陳靈　徐昱琳

【摘 要】自主移動機器人是一門涉及機械、電子、計算機科學(xué)、通信及智能控制的機電一體化綜合課程，是服務(wù)機器人發(fā)展的重要部分。以提高學(xué)生實踐能力為出發(fā)點，本文探索了自主移動機器人課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的改革，對于提升工科學(xué)生理論聯(lián)系實踐解決實際工程技術(shù)問題的能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)和在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新實踐能力具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】自主移動機器人；實踐能力；機器人操作系統(tǒng)；教學(xué)改革

中圖分類號： TP242 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0014-003

Exploration of Teaching Reform of Autonomous Mobile Robotics based on Practice

CHEN Ling XU Yu-lin

（School of Mechatronic Engineering and Automation， Shanghai， 200072，China）

【Abstract】Autonomous mobile robotics is a mechanotronics and comprehensive course that involves mechanical， electronics， computer science， communication and intelligent control， and it is a vital part of the development of service robotics. For the purpose of improving the practicing ability of the students， this paper explores the reform of the aspects teaching content and methodology of the autonomous mobile robots course. It will play a significant role in improving the ability of engineering students to address real engineering problems， enhancing the comprehensive quality of the students and strengthening the ability of innovation in related technological area.

【Key words】Autonomous mobile robots； Practicing ability； Robot operating system； Teaching reform

0 引言

機器人技術(shù)被稱為制造業(yè)皇冠頂端的明珠，同時也是改善人類生活方式的重要切入點，在現(xiàn)代國民經(jīng)濟生活中占據(jù)非常重要的地位。為貫徹落實好《中國制造2025》將機器人作為重點發(fā)展領(lǐng)域的總體部署，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部發(fā)布的《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》對我國機器人發(fā)展作出重要部署，可見國家對機器人技術(shù)發(fā)展的高度重視。機器人總體上可分為適用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)的工業(yè)機器人和在非結(jié)構(gòu)化中工作的服務(wù)機器人，而服務(wù)機器人中種類最多的是移動機器人，主要是因為服務(wù)機器人的一個最基本的功能是能在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主運動，因此區(qū)別于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的機器人，移動機器人因需和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境交互而更具挑戰(zhàn)性。

移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。隨著機器人性能不斷地完善，移動機器人的應(yīng)用范圍大為擴展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探測領(lǐng)域等有害與危險環(huán)境中得到很好的應(yīng)用。因此，移動機器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國的普遍關(guān)注。本課程是國內(nèi)外高等院校高年級本科生和碩士研究生必修或選修課程，它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。因此，該課程教學(xué)可以使學(xué)生充分學(xué)習(xí)機電一體化系統(tǒng)的理論和實踐知識，對于提升學(xué)生理論聯(lián)系實踐解決實際工程技術(shù)問題的能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新實踐能力具有重要意義。

自主移動機器人課程內(nèi)容豐富，涉及理論教學(xué)和實踐內(nèi)容，先修課程包括電工理論、數(shù)字/模擬電子技術(shù)、自動控制原理、現(xiàn)代控制理論與傳感器技術(shù)、程序設(shè)計、算法導(dǎo)論、人工智能等，對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高，尤其對實踐動手能力要求更高，學(xué)生往往理論成績不錯但運用理論知識動手真正解決實際問題的能力欠缺[1]，造成漸漸失去對該課程學(xué)習(xí)的興趣。因此為進一步提高該課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生對自主移動機器人課程的興趣，本文以實踐項目為導(dǎo)向，對自主移動機器人課程在內(nèi)容和教學(xué)方法上進行探索和研究。

1 自主移動機器人教學(xué)現(xiàn)狀分析

本文首先針對目前自主移動機器人教學(xué)現(xiàn)狀進行分析，以期為教學(xué)改革措施提供依據(jù)。目前自主移動機器人課程主要存在如下問題：

1.1 課程內(nèi)容大多為概述內(nèi)容

國內(nèi)自主移動機器人相關(guān)課程內(nèi)容大多以概述內(nèi)容為主，理論知識傳授占據(jù)大部分課堂時間，主要講述移動機器人的基本原理與概念，包括移動機器人運動學(xué)建模、環(huán)境感知、定位、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、自動控制等，較少涉及這些具體內(nèi)容在實踐中如何程序代碼實現(xiàn)。盡管基本原理與概念在后期實踐過程中具有基礎(chǔ)性作用，但過多的該屬性內(nèi)容和少量的實踐內(nèi)容令學(xué)生興趣不高。

1.2 現(xiàn)有實驗仿真軟件不能精確仿真真實環(huán)境endprint

本課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識的能力至關(guān)重要，實驗仿真是很多高校采取的實驗環(huán)節(jié)的一部分。仿真平臺或仿真軟件是否能較真實的模擬真實環(huán)境在一定程度上決定了培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力的有效性。而現(xiàn)有機器人相關(guān)課程很多是基于MATLAB仿真[2-3]，或者MobileRobot公司的MobileSim[4]仿真軟件，前者的可視化效果和運行速度都不盡人意，而后者缺乏許多物理特性（如碰撞、摩擦等）的仿真，缺乏物理引擎。

1.3 由于條件限制無法讓學(xué)生真正動手實踐

盡管仿真實驗對培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力發(fā)揮了一定的重要作用，但仿真畢竟不能完全模擬現(xiàn)實世界的環(huán)境，比如現(xiàn)實世界中的許多不確定性因素較難用數(shù)學(xué)模型表達。因此，讓學(xué)生真正動手在現(xiàn)實世界中運行真實移動機器人并實現(xiàn)一定功能才能切實提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量。但由于軟硬件成本過高，許多高校無法滿足讓每個學(xué)生都有機會使用移動機器人的相關(guān)設(shè)備，造成無法讓學(xué)生真正動手實踐。

2 課程改革探索

針對上述自主移動機器人課程尚存問題，通過對國外自主移動機器人課程的觀察學(xué)習(xí)，將國際先進教學(xué)方式、方法和理念引入到本課程教學(xué)中，以期本課程能緊跟國際潮流，提升教學(xué)質(zhì)量。筆者在英國埃塞克斯大學(xué)求學(xué)期間，有幸作為該校課程《Mobile Robotics》的助教，了解到課程教授非常注重理論與實踐的結(jié)合，課堂上深入淺出地介紹移動機器人相關(guān)理論，實驗中則要求學(xué)生先通過仿真編程實現(xiàn)一個具體任務(wù)，然后再在真實的先鋒機器人上實現(xiàn)同樣的任務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力。瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)機器人系統(tǒng)實驗室則為了提升學(xué)生機器人軟件開發(fā)能力專門開設(shè)了《Programming for Robotics》的課程，可見其對學(xué)生動手實踐的能力。美國賓夕法尼亞大學(xué)為研究生開設(shè)了《Robotics》的課程，主要涉及移動機器人的運動規(guī)劃，控制和視覺等方面的內(nèi)容，同樣非常注重學(xué)生理論和應(yīng)用實踐的平衡，課程的作業(yè)分個人項目和團體項目，以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和團隊協(xié)作的能力。

綜合考慮以上各國際高校在移動機器人課程的教學(xué)經(jīng)驗以及國內(nèi)課程的諸多不足，在課程內(nèi)容和教學(xué)方法兩大方面進行改革探索。

2.1 課程內(nèi)容改革

2.1.1 以點帶面，學(xué)生觸類旁通

選擇一款具有廣大用戶群的移動機器人產(chǎn)品，詳細(xì)全面介紹其硬件組成，包括動力驅(qū)動、傳感器和計算單元等。本課程將采用廣受國內(nèi)外高校歡迎的移動機器人平臺TurtleBot[5]，如圖1所示。 選擇該平臺的理由如下：（1）成本不高。相比于其他產(chǎn)品如MobileRobot公司的Pioneer機器人動輒10萬人民幣甚至更高的價格，TurtleBot價格只有數(shù)千元，如此親民的價格，對于教學(xué)經(jīng)費有限的高校甚至學(xué)生個人來說都可以負(fù)擔(dān)得起；（2）雖然成本不高，但絲毫不因此而減少移動機器人所需的最基本的組件。所謂“麻雀雖小，五臟俱全”；（3）該產(chǎn)品有個非?；钴S的社區(qū)平臺。該社區(qū)平臺資源豐富，且都可免費獲??；由于用戶群眾多，社區(qū)平臺上總有人遇到和學(xué)生相同的問題且有眾多同行解答，因此，通過該平臺學(xué)生能迅速找到解決問題的方案；（4）原生態(tài)支持目前國內(nèi)外最為流行的機器人程序開發(fā)平臺“機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System， ROS） [6]”。通過對該產(chǎn)品的學(xué)習(xí)和實踐，可以掌握ROS，有助于提高學(xué)生的就業(yè)競爭力和科研能力。

通過對該產(chǎn)品的詳細(xì)介紹，使學(xué)生能較為透徹地掌握移動機器人的硬件組成的基本概念和原理，以點帶面，再簡單拓展到其他類似產(chǎn)品，學(xué)生便可觸類旁通，甚至可通過自己查閱資料對一款移動機器人有較全面的認(rèn)識。

2.1.2 以ROS為開發(fā)平臺，堅持原理和實踐結(jié)合，全面掌握知識點

傳統(tǒng)的課程大多只介紹硬件或者算法原理，并未涉及實踐中應(yīng)該如何用具體的代碼實現(xiàn)硬件驅(qū)動和算法，學(xué)生往往對概念和原理一知半解。ROS 是一個開源機器人軟件系統(tǒng)開發(fā)框架，于2010年對外正式發(fā)布，很多高校、機器人研究單位開始重視機器人開發(fā)框架的應(yīng)用。2012年以來，隨著ROS框架的逐步完善，全球開始有越來越多的開發(fā)者學(xué)習(xí)并將其應(yīng)用于自己的機器人開發(fā)項目中。2013年，越來越多的企業(yè)開始重視ROS開發(fā)框架的應(yīng)用，并招募相關(guān)人才，近年來的ROS使用量和下載量呈指數(shù)級增長，已然成為機器人軟件開發(fā)事實標(biāo)準(zhǔn)。為了使學(xué)生能夠?qū)χR點融會貫通，同時緊跟先進技術(shù)潮流，將以ROS為開發(fā)平臺，介紹和講解硬件驅(qū)動和算法原理對應(yīng)的兼容ROS的代碼實現(xiàn)。在課程的前期，首先安排課時講解ROS相關(guān)基礎(chǔ)知識，包括ROS的特性、基本概念、常用命令和基本的ROS應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)及編程方法，以期為后續(xù)的理論的實現(xiàn)打好良好的基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)方法改革

2.2.1 以項目為依托，切實提高動手能力

以輪式移動機器人導(dǎo)航項目為依托，要求學(xué)生在TurtleBot移動機器人平臺上實現(xiàn)移動機器人自主導(dǎo)航功能，即當(dāng)給定機器人在環(huán)境中的某個目標(biāo)位置后，機器人便能首先規(guī)劃好一條最短路徑，然后自主沿著最短路徑移動到目標(biāo)位置，并且在移動過程中如果遇到障礙物，則能主動實現(xiàn)避障。

整個項目的軟件系統(tǒng)采用ROS框架開發(fā)。由于ROS框架原生態(tài)支持軟件開發(fā)模塊化，在項目完成過程中，教學(xué)中，按照傳感器驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊、定位模塊、地圖構(gòu)建模塊、路徑規(guī)劃和控制模塊等逐個講解；學(xué)生項目實踐中，也同樣按照以上各模塊單獨實現(xiàn)與調(diào)試，并灌輸軟件模塊化編寫與調(diào)試的思想。每完成某個模塊的教學(xué)和講解就進行該模塊的具體代碼編程實現(xiàn)的講解，編程實現(xiàn)的講解只涉及算法核心代碼部分的實現(xiàn)，完整的代碼編寫以及代碼修改作為學(xué)生的課后作業(yè)由學(xué)生自己完成，并在下一模塊學(xué)習(xí)之前進行檢查，以看到訂閱和發(fā)布的話題是否正確作為評價標(biāo)準(zhǔn)。通過完成該項目，學(xué)生們可熟練掌握基于ROS的機器人軟件系統(tǒng)開發(fā)，包括Rviz，TF，rosnode， rostopic， rosservice，roslaunch等工具的使用，雖然該項目是以輪式移動機器人為平臺，但是其中有關(guān)機器人和ROS的基本概念、原理知識和ROS使用方法、技巧等都可舉一反三，觸類旁通地擴展至其他移動機器人類型，如步行移動機器人、履帶式移動機器人、爬行機器人、蠕動機器人和游動式機器人等，從而切實提高學(xué)生機器人軟件系統(tǒng)開發(fā)的動手能力。endprint

2.2.2 仿真和實物相結(jié)合，提升學(xué)生軟件測試和調(diào)試能力

學(xué)生首先在仿真器中完成該項目。采用兼容ROS的仿真器Gazebo[7]，如圖2所示。選用Gazebo仿真器的原因在于：不同于前述MATLAB仿真，以及MobileRobot的MobileSim移動機器人仿真軟件，Gazebo是個開源軟件，內(nèi)含復(fù)雜物理引擎，支持復(fù)雜物理現(xiàn)象的精確模擬，能夠較精確再現(xiàn)現(xiàn)實世界環(huán)境；另外，Gazebo原生態(tài)支持ROS，并且已有許多現(xiàn)有機器人和各類傳感器模塊插件可用，包括本課程使用的TurtleBot的模塊。在仿真器中，學(xué)生能在不用TurtleBot實物的情況下調(diào)試各軟件模塊以及整體軟件系統(tǒng)，為后續(xù)在實物上的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。完成在仿真器上的軟件調(diào)試后，學(xué)生轉(zhuǎn)移到在TurtleBot實物上繼續(xù)實現(xiàn)移動機器人的自主導(dǎo)航功能，和仿真器中不同的是，傳感器和電機驅(qū)動程序需要另外編寫和測試；另外，現(xiàn)實世界的環(huán)境含有更多不確定因素，需要學(xué)生遇到問題時解決。通過仿真和實物的結(jié)合，能有效提升學(xué)生機器人軟件測試與調(diào)試能力。

2.2.3 參觀博覽會，開拓視野

帶領(lǐng)學(xué)生參觀上海每年舉行的中國機器人博覽會和工業(yè)博覽會，一方面開拓學(xué)生視野，了解機器人領(lǐng)域現(xiàn)狀，另一方面進行現(xiàn)場教學(xué)和講解，鞏固課堂所學(xué)，以進一步培養(yǎng)學(xué)生興趣和理論結(jié)合實際的能力。

2.2.4 課程設(shè)計-學(xué)生搭建自己的移動機器人平臺

課程設(shè)計目標(biāo)是搭建自己的移動機器人，并實現(xiàn)該機器人的自主導(dǎo)航功能：

首先，讓學(xué)生完成機器人關(guān)節(jié)、結(jié)構(gòu)和外觀的設(shè)計，并通過設(shè)計URDF（Unified Robot Description Format）文件對該機器人進行描述，然后編寫驅(qū)動算法，傳感器驅(qū)動和電機驅(qū)動模型插件，導(dǎo)入至Gazebo進行仿真驗證，接著在課程教學(xué)中的TurtleBot的自主導(dǎo)航項目的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自建機器人在Gazebo仿真器中的自主導(dǎo)航。

其次，在課程經(jīng)費的支持下，將學(xué)習(xí)班學(xué)生分成若干個小團隊，每個團隊一起合作搭建一個實物移動機器人，并在該機器人上實現(xiàn)自主導(dǎo)航功能。計算平臺擬采用Nvidia 公司基于Tegra K1芯片的Nvidia Jetson TK1開發(fā)板，如圖3所示。該開發(fā)板以革命性的Tegra K1 SoC為基礎(chǔ)構(gòu)建，使用KeplerTM計算核心，該核心專為超級計算機所設(shè)計，用于快速開發(fā)和部署面向機器視覺，機器人、醫(yī)療和其他更多領(lǐng)域的計算密集系統(tǒng)。傳感器和電機控制與Nvidia Jetson TK1開發(fā)板之間的通信通過常用通信接口如串口和USB接口等實現(xiàn)。傳感器和電機控制驅(qū)動程序開發(fā)可參考課程教學(xué)中的TurtleBot的對應(yīng)的驅(qū)動程序。最后，同樣地，在TurtleBot的自主導(dǎo)航項目的基礎(chǔ)上實現(xiàn)該自建實物移動機器人在某未知環(huán)境中的自主導(dǎo)航。通過自己搭建仿真和實物移動機器人并實現(xiàn)自主導(dǎo)航，學(xué)生們才算真正掌握了課程所學(xué)，有助于培養(yǎng)和鍛煉自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力。

4 結(jié)束語

針對目前自主移動機器人課程重理論和概述而輕實踐的現(xiàn)狀，對該課程在內(nèi)容和教學(xué)方法上進行基于實踐的教學(xué)改革探索。課程內(nèi)容上，采用廣受國內(nèi)外高校歡迎的移動機器人平臺TurtleBot進行系統(tǒng)性介紹，以點帶面；采用機器人操作系統(tǒng)ROS這個堪稱機器人程序開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)框架作為課程軟件開發(fā)工具，堅持原理和實踐結(jié)合；教學(xué)方法上，以實現(xiàn)輪式機器人TurtleBot自主導(dǎo)航功能項目為依托，切實提高學(xué)生動手能力；引導(dǎo)學(xué)生仿真和實物相結(jié)合實現(xiàn)項目功能，提升學(xué)生軟件測試和調(diào)試能力；帶領(lǐng)學(xué)生參觀機器人相關(guān)博覽會，開拓學(xué)生本領(lǐng)域內(nèi)的視野；指導(dǎo)學(xué)生以團隊形式搭建自己的移動機器人平臺，使學(xué)生真正掌握課程所學(xué)。

【參考文獻】

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[5]Open Robotics Software Foundation.TurtleBot2，http：//www.turtlebot.com/turtlebot2/，August 29，2017.

[6]Open Robotics Software Foundation，2017.Robot Operating System （ROS），https：//www.ros.org/，August 19，2017.

[7]Open Robotics Software Foundation，2017.Gazebo，http：//www.gazebosim.org/，August19，2017.endprint