課程旨在幫助學(xué)習(xí)者掌握ROS機(jī)器人程序設(shè)計的基本原理和實(shí)踐技能。課程包含實(shí)際動手操作的示例，幫助學(xué)生快速入門開發(fā)機(jī)器人程序。本課程還介紹如何在Turtlebot機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)SLAM算法，分別介紹了基于特征估計的激光SLAM技術(shù)以及基于視覺的SLAM技術(shù)。本課程首先介紹SLAM的基本定義、分類及其數(shù)學(xué)模型，對ROS系統(tǒng)進(jìn)行簡要描述，分析在ROS系統(tǒng)下基于激光特征點(diǎn)的SLAM技術(shù)和基于視覺的SLAM技術(shù)的特點(diǎn)，然后詳細(xì)分析一些典型的基于矢量的SLAM算法和基于隨機(jī)有限集的SLAM算法的基本原理及其實(shí)現(xiàn)，給出ROS系統(tǒng)的詳細(xì)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(jī)器人為載體進(jìn)行基礎(chǔ)功能包的安裝和測試，最后介紹用于SLAM的ROS相關(guān)工具及其使用，以及基于激光雷達(dá)算法的原理，基于視覺的算法的工作原理及其實(shí)現(xiàn)步驟，并在機(jī)器人Turlebot上對這些算法進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。同時介紹多機(jī)器人視覺SLAM系統(tǒng)和地圖融合實(shí)現(xiàn)過程。完成本課程后，將能夠使用基于ROSMelodic的Turtlebot機(jī)器人進(jìn)行SLAM算法的實(shí)現(xiàn)。二、課程教學(xué)目標(biāo)（一）立德樹人通過課程學(xué)習(xí)機(jī)器人SLAM理論和技術(shù),對機(jī)器人SLAM相關(guān)知識有一個全面了解。通過對基于ROS系統(tǒng)的講解和有關(guān)理論及技術(shù)建立過程,了解前輩們在基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)發(fā)展過程中如何思考,如何克服所遇到的障礙,幫助學(xué)生建立科學(xué)的思維方法以及工作中勇于面對挑戰(zhàn)的精神。從機(jī)器人SLAM學(xué)科對我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展作用的角度出發(fā),以杰出貢獻(xiàn)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(xué)內(nèi)容和教學(xué)全過程各環(huán)節(jié),突出價值引領(lǐng)、知識傳授和能力培養(yǎng),幫助學(xué)生正確認(rèn)識歷史規(guī)律、準(zhǔn)確把握基本國情、掌握科學(xué)的世界觀、方法論,促進(jìn)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(qiáng)調(diào)人工智能和機(jī)器人技術(shù)的社會責(zé)任。在機(jī)器人程序設(shè)計課程中，應(yīng)該加強(qiáng)對于人工智能和機(jī)器人技術(shù)的社會責(zé)任教育。學(xué)生應(yīng)該了解機(jī)器人技術(shù)對于社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面的影響，并且學(xué)會如何負(fù)責(zé)任地使用機(jī)器人技術(shù)。培養(yǎng)團(tuán)隊合作意識和職業(yè)道德。在機(jī)器人程序設(shè)計課程中，應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識和職業(yè)道德。學(xué)生應(yīng)該了解到團(tuán)隊合作的重要性，并且學(xué)會如何與團(tuán)隊成員合作，如何遵守職業(yè)道德規(guī)范。強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神。在機(jī)器人程序設(shè)計課程中，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神。學(xué)生應(yīng)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(xué)會如何進(jìn)行創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)。培養(yǎng)學(xué)生的批判思維能力。在機(jī)器人程序設(shè)計課程中，應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的批判思維能力。學(xué)生應(yīng)該學(xué)會如何批判性地思考問題，如何評估技術(shù)方案的可行性和風(fēng)險。加強(qiáng)國家意識和文化自信。在機(jī)器人程序設(shè)計課程中，應(yīng)該加強(qiáng)國家意識和文化自信教育。學(xué)生應(yīng)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(shí)踐，培養(yǎng)對于自己國家的認(rèn)同感和自信心。（二）課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.培養(yǎng)學(xué)生對基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)程序設(shè)計的理解和實(shí)踐能力，通過學(xué)習(xí)基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)的基本概念、架構(gòu)和功能，掌握基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)程序設(shè)計的方法和技巧，能夠獨(dú)立完成ROS程序設(shè)計和調(diào)試。課程目標(biāo)2.理解ROS機(jī)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(jìn)行測試和測量。熟練掌握系統(tǒng)仿真與設(shè)計軟件的使用，能夠進(jìn)行系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計。掌握信息技術(shù)工具的使用，包括程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等，能夠開發(fā)和維護(hù)復(fù)雜的機(jī)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(yīng)用場景選擇合適的工具和軟件。能夠進(jìn)行實(shí)際項目的設(shè)計、開發(fā)和測試，具備解決實(shí)際問題的能力。提高學(xué)生的團(tuán)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(xué)生的自學(xué)能力和持續(xù)學(xué)習(xí)意識，能夠不斷跟進(jìn)新的技術(shù)和工具的發(fā)展。課程目標(biāo)3.能夠運(yùn)用適當(dāng)?shù)默F(xiàn)代工程工具進(jìn)行ROS機(jī)器人程序的仿真，并能夠用于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成復(fù)雜工程問題的模擬分析與預(yù)測。能夠理解ROS機(jī)器人程序設(shè)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(yīng)對這些局限性。能夠掌握ROS機(jī)器人程序設(shè)計的最佳實(shí)踐，包括代碼規(guī)范、測試、文檔等方面的最佳實(shí)踐。課程目標(biāo)4.隨著全球制造業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。ROS（RobotOperatingSystem）是一種開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)，它為機(jī)器人程序設(shè)計提供了強(qiáng)大的工具和框架，使得機(jī)器人的開發(fā)和運(yùn)行更加高效和可靠。三、教學(xué)內(nèi)容及基本要求機(jī)器人操作系統(tǒng)知識和入門1．課程教學(xué)內(nèi)容機(jī)器人操作系統(tǒng)安裝、SLAM技術(shù)、Turtlebot機(jī)器人，本課程的內(nèi)容、性質(zhì)與任務(wù)。此外，還有許多基于ROS機(jī)器人的SLAM技術(shù)教程和示例可供學(xué)習(xí)和參考。2．課程重點(diǎn)、難點(diǎn)ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)安裝、基于ROS系統(tǒng)的機(jī)器人SLAM技術(shù)、Turtlebot機(jī)器人。入門重點(diǎn)包括機(jī)器人操作系統(tǒng)的基本概念、ROS的安裝和配置、ROS的節(jié)點(diǎn)使用、ROS的通信機(jī)制等。難點(diǎn)包括Turtlebot機(jī)器人的底盤與傳感器測試、Turtlebot機(jī)器人上SLAM算法的實(shí)現(xiàn)等。3．課程教學(xué)要求了解本課程的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法。了解SLAM算法的基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)，了解ROS的基本構(gòu)成、類型及主要參數(shù)，掌握ROS開發(fā)環(huán)境、程序設(shè)計基礎(chǔ)。入門ROS需要掌握Linux操作系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、傳感器數(shù)據(jù)處理等知識。入門SLAM技術(shù)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(gòu)，如節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)等。如果不具備上述基礎(chǔ)，可以通過ROS官方網(wǎng)站提供的教程和文檔進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)。4.課程教學(xué)方式整合思維研究、探究式學(xué)習(xí)、融合學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)等。ROS架構(gòu)及概念1．課程教學(xué)內(nèi)容機(jī)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(shí)現(xiàn)功能等。ROS的核心概念包括節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)和參數(shù)服務(wù)器等。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間進(jìn)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(wù)是一種節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行請求和響應(yīng)的方式，它可以是一個服務(wù)的提供者或者服務(wù)的請求者。參數(shù)服務(wù)器是ROS中用于存儲參數(shù)的一個中心化的服務(wù)器。2．課程重點(diǎn)、難點(diǎn)機(jī)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(diǎn)包括節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)和參數(shù)等，其中節(jié)點(diǎn)是ROS的基本組成單位，話題用于節(jié)點(diǎn)之間的通信，服務(wù)用于節(jié)點(diǎn)之間的請求和響應(yīng)，參數(shù)用于存儲節(jié)點(diǎn)的配置信息。ROS的難點(diǎn)在于其分布式架構(gòu)和異步通信機(jī)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(xué)要求了解機(jī)器人操作系統(tǒng)內(nèi)涵，熟悉機(jī)器人操作系統(tǒng)功能并能夠編寫對應(yīng)功能的函數(shù)語句。具體要根據(jù)不同的應(yīng)用場景和學(xué)習(xí)目標(biāo)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(gòu)建簡單的機(jī)器人應(yīng)用程序。同時，還需要具備一定的編程能力和機(jī)器人相關(guān)的知識。4.課程教學(xué)方式整合思維研究、探究式學(xué)習(xí)、融合學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)等?；赗OS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)1．課程教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生學(xué)會安裝ROS系統(tǒng)并掌握ROS系統(tǒng)的基本操作；熟悉TurtleBot機(jī)器人平臺；了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源算法。2．課程重點(diǎn)、難點(diǎn)ROS系統(tǒng)的一些基本操作和命令。基于ROS系統(tǒng)的TurtleBot機(jī)器人的實(shí)踐，如何安裝調(diào)試Turtlebot?；诩す饫走_(dá)的SLAM算法和基于視覺的SLAM算法。3．課程教學(xué)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(diǎn)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(xué)方式整合思維研究、探究式學(xué)習(xí)、融合學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)等?？梢暬驼{(diào)試工具1．課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)試ROS節(jié)點(diǎn)、日志消息、檢測系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)置動態(tài)參數(shù)、roswtf、可視化節(jié)點(diǎn)診斷、繪制標(biāo)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(diào)試工具教學(xué)內(nèi)容包括RViz、rqt、rosbag等工具的使用方法和應(yīng)用場景，可以通過ROS官方文檔、ROSWiki、ROS教程等資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時，也可以參考一些開源項目的代碼和文檔，如ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)踐指南、ROS機(jī)器人程序設(shè)計等。2．課程重點(diǎn)、難點(diǎn)機(jī)器人操作系統(tǒng)的調(diào)試工具和各種可視化方法。ROS可視化和調(diào)試工具的重點(diǎn)是提供一個直觀的界面，讓用戶可以方便地觀察和調(diào)試機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。難點(diǎn)在于如何設(shè)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(xué)要求通過ROS可視化和調(diào)試工具學(xué)習(xí)，掌握其使用方法和編程方法。ROS可視化和調(diào)試工具教學(xué)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(diào)試工具rosdebug和roslaunch，熟悉ROS中的消息傳遞機(jī)制和參數(shù)服務(wù)器等。同時，還需要具備一定的編程能力和ROS基礎(chǔ)知識。4.課程教學(xué)方式整合思維研究、探究式學(xué)習(xí)、融合學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)等。基于特征估計的激光SLAM技術(shù)1．課程教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)激光雷達(dá)傳感器的基礎(chǔ)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(xué)習(xí)基于激光的Gmapping算法、HectorSLAM算法、cartographer算法。2．課程重點(diǎn)、難點(diǎn)正確運(yùn)用激光雷達(dá)進(jìn)行機(jī)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(shí)現(xiàn)。3．課程教學(xué)要求了解激光雷達(dá)工作原理；掌握turtlebot機(jī)器人在可視化軟件中雷達(dá)的顯示。理解三種激光算法的實(shí)現(xiàn)原理，能夠利用算法構(gòu)建周圍的環(huán)境地圖。學(xué)習(xí)者需要掌握ROS的基本概念和使用方法，以及相關(guān)的算法和工具。此外，還需要具備一定的編程能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。4.課程教學(xué)方式整合思維研究、探究式學(xué)習(xí)、融合學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)等?；谝曈X的SLAM技術(shù)1．課程教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生了解視覺SLAM的主要流程及常見視覺傳感器；掌握實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)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(shí)現(xiàn)；掌握多機(jī)器人視覺SLAM的基本原理。2．課程重點(diǎn)、難點(diǎn)理解經(jīng)典視覺SLAM框架以及視覺SLAM流程的主要步驟，特征點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。能夠理解ORB-SLAM2算法的一般性原理及其實(shí)現(xiàn)。以及多機(jī)器人視覺SLAM的一般性原理及其實(shí)現(xiàn)。3．課程教學(xué)要求能夠掌握視覺SLAM算法的原理以及實(shí)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(shí)現(xiàn)，能夠構(gòu)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(xué)方式整合思維研究、探究式學(xué)習(xí)、融合學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)等。四、課程學(xué)時分配機(jī)器人SLAM技術(shù)及其ROS系統(tǒng)應(yīng)用根據(jù)教學(xué)計劃規(guī)定的學(xué)時數(shù)，理論課32學(xué)時，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時，通常，機(jī)器人SLAM技術(shù)及其ROS系統(tǒng)應(yīng)用課程的學(xué)時分配是根據(jù)具體的課程安排和教學(xué)目標(biāo)來確定的。一般來說，這個課程需要涉及到機(jī)器人控制、ROS框架的使用、機(jī)器人SLAM技術(shù)等方面的知識，因此需要一定的學(xué)時來進(jìn)行教學(xué)和實(shí)踐。具體的學(xué)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(xué)時分配如下表，供參考。教學(xué)內(nèi)容概要學(xué)時教學(xué)方式對應(yīng)課程目標(biāo)講課實(shí)踐實(shí)驗(yàn)1ROS入門機(jī)器人操作系統(tǒng)安裝、SLAM技術(shù)、Turtlebot機(jī)器人42講授實(shí)驗(yàn)2ROS架構(gòu)及概念機(jī)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(shí)現(xiàn)功能等42講授實(shí)驗(yàn)3基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)安裝ROS系統(tǒng)并掌握ROS系統(tǒng)的基本操作；熟悉TurtleBot機(jī)器人平臺；了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源算法等42講授實(shí)驗(yàn)4可視化和調(diào)試工具調(diào)試ROS節(jié)點(diǎn)、日志消息、檢測系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)置動態(tài)參數(shù)、roswtf、可視化節(jié)點(diǎn)診斷、繪制標(biāo)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(shí)驗(yàn)5基于特征估計的激光SLAM技術(shù)學(xué)習(xí)激光雷達(dá)傳感器的基礎(chǔ)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(xué)習(xí)基于激光的Gmapping算法、HectorSLAM算法、cartographer算法。84講授實(shí)驗(yàn)6基于視覺的SLAM技術(shù)了解視覺SLAM的主要流程及常見視覺傳感器；掌握實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)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(shí)現(xiàn)；掌握多機(jī)器人視覺SLAM的基本原理84講授實(shí)驗(yàn)合計3216五、其他教學(xué)環(huán)節(jié)1.實(shí)驗(yàn)項目與內(nèi)容實(shí)驗(yàn)項目與內(nèi)容一覽表序號實(shí)驗(yàn)項目名稱內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)學(xué)時每組人數(shù)實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)類別實(shí)驗(yàn)要求1實(shí)驗(yàn)一、ROS入門機(jī)器人操作系統(tǒng)安裝、SLAM技術(shù)、Turtlebot機(jī)器人22驗(yàn)證性專業(yè)基礎(chǔ)必修2實(shí)驗(yàn)二、ROS架構(gòu)及概念機(jī)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(shí)現(xiàn)功能等22驗(yàn)證性專業(yè)基礎(chǔ)必修3實(shí)驗(yàn)三、基于ROS系統(tǒng)的SLAM技術(shù)安裝ROS系統(tǒng)并掌握ROS系統(tǒng)的基本操作；熟悉TurtleBot機(jī)器人平臺；了解基于ROS系統(tǒng)的SLAM開源算法等22驗(yàn)證性專業(yè)基礎(chǔ)必修4實(shí)驗(yàn)四、可視化和調(diào)試工具調(diào)試ROS節(jié)點(diǎn)、日志消息、檢測系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)置動態(tài)參數(shù)、roswtf、可視化節(jié)點(diǎn)診斷、繪制標(biāo)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(yàn)證性專業(yè)基礎(chǔ)必修5實(shí)驗(yàn)五、基于特征估計的激光SLAM技術(shù)學(xué)習(xí)激光雷達(dá)傳感器的基礎(chǔ)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(xué)習(xí)基于激光的Gmapping算法、HectorSLAM算法、cartographer算法。42驗(yàn)證性專業(yè)必修6實(shí)驗(yàn)六、基于視覺的SLAM技術(shù)了解視覺SLAM的主要流程及常見視覺傳感器；掌握實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)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(shí)現(xiàn)；掌握多機(jī)器人視覺SLAM的基本原理42驗(yàn)證性專業(yè)必修2.說明這些教學(xué)環(huán)節(jié)包括了ROS基礎(chǔ)知識、ROS通信機(jī)制、ROS控制機(jī)制、ROS導(dǎo)航、ROS仿真、激光SLAM技術(shù)、視覺SLAM技術(shù)、Turtlebot機(jī)器人技術(shù)等。本課程實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)的輔助內(nèi)容，本課程實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)性，是加強(qiáng)課程教學(xué)的必要環(huán)節(jié)。本課程實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生認(rèn)識機(jī)器人相關(guān)硬件模塊的基本原理、性能指標(biāo)、控制方法以及基于ROS如何編程實(shí)現(xiàn)對其控制；提高學(xué)生分析、設(shè)計和操作的能力；培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，為從事機(jī)器人系統(tǒng)的分析設(shè)計及集成開發(fā)奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)基本要求為：（1）通過實(shí)驗(yàn)加深對ROS智能機(jī)器人系統(tǒng)的基本概念、分析設(shè)計和控制方法的理解和掌握，提高綜合運(yùn)用所學(xué)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(jī)器人底盤、視覺傳感器、激光雷達(dá)傳感器等。（3）能夠綜合運(yùn)用所學(xué)SLAM技術(shù)，運(yùn)用SLAM算法在機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)地圖的構(gòu)建。六、教學(xué)管理1.《ROS機(jī)器人程序設(shè)計》課程以項目化教學(xué)方式開展，項目難度由簡到繁，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相融合，邊講邊做，邊做邊學(xué)。2.在本課程前學(xué)生須先修完《信號與系統(tǒng)分析》、《單片機(jī)技術(shù)理論與實(shí)踐》、《電力拖動與運(yùn)動控制》、《電力電子技術(shù)》等課程，掌握C語言編程能力和硬件電路設(shè)計方法，為《ROS機(jī)器人程序設(shè)計》課程的開展奠定基礎(chǔ)?！禦OS機(jī)器人程序設(shè)計》課程是將課堂教學(xué)與模擬工程項目實(shí)踐結(jié)合的綜合性應(yīng)用課程，通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握ROS機(jī)器人控制器的基本技術(shù)技能和工程應(yīng)用，為后續(xù)的《機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐》以及未來職業(yè)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。3.建議使用機(jī)械工業(yè)出版社出版的《ROS機(jī)器人程序設(shè)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(jī)器人的開發(fā)相結(jié)合，注重實(shí)例，每一章都附有示例程序，方便學(xué)生鞏固每一章的知識。該教材結(jié)構(gòu)合理，突出了基礎(chǔ)性、先進(jìn)性和易讀性。內(nèi)容敘述力求深入淺出、層次分明。七、考核方法課程名稱：ROS機(jī)器人程序設(shè)計課程號：16300021考核方式：考查考核形式：平時成績10%、實(shí)驗(yàn)成績30%、期中考試10%、期末考試50%1、考核說明本課程的學(xué)生成績由平時成績、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)成績（20%）期末考核（50%）合計考核比例20%10%20%50%100%實(shí)驗(yàn)項目（ROS機(jī)器人實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)報告）成績考核標(biāo)準(zhǔn)考核實(shí)驗(yàn)操作評分表實(shí)驗(yàn)報告評分標(biāo)準(zhǔn)操作表現(xiàn)等級（分）報告內(nèi)容得分在規(guī)定時間的2/3時間內(nèi)完成，獨(dú)立完成操作，設(shè)備、工具和元件整理到位，環(huán)境整潔。A（90-100）1.報告主要內(nèi)容（滿分90分）（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?0分）：遺漏1個實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵罂?分。（2）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理和方法（25分）：①實(shí)驗(yàn)原理和方法描述完整，無錯誤與遺漏之處。（25分）②實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果（50分）①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果介紹完整，分析到位，無錯誤與遺漏之處。（50分）②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)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(nèi)完成，最多經(jīng)一次個別指導(dǎo)完成操作，設(shè)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