《機(jī)器人操作系統(tǒng)》教學(xué)大綱

《機(jī)器人操作系統(tǒng)》教學(xué)大綱課程編號(hào)：13230419英文名稱：RobotOperatingSystem學(xué)分：3學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)56學(xué)時(shí)，其中理論40學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)先修課程：程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)C、Python編程基礎(chǔ)課程類別：專業(yè)主干必修課程授課對(duì)象：機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)《機(jī)器人操作系統(tǒng)》課程是基于計(jì)算機(jī)和嵌入式技術(shù)，結(jié)合多種傳感器和執(zhí)行器，進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和控制的理論實(shí)踐相結(jié)合課程，是機(jī)器人專業(yè)學(xué)生的一門(mén)專業(yè)必修課程，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程、人工智能、嵌入式技術(shù)等多種學(xué)科知識(shí)進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一門(mén)重要課程。本課程擬達(dá)到的課程目標(biāo):課程目標(biāo)1：通過(guò)Ubuntu系統(tǒng)的安裝和圖形用戶界面的使用、shell命令語(yǔ)句的學(xué)習(xí)，能夠掌握用于機(jī)器人的UbuntuLinux系統(tǒng)的使用原理和方法。課程目標(biāo)2：通過(guò)C++和Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握在Linux操作系統(tǒng)下機(jī)器人編程操作，能夠?qū)C(jī)器人工程系統(tǒng)的工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)相應(yīng)軟件模擬相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)問(wèn)題，并能進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。課程目標(biāo)3：通過(guò)基于ROS編程的學(xué)習(xí)，掌握ROS工作空間和程序包的創(chuàng)建，能夠?qū)ο嚓P(guān)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析其局限性。二、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重5.1了解機(jī)器人工程相關(guān)領(lǐng)域常用的現(xiàn)代儀器、信息技術(shù)工具、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，并理解其技術(shù)參數(shù)與適用范圍等局限性；課程目標(biāo)1H5.2能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)膬x器、信息資源、工程工具和專業(yè)模擬軟件，對(duì)機(jī)器人工程相關(guān)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)2M5.3能夠針對(duì)包含具體檢測(cè)、控制對(duì)象在內(nèi)的機(jī)器人工程系統(tǒng)工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，模擬、預(yù)測(cè)機(jī)器人工程相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)問(wèn)題，并能夠分析其局限性。課程目標(biāo)3L（注：要求課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)支撐）三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1．理論教學(xué)內(nèi)容序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點(diǎn)（含德育要求）學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1用于機(jī)器人的UbuntuLinux基本要求：了解Ubuntu、掌握VirtualBox的下載和安裝、虛擬機(jī)的創(chuàng)建、Ubuntu的安裝、Ubuntu圖形用戶界面的使用。重點(diǎn)難點(diǎn)：shell命令的使用德育要求：立德樹(shù)人4集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)32機(jī)器人編程的C++基礎(chǔ)知識(shí)基本要求：了解C++編程語(yǔ)言、掌握GCCC和G++編譯器的安裝和使用、C++工程文件的建立、C++異常處理。重點(diǎn)難點(diǎn)：C++的類和對(duì)象德育要求：愛(ài)崗敬業(yè)8集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)33機(jī)器人編程的Python基礎(chǔ)基本要求：了解Python編程語(yǔ)言、掌握Python的安裝、Python代碼的編寫(xiě)和執(zhí)行、異常處理、Python基礎(chǔ)知識(shí)。重點(diǎn)難點(diǎn)：Python變量、函數(shù)、循環(huán)德育要求：創(chuàng)新意識(shí)8集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)34ROS概述基本要求：了解什么是機(jī)器人編程、掌握ROS的安裝、支持ROS的機(jī)器人和傳感器、常用的ROS計(jì)算平臺(tái)、ROS文件系統(tǒng)。重點(diǎn)難點(diǎn)：ROS的架構(gòu)和概念德育要求：社會(huì)責(zé)任4集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)35基于ROS編程基本要求：了解什么是使用ROS編程、掌握ROS工作空間和程序包的創(chuàng)建、ROS客戶端的使用。重點(diǎn)難點(diǎn)：ROS對(duì)嵌入式辦卡編程德育要求：科學(xué)素養(yǎng)8集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)36基于ROS的機(jī)器人項(xiàng)目基本要求：了解輪式機(jī)器人，掌握使用URDF創(chuàng)建一個(gè)三維ROS模型、編寫(xiě)機(jī)器人固件程序。重點(diǎn)難點(diǎn)：差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)德育要求：樂(lè)于奉獻(xiàn)8集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3合計(jì)402．實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求學(xué)時(shí)類型對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1Ubuntu系統(tǒng)安裝根據(jù)具體需求，完成虛擬機(jī)的安裝，并在虛擬機(jī)中安裝Ubuntu系統(tǒng)，掌握shell命令2演示、驗(yàn)證課程目標(biāo)12工程文件建立根據(jù)具體需求，完成LinuxMakefile、CMake文件創(chuàng)建，在Ubuntu中安裝PySerial4演示、驗(yàn)證課程目標(biāo)23ROS編程根據(jù)具體需求，完成基于ROS的HelloWorld實(shí)例，使用ROS連接Arduino，并在樹(shù)莓派上安裝ROS4演示、設(shè)計(jì)課程目標(biāo)14ROS機(jī)器人項(xiàng)目根據(jù)具體需求，完成機(jī)器人硬件組裝，為機(jī)器人創(chuàng)建基于ROS的藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)器，傳送消息6演示、設(shè)計(jì)課程目標(biāo)3合計(jì)16注：實(shí)驗(yàn)要求包括必修、選修；實(shí)驗(yàn)類型包括演示、驗(yàn)證、綜合、設(shè)計(jì)等。四、課程教學(xué)方法1.總體設(shè)計(jì)采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，虛實(shí)結(jié)合，將機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，分析學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的錯(cuò)誤，通過(guò)師生互動(dòng)完成教學(xué)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。課堂教學(xué)方法：理論講授、實(shí)踐演示、項(xiàng)目討論。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、集中指導(dǎo)、自主練習(xí)、個(gè)別答疑。課外學(xué)習(xí)方法：預(yù)習(xí)教材相關(guān)章節(jié)。2.課堂教學(xué)課堂講授：在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，按知識(shí)模塊，通過(guò)項(xiàng)目案例來(lái)演示和歸納主要知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和討論，不斷強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在講授、討論中，引導(dǎo)學(xué)生掌握分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試的基本方法，使學(xué)生體驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程，獲得項(xiàng)目設(shè)計(jì)的成就感。課內(nèi)小組討論：圍繞實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、完善和補(bǔ)充。3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課外學(xué)習(xí)和作業(yè)實(shí)施的基礎(chǔ)上，通過(guò)具體任務(wù)要求和集中實(shí)驗(yàn)，理解有關(guān)知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)展機(jī)器人操作系統(tǒng)的演示。4.課外學(xué)習(xí)課前預(yù)習(xí)：要求學(xué)生在課前按預(yù)習(xí)計(jì)劃完成自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，即自學(xué)教材相關(guān)章節(jié)。課后作業(yè)：要求學(xué)生按時(shí)完成課后作業(yè)。五、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績(jī)構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)考核、期末考試組成，均按百分制計(jì)分，其中課堂表現(xiàn)成績(jī)占10%、平時(shí)作業(yè)成績(jī)占20%、實(shí)驗(yàn)成績(jī)占20%、期末閉卷考試成績(jī)占50%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評(píng)價(jià)序號(hào)教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計(jì)1課堂表現(xiàn)424102平時(shí)作業(yè)686203實(shí)驗(yàn)考核1055204期末考試15152050課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)分值353035100（二）考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.課堂表現(xiàn)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分課堂表現(xiàn)課堂積極學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，回答問(wèn)題主動(dòng)性高，項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用討論參與度強(qiáng)。課堂較積極學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，回答問(wèn)題主動(dòng)性較高，項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用討論參與度較強(qiáng)。課堂學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的態(tài)度一般，回答問(wèn)題主動(dòng)性尚可，項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用討論參與度一般。課堂學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，不參與問(wèn)題解答與項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用討論。2.平時(shí)作業(yè)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分平時(shí)作業(yè)按時(shí)完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握到位，設(shè)計(jì)方案合理。按時(shí)完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握較到位，設(shè)計(jì)方案較合理。延時(shí)完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握基本到位，設(shè)計(jì)方案基本合理。不交和補(bǔ)交，50%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握有偏差，設(shè)計(jì)方案需改進(jìn)。3.實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分實(shí)驗(yàn)考核機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案合理，設(shè)計(jì)方法正確，機(jī)器人功能演示完整，很好地完成了實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式規(guī)范，符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)作要求。機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案較合理，設(shè)計(jì)方法較正確，機(jī)器人功能演示較完整，較好地完成了實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式較規(guī)范，較符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)作要求。機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)方法一般，機(jī)器人部分功能可以演示，實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容完成度一般，實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式基本符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)作要求。機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)方法較差，機(jī)器人功能演示效果差，實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容完成度差，實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式不符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)作要求。4.期末試卷考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)課程目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)期末考核試題，綜合檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)的掌握、綜合應(yīng)用及解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，根據(jù)考試題目設(shè)計(jì)相應(yīng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。