肖軍浩 盧惠民 薛小波 徐曉紅

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.157

摘 要：實踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)，對機器人技術(shù)這樣一門典型的交叉學(xué)科尤為重要。然而，開展機器人技術(shù)實踐教學(xué)亟需一個通用的多功能軟件平臺，機器人操作系統(tǒng)（ROS）的面世填補了這個空白。因此，讓高年級本科生學(xué)習(xí)使用ROS有非常重要的意義。事實上，國外很多知名高校已經(jīng)將ROS用于教學(xué)，而國內(nèi)還剛剛起步。作者近兩年在國防科技大學(xué)《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》實踐課程中對ROS教學(xué)進行了初步嘗試，論文不僅分享了課程的教學(xué)方法，還分析了將ROS應(yīng)用于實踐教學(xué)可能遇到的共性問題，提出了建設(shè)ROS實踐教學(xué)課程的建議。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué) 機器人操作系統(tǒng) 機器人技術(shù) 自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0157-03

合理有效開展實踐教學(xué)，是培養(yǎng)工程技術(shù)類人才必不可少的一個重要步驟，對于機器人技術(shù)的教育更是如此。通過實踐教學(xué)，學(xué)生能夠驗證所學(xué)的理論，更重要的是，通過理論與實踐的結(jié)合更深刻理解所學(xué)知識。機器人技術(shù)亟需一個能夠?qū)⒏鞑糠种R融會貫通的軟件實踐平臺。在眾多機器人軟件平臺中，機器人操作系統(tǒng)（ROS）因具有功能豐富、模塊化程度高、代碼可重用性強、開發(fā)效率高、可供借鑒開源資源豐富、組織機器人軟件系統(tǒng)高效靈活等優(yōu)點，能夠更好滿足這個需求。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》實踐課程對引入ROS進行了初步嘗試，分析了將ROS應(yīng)用于實踐教學(xué)肯能遇到的共性問題，提出了建設(shè)ROS實踐教學(xué)課程的建議。

1 機器人操作系統(tǒng)的發(fā)展

作為撬動下一次工業(yè)革命的杠桿，機器人近年來受到全社會的普遍關(guān)注，各國也不斷加大對于機器人研究的支持力度。隨之而來的是機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，但與此同時，機器人系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提高，使得為機器人編寫軟件系統(tǒng)越來越困難。主要原因包括：第一，機器人的功能層次化要求在加深，對軟件的模塊化設(shè)計提出了更高要求；第二，機器人的計算平臺不斷豐富，機器人軟件是否支持跨平臺開發(fā)成為機器人設(shè)計中的一個重要因素；第三，機器人的感知系統(tǒng)越來越復(fù)雜，雖然提升了機器人的感知能力，但數(shù)據(jù)量也越來越大，對于軟件系統(tǒng)的實時性和可靠性提出了挑戰(zhàn)；第四，機器人軟件系統(tǒng)呈“煙囪”式發(fā)展，不同機器人間的接口不能兼容，代碼不能復(fù)用?？傊?，與個人計算機相比，機器人領(lǐng)域缺少一套軟件架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致代碼的復(fù)用率非常低。

針對上述問題，機器人操作系統(tǒng)[1，2]（Robot Operating System，簡稱ROS）應(yīng)運而生。因為集成了全世界機器人領(lǐng)域頂級科研機構(gòu)，包括斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、佐治亞理工大學(xué)、弗萊堡大學(xué)、東京大學(xué)等多年的研究成果，ROS甫一問世便受到了科研人員的廣泛關(guān)注。隨后，ROS又借助開源的魅力吸引了世界各地機器人領(lǐng)域的仁人志士群策群力，推動其不斷進步。2013年麻省理工學(xué)院科技評論（MIT Technology Review）指出：“從2010年發(fā)布1.0版本以來，ROS已經(jīng)成為機器人軟件的事實標(biāo)準(zhǔn)（de facto standard）”。目前ROS在全球已經(jīng)擁有數(shù)以萬計的使用者，其支持的機器人已經(jīng)有百余種，其中包括廉價的樂高機器人（LEGO Mindstorms）和TurtleBot系列教學(xué)機器人。

2 ROS對于機器人實踐教學(xué)的意義

合理有效開展實踐教學(xué)，是培養(yǎng)工程技術(shù)類人才必不可少的一個重要步驟，對于機器人技術(shù)的教育更是如此[3]。通過實踐教學(xué)，學(xué)生能夠驗證所學(xué)的理論，更重要的是，通過理論與實踐的結(jié)合更深刻的理解所學(xué)知識。機器人技術(shù)涉及到機械系統(tǒng)設(shè)計、運動控制規(guī)劃、環(huán)境感知、信息融合、信號處理等眾多研究內(nèi)容，亟需要一個能夠?qū)W(xué)生過去所學(xué)的知識融會貫通的實踐平臺。對于機器人技術(shù)，硬件平臺和軟件平臺具有同等重要的地位，甚至軟件平臺比硬件平臺的地位更加突出，因為沒有硬件平臺還可以通過仿真等途徑進行算法的驗證，而沒有軟件平臺學(xué)生則無從下手。

首先，ROS正是這樣一個能夠用于高年級本科生實踐教學(xué)的理想的軟件平臺，它幾乎涵蓋了機器人技術(shù)的各個方面，包括底層的硬件驅(qū)動、數(shù)據(jù)獲取、運動控制，上層的自主定位、路徑規(guī)劃、地圖創(chuàng)建、目標(biāo)識別等。其次，ROS采用基于發(fā)布/訂閱的節(jié)點通信方式，將各個功能進行了松耦合的模塊化設(shè)計，因此，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對實踐項目進行裁剪。此外，ROS中集成了機器人技術(shù)領(lǐng)域很多最新研究成果的代碼，基于這些代碼學(xué)生很容易站在巨人肩膀上學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生了解學(xué)科的發(fā)展前沿。最后，ROS社區(qū)提供了針對各個層次的用戶的大量在線教程，這些教程都是通過國際同行嚴(yán)格評審后才發(fā)布的，具有非常高的權(quán)威性，可以用于學(xué)生自學(xué)。

因此，讓本科生盡早了解、學(xué)習(xí)并使用ROS具有非常重要的意義：第一，基于ROS能夠迅速實現(xiàn)一些機器人的簡單應(yīng)用，使學(xué)生對機器人技術(shù)產(chǎn)生濃厚的興趣；第二，從更加系統(tǒng)的角度理解機器人軟件架構(gòu)；第三，為研究生期間從事機器人技術(shù)研究打下良好基礎(chǔ)；第四，學(xué)習(xí)ROS中的代碼標(biāo)準(zhǔn)和編程風(fēng)格，培養(yǎng)良好的工程素養(yǎng)；第五，能夠開闊眼界，了解機器人領(lǐng)域最前沿的研究成果。

事實上，自ROS面世以來，國外很多知名高校，如：斯坦福大學(xué)（美國）、伯明翰大學(xué)（英國）、圣路易斯華盛頓大學(xué)（美國）、薩格勒布大學(xué)（克羅地亞）、南卡羅來納大學(xué)（美國）、東京大學(xué)（日本）、錫耶納大學(xué)（意大利）、萊布尼茲漢諾威大學(xué)（德國）已經(jīng)將ROS引入實踐教學(xué)中[4]。與國際同行相比，國內(nèi)關(guān)于機器人操作系統(tǒng)的教學(xué)剛剛起步，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)開設(shè)了研究生課程[5]，在本科生課程方面還未見相關(guān)報告。

3 筆者近兩年的嘗試

筆者在國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化專業(yè)的《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》課程中對ROS教學(xué)進行了初步嘗試。筆者選用的教學(xué)平臺是Willow Garage公司的TurtleBot2教學(xué)機器人[6]，是專門針對本科生和研究生教學(xué)研發(fā)的平臺，結(jié)構(gòu)簡單，外形小巧，采用雙輪差動，搭載紅外傳感器、碰撞檢測傳感器、RGB-D體感攝像頭等傳感器。TurtleBot2自帶了豐富的例程，包括遙控運動控制、行人跟蹤、地圖創(chuàng)建等，并且這些例程都配有詳細(xì)的文檔。

《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》面向自動化專業(yè)大四上學(xué)期本科生，共36個學(xué)時，其中4個學(xué)時用于理論授課，主要用來介紹ROS的基本概念、文件組織、框架結(jié)構(gòu)、基本命令、常用工具、如何編譯執(zhí)行等。其余32個學(xué)時進行分組實驗，具體的實施方式如以下幾點。

3.1 以項目為導(dǎo)向

課程首先發(fā)布一系列的項目供學(xué)生選擇，這些項目涉及到機器人領(lǐng)域不同的知識單元，僅憑一個學(xué)生在課程規(guī)定的時間內(nèi)難以完成。因此，學(xué)生之間必須組隊，根據(jù)題目的難易程度不同允許2～4個學(xué)生為一組。學(xué)生在這門課需要做的是根據(jù)所選項目分析問題和解決實際問題，包含需求分析、方案設(shè)計、代碼實現(xiàn)、軟件調(diào)試、現(xiàn)場驗收5個階段。當(dāng)然，在此過程中老師會給予必要的指導(dǎo)。

通過這種方式，能夠鍛煉學(xué)生綜合利用所學(xué)知識分析并解決實際問題的能力，培養(yǎng)良好的工程素養(yǎng)。

3.2 采用合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式

如上所述，學(xué)生在課程設(shè)計過程中必須通過分工合作才能完成選定的項目。因此，課程采取合作學(xué)習(xí)（cooperative learning）的教學(xué)模式。這一教學(xué)模式于20世紀(jì)70年代在美國提出，并在80年代中期取得實質(zhì)性進展[7，8]，我國在引入后也取得了較好效果[7]。合作學(xué)習(xí)是一種結(jié)構(gòu)化的、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)策略，由2～6名能力各異的學(xué)生組成一個小組，以合作和互助的方式從事學(xué)習(xí)活動，共同完成小組學(xué)習(xí)目標(biāo)，在促進每個人學(xué)習(xí)積極性的前提下，提高整體成績。因此，合作學(xué)習(xí)非常適合類似于《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》這種綜合性較強的課程學(xué)習(xí)。

通過引入合作學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的集體意識和強化團隊合作的能力。

3.3 以多重標(biāo)準(zhǔn)進行評分

在現(xiàn)場驗收時，根據(jù)項目的完成情況，每個小組會有一個分?jǐn)?shù)，但這個分?jǐn)?shù)僅是組內(nèi)成員最終分?jǐn)?shù)的基數(shù)。為了避免“合作學(xué)習(xí)”中出現(xiàn)“不合作”和“不作為”現(xiàn)象，對于組內(nèi)成員采取互評和差異性評分?；ピu是指組內(nèi)成員根據(jù)對于項目的貢獻互相打分，差異性評分是指組內(nèi)成員的最終成績并不相同。

通過引入組內(nèi)成員互評和差異性評分機制，實現(xiàn)了組內(nèi)競爭，激發(fā)學(xué)生作為個體的責(zé)任感。

4 收獲和感悟

因為課程本身融學(xué)術(shù)性、趣味性、競爭性于一身，因此，學(xué)生參與的積極性非常高?？紤]到是第一次在實踐課程中引入ROS，2014年只發(fā)布了3個項目，結(jié)果30個學(xué)生中一半以上報名，最終只有8個學(xué)生入圍。學(xué)生克服了中文文獻少、Linux操作不熟悉等困難，圓滿完成了項目指定的任務(wù)。與學(xué)生交流的過程中，學(xué)生也認(rèn)為在課上學(xué)到了很多新知識，除了機器人操作系統(tǒng)本身之外，對機器人技術(shù)的理解也更加深刻，尤其是對軟硬件體系結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識。為了增加受眾面，2015年教學(xué)團隊加大了課程的建設(shè)力度，成立了指導(dǎo)老師組，面向整個自動化專業(yè)開設(shè)了以ROS為軟件平臺的《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》，并取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

在課程的建設(shè)過程中，筆者也發(fā)現(xiàn)了一些問題，這些問題對于國內(nèi)本科教學(xué)可能是共性的，在教學(xué)過程中值得注意：第一，Linux操作系統(tǒng)知識儲備不足，當(dāng)前我國大學(xué)校園內(nèi)絕大部分用戶都使用微軟各個版本的windows操作系統(tǒng)，知道并能夠熟練使用linux的學(xué)生寥寥無幾。因此，對窗口操作的依賴性極強，對在終端進行命令行操作心存畏懼；第二，中文資料有限，雖然ROS自誕生以來迅速在全世界推廣，但中文資料依然有限。沒有合適的中文教材，對于本科生來講直接使用外文教材難度較大；第三，絕大部分學(xué)生不能將ROS作為一個工具使用，在學(xué)習(xí)過程中不想放過任何一個細(xì)節(jié)，沒有邊學(xué)邊用的習(xí)慣；第四，學(xué)生沒有接觸過Boost編程，而ROS集成了全世界大量一流科研機構(gòu)的科研成果，其代碼中較多的使用了boost編程且高度優(yōu)化；第五，TurtleBot2中的代碼中大量使用了nodelet和roslaunch等工具的高級用法，加大了剖析代碼的難度。

5 對于機器人操作系統(tǒng)教學(xué)的建議

從課程體系層面上考慮開設(shè)《機器人操作系統(tǒng)》相關(guān)實踐課程：在縱向上，開設(shè)必要的先修課程，如《Linux操作系統(tǒng)導(dǎo)論》；在橫向上，建議作為機器人技術(shù)主干課程的配套實踐課，例如：針對《自主移動機器人導(dǎo)論》《機器人視覺》等，精心設(shè)計使用ROS實現(xiàn)理論教學(xué)中的一些案例，吸引學(xué)生的興趣，在汲取理論知識的同時提高學(xué)生的動手能力。

6 結(jié)語

筆者在《自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計》實踐課程中引入了ROS，作為軟件平臺支撐機器人技術(shù)這一典型交叉學(xué)科的實踐教學(xué)。在課程建設(shè)中，始終堅持以項目為主導(dǎo)，采用合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，以多重標(biāo)準(zhǔn)進行評分。課程本身融學(xué)術(shù)性、趣味性、競爭性于一身，因此，學(xué)生參與的積極性非常高。經(jīng)過課程的訓(xùn)練，學(xué)生對于機器人技術(shù)有了更深刻、更系統(tǒng)的認(rèn)識，能夠利用ROS進行軟件的構(gòu)建，解決實際的工程問題，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。此外，筆者總結(jié)了課程建設(shè)過程中遇到的問題，并針對國內(nèi)開展ROS教學(xué)提出了建議。

參考文獻

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