《機器人操作系統(tǒng)A》課程教學(xué)大綱（機器人工程專業(yè)）

《機器人操作系統(tǒng)A》課程教學(xué)大綱一、課程簡介課程中文名機器人操作系統(tǒng)A課程英文名RobotOperatingSystemA雙語授課□是否課程代碼24112107課程學(xué)分3總學(xué)時數(shù)48（含實踐8、含勞動教育1學(xué)時）課程類別□通識教育課程□公共基礎(chǔ)課程專業(yè)教育課程□綜合實踐課程□教師教育課程課程性質(zhì)必修□選修□其他課程形態(tài)□線上線下□線上線下混合式□社會實踐□虛擬仿真實驗教學(xué)考核方式閉卷□開卷□課程論文□課程作品□匯報展示報告課堂表現(xiàn)□階段性測試平時作業(yè)□其他（可多選）開課學(xué)院機器人工程學(xué)院開課系(教研室)機器人工程面向?qū)I(yè)機器人工程開課學(xué)期第6學(xué)期先修課程C++語言程序設(shè)計，Python程序設(shè)計，機器人學(xué)基礎(chǔ)后續(xù)課程無選用教材1.胡春旭,ROS機器人開發(fā)實踐,機械工業(yè)出版社,2018-06參考書目1.周興社,機器人操作系統(tǒng)ROS原理與應(yīng)用[M].,機械工業(yè)出版社,2017-06.課程資源1.，ROSwiki2.，ROSanswers課程簡介課程將深入淺出的講解如何使用機器人操作系統(tǒng)ROS，包括ROS的基本原理、基本操作和基本工具，及通過動手實踐掌握機器人建圖、定位和導(dǎo)航等技能。課程分為：機器人發(fā)展概況、機器人操作系統(tǒng)ROS的工程結(jié)構(gòu)、ROS的通信架構(gòu)、ROS常用工具、roscpp、rospy、tf&urdf、SLAM、Navigation等內(nèi)容。二、課程目標(biāo)表1課程目標(biāo)序號具體課程目標(biāo)課程目標(biāo)1掌握機器人操作系統(tǒng)的基本概念、發(fā)展和類型，主流操作系統(tǒng)類別、特征及功能，理解操作系統(tǒng)在機器人控制與感知的重要作用，了解主流操作系統(tǒng)類別及其應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展動向和前沿技術(shù)發(fā)展水平；同時結(jié)合本專業(yè)以及《中國制造2025》，引導(dǎo)學(xué)生樹立遠大理想和愛國主義情懷，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，勇敢地肩負起時代賦予的光榮使命，全面提高學(xué)生思想政治素質(zhì)。結(jié)合知識點讓學(xué)生了解課程相關(guān)技術(shù)世界最新進展，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和使命感。課程目標(biāo)2了解機器人操作系統(tǒng)中的進程管理與調(diào)度概念，理解開源機器人操作系統(tǒng)ROS的的整體架構(gòu)、基本功能，理解并掌握ROS通信架構(gòu)和常用工具。了解機器人操作系統(tǒng)ROS的SLAM自主導(dǎo)航基礎(chǔ)，掌握機器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法、傳感器信息和里程數(shù)據(jù)發(fā)布、基礎(chǔ)控制器與地圖創(chuàng)建等方法。表2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)畢業(yè)要求3：設(shè)計/開發(fā)解決方案【L】指標(biāo)點3.1：能夠分析復(fù)雜工程問題，設(shè)計解決方案，并體現(xiàn)出創(chuàng)新意識。課程目標(biāo)1畢業(yè)要求5：使用現(xiàn)代工具【M】指標(biāo)點5.1：能夠在解決復(fù)雜機器人工程問題過程中，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具。課程目標(biāo)2三、課程學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法（一）理論學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求表3課程目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)方法對應(yīng)關(guān)系序號課程模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)任務(wù)課程目標(biāo)學(xué)習(xí)重點難點教學(xué)方法學(xué)時1緒論1.機器人操作系統(tǒng)介紹1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)1重點&難點：1.機器人操作系統(tǒng)的相關(guān)概念2.機器人操作系統(tǒng)構(gòu)成3.本課程學(xué)習(xí)方法講授法22.機器人操作系統(tǒng)架構(gòu)課程目標(biāo)13.常見操作系統(tǒng)基本功能及特征課程目標(biāo)14.機器人操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢課程目標(biāo)12操作系統(tǒng)進程基本知識1.操作系統(tǒng)進程的基本概念1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)1重點：1.進程的基本概念2.進程同步與互斥3.進程間通信難點：4.進程的互斥與同步5.進程的通信機制理解講授法22.操作系統(tǒng)進程的描述課程目標(biāo)13.操作系統(tǒng)進程同步與互斥課程目標(biāo)14.操作系統(tǒng)進程的通信機制課程目標(biāo)13開源ROS簡介1.ROS簡介1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接2.個人作業(yè)：基本操作練習(xí)，截圖作業(yè)課程目標(biāo)2重點：1.ROS的基本操作難點：2.ROS的調(diào)試方法3.ROS可視化仿真方法講授法42.ROS安裝和使用課程目標(biāo)13.ROS基本操作課程目標(biāo)24.ROS調(diào)試以及數(shù)據(jù)可視化課程目標(biāo)24ROS文件系統(tǒng)1.ROS工程結(jié)構(gòu)介紹1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)1重點：1.ROS的文件空間2.ROS文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)難點：3.ROS的Catkin編譯系統(tǒng)理解4.ROS的CmakeList.txt文件理解講授法42.ROS的Catkin的編譯系統(tǒng)和工作空間結(jié)構(gòu)課程目標(biāo)13.ROS的Package軟件包的創(chuàng)建和結(jié)構(gòu)課程目標(biāo)14.ROS的CMakeLists.txt文件簡介課程目標(biāo)15ROS通信架構(gòu)1.單元節(jié)點和節(jié)點管理器1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接2.個人作業(yè)：Topic通信方式、Service通信方式或者ActionLib通信方式的實例課程目標(biāo)1重點：1.ROS的節(jié)點管理2.ROS節(jié)點通信方式難點：3.ROS通信架構(gòu)中常見通信方式講授法專題研討102.Launch文件的格式和內(nèi)容課程目標(biāo)13.ROS中的四種通信方式：Topic、service、parameterserver、課程目標(biāo)26機器人系統(tǒng)設(shè)計1.機器人系統(tǒng)構(gòu)建：執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)1重點：1.ROS的機器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換2.ROS的機器人描述格式難點：3.ROS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換TF4.ROS的機器人描述格式URDF講授法62.機器人的坐標(biāo)變換，學(xué)習(xí)TF消息、TF樹和TF的數(shù)據(jù)類型課程目標(biāo)23.機器人描述格式URDF課程目標(biāo)27ROS常用工具1.RViz可視化工具1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)2重點：1.ROS常用工具基本內(nèi)容難點：2.ROS常用工具理解與基本操作講授法62.Gazebo仿真工具課程目標(biāo)23.rqt數(shù)據(jù)流可視化工具課程目標(biāo)24.Rosbag對軟件包進行操作的命令課程目標(biāo)25.Rosbridgeros和外界通信的功能包課程目標(biāo)26.Moveit開源操作軟件課程目標(biāo)28Roscpp和Rospy1.Roscpp的基本函數(shù)，用C++開發(fā)ROS的基本方法1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)1重點：1.roscpp基本功能與使用方法2.rospy基本功能與使用方法難點：3.roscpp和rospy的編寫講授法82.Rospy中函數(shù)的定義，用Python開發(fā)ROS的基本方法課程目標(biāo)19機器人SLAM與自主導(dǎo)航1.ROS中常用SLAM功能包的應(yīng)用1.與線上學(xué)習(xí)：參考鏈接課程目標(biāo)1重點：1.ROS常用SLAM包基本功能2.ROS基本導(dǎo)航框架難點：3.roscpp和rospy的編寫講授法專題研討62.ROS中的導(dǎo)航框架課程目標(biāo)13.導(dǎo)航框架的應(yīng)用課程目標(biāo)2實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求表4課程目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)方法對應(yīng)關(guān)系序號項目名稱項目來源教學(xué)目標(biāo)（觀測點、重難點）學(xué)時數(shù)項目類型要求每組人數(shù)教學(xué)方法課程目標(biāo)1ROS系統(tǒng)基本模塊應(yīng)用實驗教材1.ROS基本操作與ROS通信方式（Topic）6驗證性必做1視頻學(xué)習(xí)、查閱文獻、自學(xué)等課程目標(biāo)22.ROS可視化仿真方法（RViz）3.ROS導(dǎo)航包基本功能應(yīng)用2ROS自主導(dǎo)航功能仿真實驗教材1.在Gazebo或者Moveit創(chuàng)建任意可移動輪式機器人模型2綜合性選做1視頻學(xué)習(xí)、查閱文獻、自學(xué)等課程目標(biāo)22.利用ROS基本導(dǎo)航功能包進行自主導(dǎo)航系統(tǒng)功能設(shè)計四、課程考核（一）考核內(nèi)容與考核方式表5課程目標(biāo)、考核內(nèi)容與考核方式對應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)考核內(nèi)容所屬學(xué)習(xí)模塊/項目考核占比考核方式課程目標(biāo)11.機器人操作系統(tǒng)基本概念1~970%課堂表現(xiàn)、作業(yè)、實驗報告、考試2.主流操作系統(tǒng)類別、特征及功能3.機器人操作系統(tǒng)架構(gòu)4.操作系統(tǒng)進程的基本概念、操作系統(tǒng)進程的通信機制5.機器人操作系統(tǒng)ROS的整體架構(gòu)6.機器人操作系統(tǒng)ROS的SLAM自主導(dǎo)航基礎(chǔ)課程目標(biāo)21.理解并掌握ROS通信架構(gòu)和常用工具1~930%課堂表現(xiàn)、作業(yè)、實驗報告、考試2.機器人URDF描述的工作原理和分析方法3.機器人操作ROS中進行可視化建模與仿真4.機器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法、傳感器信息和里程數(shù)據(jù)發(fā)布、基礎(chǔ)控制器與地圖創(chuàng)建等方法5.機器人避障與路徑規(guī)劃的基本方法表6課程目標(biāo)與考核方式矩陣關(guān)系課程目標(biāo)考核方式考核占比期末考試成績比例70%平時作業(yè)與課內(nèi)實驗12%課堂考勤9%課堂表現(xiàn)9%課程目標(biāo)170%70%70%70%70%=70%*70%+12%*70%+9%*70%+9%*70%課程目標(biāo)230%30%30%30%30%備注：以上考核方式類型及占比均為示例，需確保每一列占比總和為100%。（二）成績評定1.平時成績評定平時成績由課堂考勤和課堂表現(xiàn)組成，其比例分配如下：平時成績（100%）=平時作業(yè)（40%）+實驗報告（30%）+課堂表現(xiàn)（30%）（1）課堂表現(xiàn)（30分）：通過學(xué)生的考勤情況和在課堂上的表現(xiàn)情況、發(fā)言與提問情況，來評價學(xué)生相關(guān)的能力；（2）作業(yè)完成情況（40分）：圍繞課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)進行作業(yè)的設(shè)計，根據(jù)學(xué)生作業(yè)完成情況來評價學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況；（3）實驗報告（30分）：主要考核學(xué)生實驗完成和實驗報告情況。2.期末成績評定期末成績評定的考核范圍是針對開源機器人操作系統(tǒng)的綜合知識理解與實踐應(yīng)用能力考查，包括ROS基本操作與ROS通信方式（Topic）、ROS可視化仿真方法RViz、ROS導(dǎo)航包基本功能應(yīng)用、在Gazebo或者Moveit創(chuàng)建任意可移動輪式機器人模型、利用ROS基本導(dǎo)航功能包進行自主導(dǎo)航系統(tǒng)功能設(shè)計等選做內(nèi)容。要求提交研究報告與具體的ROS代碼。(1)考查成績100分，以提交考查材料的評價成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績；(2)主要考查學(xué)生對相關(guān)知識的掌握程度，對使用現(xiàn)代工具、個人和團隊畢業(yè)要求的達成。3.總成績評定總成績（100%）=平時成績（30%）+期末成績（70%）（三）評分標(biāo)準(zhǔn)表7評分標(biāo)準(zhǔn)（非試卷考核項目）考核項目評分標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)課堂表現(xiàn)課堂上的表現(xiàn)專注力集中，提問能正確回答，積極配合老師進行互動，主動幫助同學(xué)。課堂上的表現(xiàn)專注力良好，提問能正確回答，積極配合老師進行互動，能夠幫助同學(xué)。課堂上的表現(xiàn)專注力良好，提問能基本正確回答，能配合老師進行互動，能夠幫助同學(xué)。課堂上的表現(xiàn)專注力一般，提問回答正確率低，基本能配合老師進行互動，能夠幫助同學(xué)。課堂上的表現(xiàn)專注力差，提問回答正確率低，不能配合老師進行互動，幫助同學(xué)少。作業(yè)完成情況能按時提交作業(yè)、無抄襲，作業(yè)準(zhǔn)確率高，字跡清晰，數(shù)據(jù)、公式準(zhǔn)確，結(jié)論正確。能按時提交作業(yè)、無抄襲，作業(yè)準(zhǔn)確率較高，字跡清晰，數(shù)據(jù)、公式基本準(zhǔn)確，結(jié)論基本正確。能按時提交作業(yè)、無抄襲，作業(yè)準(zhǔn)確率一般，字跡基本清晰，數(shù)據(jù)、公式基本準(zhǔn)確，結(jié)論基本正確。能按時提交作業(yè)、有參考目標(biāo)，作業(yè)準(zhǔn)確率較低，字跡潦草，數(shù)據(jù)、公式不夠準(zhǔn)確，結(jié)論不夠正確。不能按時提交作業(yè)、有參考目標(biāo)，作業(yè)準(zhǔn)確率較低，字跡潦草，數(shù)據(jù)、公式不夠準(zhǔn)確，結(jié)論不夠正確。實驗報告實驗操作規(guī)范，在規(guī)定時間內(nèi)完成，報告準(zhǔn)確，