機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS應(yīng)用實(shí)踐-教學(xué)大綱、授課計(jì)劃

《機(jī)器人操作系統(tǒng)》教學(xué)大綱課程信息課程名稱：大學(xué)怎么讀——以電子信息類專業(yè)為例課程類別：素質(zhì)選修課/專業(yè)基礎(chǔ)課課程性質(zhì)：選修/必修計(jì)劃學(xué)時(shí)：64計(jì)劃學(xué)分：4先修課程：無(wú)選用教材：《機(jī)器人操作系統(tǒng)》，彭剛、林天麟、劉錦濤、胡春旭、姚昱、楊帆主編，2023年，電子工業(yè)出版社教材。適用專業(yè)：本課程可作為高等院校自動(dòng)化、機(jī)器人工程、人工智能、機(jī)電一體化等相關(guān)專業(yè)的“機(jī)器人系統(tǒng)原理”“機(jī)器人操作系統(tǒng)”“機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)”課程，也可以作為工程實(shí)訓(xùn)與學(xué)科競(jìng)賽的實(shí)踐課程，同時(shí)可供廣大希望從事機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員、教師或者個(gè)人參考。課程負(fù)責(zé)人：二、課程簡(jiǎn)介該課程由淺入深地介紹了機(jī)器人系統(tǒng)組成與ROS應(yīng)用實(shí)踐，不僅能使學(xué)生快速了解機(jī)器人和ROS，而且為學(xué)生講解移動(dòng)機(jī)器人與機(jī)械臂兩個(gè)應(yīng)用方向的基本原理與常用算法，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，以及將學(xué)到的知識(shí)加以應(yīng)用的能力。三、課程教學(xué)要求序號(hào)專業(yè)畢業(yè)要求課程教學(xué)要求關(guān)聯(lián)程度1工程知識(shí)包括機(jī)器人系統(tǒng)組成、將機(jī)器人連接到ROS、建立機(jī)器人系統(tǒng)模型、移動(dòng)機(jī)器人激光SLAM、移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航、基于多傳感器的SLAM、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)視覺、基于視覺的機(jī)械臂抓取、移動(dòng)機(jī)器人視覺SLAM、ROS2.0介紹與編程基礎(chǔ)等內(nèi)容，有利于讀者掌握ROS原理與應(yīng)用實(shí)踐開發(fā)方法，培養(yǎng)軟件全棧開發(fā)能力。L2問題分析越來(lái)越多的機(jī)器人正走向人們的生活及生產(chǎn)環(huán)境，機(jī)器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem，ROS）作為一種重要的軟件開發(fā)框架，提高了機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)與部署效率，在分工協(xié)作、軟件維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展中具有重要意義。H3設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，融合先進(jìn)的工程對(duì)象教學(xué)方法，采用理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，提高學(xué)生實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的項(xiàng)目研發(fā)能力。H4研究5使用現(xiàn)代工具ROS應(yīng)用M6工程與社會(huì)學(xué)生能夠意識(shí)到學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)的重要性，不僅要有良好的思想道德素質(zhì)、科學(xué)文化素質(zhì)、專業(yè)技能和健康的身體，而且要有良好的心理素質(zhì)，勇于承擔(dān)責(zé)任，能夠承受失敗與挫折等。L7環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展8職業(yè)規(guī)范9個(gè)人和團(tuán)隊(duì)1.學(xué)會(huì)個(gè)人發(fā)展和團(tuán)隊(duì)合作，提高個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的綜合素質(zhì)。2.學(xué)會(huì)與他人合作和溝通，建立良好的人際關(guān)系和團(tuán)隊(duì)合作氛圍。H10溝通1.學(xué)會(huì)進(jìn)行有效的溝通和表達(dá)，與客戶、同事和上級(jí)保持良好的溝通和協(xié)作。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行跨文化溝通和合作，提高國(guó)際化視野和跨文化交流能力。M11項(xiàng)目管理12終身學(xué)習(xí)1.學(xué)會(huì)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和自我提升，不斷提高自身的專業(yè)水平和創(chuàng)新能力。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行終身學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，不斷拓展職業(yè)領(lǐng)域和發(fā)展空間。H注：“課程教學(xué)要求”欄中內(nèi)容為針對(duì)該課程適用專業(yè)的專業(yè)畢業(yè)要求與相關(guān)教學(xué)要求的具體描述?！瓣P(guān)聯(lián)程度”欄中字母表示二者關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)程度按高關(guān)聯(lián)、中關(guān)聯(lián)、低關(guān)聯(lián)三檔分別表示為“H”“M”或“L”?！罢n程教學(xué)要求”及“關(guān)聯(lián)程度”中的空白欄表示該課程與所對(duì)應(yīng)的專業(yè)畢業(yè)要求條目不相關(guān)。四、課程教學(xué)內(nèi)容章節(jié)名稱主要內(nèi)容重難點(diǎn)關(guān)鍵詞學(xué)時(shí)類型1機(jī)器人系統(tǒng)組成移動(dòng)底盤和機(jī)械臂機(jī)器人系統(tǒng)的硬件組成傳感器機(jī)器人系統(tǒng)的軟件組成了解并掌握計(jì)算平臺(tái)；掌握控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)，以及軟件組成等。5理論+實(shí)操2將機(jī)器人連接到ROS初識(shí)ROS安裝ROSROS文件系統(tǒng)與通信機(jī)制編寫第一個(gè)ROS程序ROS常用組件Spark底盤控制ROS外接設(shè)備介紹了解ROS的起源、架構(gòu)和特點(diǎn)；掌握如何安裝ROS和設(shè)置環(huán)境變量；掌握ROS文件系統(tǒng)與通信機(jī)制以及ROS工作空間和功能包、ROS節(jié)點(diǎn)的編寫和運(yùn)行；掌握幾種ROS常用組件。13理論+實(shí)操3建立機(jī)器人系統(tǒng)模型移動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)模型與控制基于激光雷達(dá)的環(huán)境感知了解并掌握幾種常見的輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型與URDF建模；掌握機(jī)器人視角下的環(huán)境感知和障礙物判斷的方法。5理論+實(shí)操4移動(dòng)機(jī)器人激光SLAMSLAM基本原理Gmapping算法HectorSLAM算法了解并掌握2D激光SLAM算法的原理和使用方法；掌握多線3D激光SLAM算法。4理論+實(shí)操5移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航基于地圖的定位基于地圖的自主導(dǎo)航了解并掌握如何利用激光雷達(dá)進(jìn)行地圖構(gòu)建；掌握如何利用傳感器信息確定機(jī)器人的位置，以及進(jìn)行自主導(dǎo)航。4理論+實(shí)操6基于多傳感器的SLAM慣性測(cè)量單元模型與標(biāo)定激光雷達(dá)與IMU的外參標(biāo)定差速輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)里程計(jì)模型基于卡爾曼濾波的多傳感器融合Cartographer算法了解并掌握基于激光雷達(dá)、IMU、里程計(jì)等的多傳感器融合SLAM算法。6理論+實(shí)操7機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械臂建模機(jī)械臂控制—MoveItMoveIt編程—機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃掌握多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的URDF建模和可視化控制；掌握機(jī)械臂建模、機(jī)械臂控制、MoveIt編程；掌握機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制是如何實(shí)現(xiàn)的。7理論+實(shí)操8計(jì)算機(jī)視覺認(rèn)識(shí)OpenCV單目視覺傳感器的使用相機(jī)標(biāo)定圖像變換與處理常見的圖像特征點(diǎn)檢測(cè)算法目標(biāo)識(shí)別了解并掌握計(jì)算機(jī)視覺的基本知識(shí)，如OpenCV庫(kù)、相機(jī)內(nèi)參與外參標(biāo)定、圖像變換及常見的圖像檢測(cè)算法等。8理論+實(shí)操9基于視覺的機(jī)械臂抓取深度相機(jī)基于深度學(xué)習(xí)的物體識(shí)別手眼標(biāo)定原理和過程基于視覺的機(jī)械臂抓取實(shí)現(xiàn)了解深度相機(jī)的原理；掌握基于深度學(xué)習(xí)的物體識(shí)別；掌握手眼標(biāo)定，通過深度相機(jī)獲取物體在三維空間中的位置，控制機(jī)械臂對(duì)物體進(jìn)行抓取操作；掌握物體抓取的姿態(tài)估計(jì)、機(jī)械臂抓取運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等。4理論+實(shí)操10移動(dòng)機(jī)器人視覺SLAM視覺SLAM框架ORB-SLAM算法稠密建圖其他視覺SLAM算法或框架了解并掌握除激光SLAM外，其他幾種視覺SLAM算法和稠密建圖方法。5理論+實(shí)操11ROS2.0介紹與編程基礎(chǔ)ROS2.0設(shè)計(jì)思想ROS2.0安裝與使用ROS2.0編程基礎(chǔ)了解ROS2.0設(shè)計(jì)思想；掌握ROS2.0安裝與使用，以及ROS2.0編程基礎(chǔ)。3理論+實(shí)操五、考核要求及成績(jī)?cè)u(píng)定序號(hào)成績(jī)類別考核方式考核要求權(quán)重（%）備注1期末成績(jī)期末考試考試50百分制，60分為及格2平時(shí)成績(jī)課后作業(yè)11次40優(yōu)、良、中、及格、不及格3平時(shí)表現(xiàn)出勤情況10兩次未參加課程則無(wú)法獲得學(xué)分注：此表中內(nèi)容為該課程的全部考核方式及其相關(guān)信息。六、學(xué)生學(xué)習(xí)建議學(xué)習(xí)方法建議1.通過開展課堂討論、實(shí)踐活動(dòng)，增強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)交流能力，學(xué)會(huì)如何與他人合作、溝通、協(xié)調(diào)等等。2.通過思考，加深自己的興趣，鞏固知識(shí)點(diǎn)。3.進(jìn)行練習(xí)和實(shí)踐，提高自己的技能和應(yīng)用能力，加深對(duì)知識(shí)的理解和記憶。學(xué)生課外閱讀參考資料《機(jī)器人操作系統(tǒng)》，彭剛、林天麟、劉錦濤、胡春旭、姚昱、楊帆主編，2023年，電子工業(yè)出版社教材。七、課程改革與建設(shè)該課程以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，按照工作導(dǎo)向的思路展開教學(xué)，通過“學(xué)中做、做中學(xué)”的方式，循序漸進(jìn)地介紹機(jī)器人操作系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)方法；通過構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行多個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建基于傳感器的智能機(jī)器人系統(tǒng)。平時(shí)對(duì)學(xué)生的考核內(nèi)容包括出勤情況、學(xué)生的課后作業(yè)、課堂討論等方面，占期末總評(píng)的50%。期末考試成績(jī)占期末總評(píng)的50%。制訂人簽字：教研室主任簽字：院部負(fù)責(zé)人簽字：修訂時(shí)間：年月日教學(xué)日歷（20xx～20xx學(xué)年第x學(xué)期）開課學(xué)院開課專業(yè)講授學(xué)時(shí)32課程名稱機(jī)器人操作系統(tǒng)授課教師實(shí)踐/實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)32授課年級(jí)授課班級(jí)總學(xué)時(shí)64使用教材《機(jī)器人操作系統(tǒng)》參考書目《機(jī)器人操作系統(tǒng)》校歷周次授課內(nèi)容分章節(jié)題目第1周第1章機(jī)器人系統(tǒng)組成（4學(xué)時(shí)）1.1移動(dòng)底盤和機(jī)械臂（1學(xué)時(shí)）1.2機(jī)器人系統(tǒng)的硬件組成（1學(xué)時(shí)）1.3傳感器（2學(xué)時(shí)）第2周第1章機(jī)器人系統(tǒng)組成（1學(xué)時(shí)）1.4機(jī)器人系統(tǒng)的軟件組成（1學(xué)時(shí)）第2章將機(jī)器人連接到ROS（3學(xué)時(shí)）2.1初識(shí)ROS（1學(xué)時(shí)）2.2安裝ROS（2學(xué)時(shí)）第3周第2章將機(jī)器人連接到ROS（4學(xué)時(shí)）2.3ROS文件系統(tǒng)與通信機(jī)制（2學(xué)時(shí)）2.4編寫第一個(gè)ROS程序（2學(xué)時(shí)）第4周第2章將機(jī)器人連接到ROS（4學(xué)時(shí)）2.4編寫第一個(gè)ROS程序（1學(xué)時(shí)）2.5ROS常用組件（2學(xué)時(shí)）2.6Spark底盤控制（1學(xué)時(shí)）第5周第2章將機(jī)器人連接到ROS（2學(xué)時(shí)）2.7ROS外接設(shè)備介紹（2學(xué)時(shí)）第3章建立機(jī)器人系統(tǒng)模型（2學(xué)時(shí)）3.1移動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)模型與控制（2學(xué)時(shí)）第6周第3章建立機(jī)器人系統(tǒng)模型（3學(xué)時(shí)）3.1移動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)模型與控制（1學(xué)時(shí)）3.2基于激光雷達(dá)的環(huán)境感知（2學(xué)時(shí)）第4章移動(dòng)機(jī)器人激光SLAM（1學(xué)時(shí)）4.1SLAM基本原理（1學(xué)時(shí)）第7周第4章移動(dòng)機(jī)器人激光SLAM（3學(xué)時(shí)）4.1SLAM基本原理（1學(xué)時(shí)）4.2Gmapping算法（1學(xué)時(shí)）4.3HectorSLAM算法（1學(xué)時(shí)）第5章移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航（1學(xué)時(shí)）5.1基于地圖的定位（1學(xué)時(shí)）第8周第5章移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航（3學(xué)時(shí)）5.1基于地圖的定位（1學(xué)時(shí)）5.2基于地圖的自主導(dǎo)航（2學(xué)時(shí)）第6章基于多傳感器的SLAM（1學(xué)時(shí)）6.1慣性測(cè)量單元模型與標(biāo)定（1學(xué)時(shí)）第9周第6章基于多傳感器的SLAM（4學(xué)時(shí)）6.2激光雷達(dá)與IMU的外參標(biāo)定（1學(xué)時(shí)）6.3差速輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)里程計(jì)模型（1學(xué)時(shí)）6.4基于卡爾曼濾波的多傳感器融合（1學(xué)時(shí)）6.5Cartographer算法（1學(xué)時(shí)）第10周第6章基于多傳感器的SLAM（1學(xué)時(shí)）6.5Cartographer算法（1學(xué)時(shí)）第7章機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制（3學(xué)時(shí)）7.1機(jī)械臂建模（2學(xué)時(shí)）7.2機(jī)械臂控制—MoveIt（1學(xué)時(shí)）第11周第7章機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制（4學(xué)時(shí)）7.2機(jī)械臂控制—MoveIt（1學(xué)時(shí)）7.3MoveIt編程—機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃（3學(xué)時(shí)）第12周第8章計(jì)算機(jī)視覺（4學(xué)時(shí)）8.1認(rèn)識(shí)OpenCV（1學(xué)時(shí)）8.2單目視覺傳感器的使用（1學(xué)時(shí)）8.3相機(jī)標(biāo)定（2學(xué)時(shí)）第13周第8章計(jì)算機(jī)視覺（4學(xué)時(shí)）8.4圖像變換與處理（1學(xué)時(shí)）8.5常見的圖像特征點(diǎn)檢測(cè)算法（2學(xué)時(shí)）8.6目標(biāo)識(shí)別（1學(xué)時(shí)）第14周第9章基于視覺的機(jī)械臂抓取（4學(xué)時(shí)）9.1深度相機(jī)（1學(xué)時(shí)）9.2基于深度學(xué)習(xí)的物體識(shí)別（1學(xué)時(shí)）9.3手眼標(biāo)定原理和過程（1學(xué)時(shí)）9.4基于視覺的機(jī)械臂抓