《機器人操作系統(tǒng)》教學大綱

《機器人操作系統(tǒng)》教學大綱課程編號：13230419英文名稱：RobotOperatingSystem學分：3學時：總學時56學時，其中理論40學時，實踐16學時先修課程：程序設(shè)計基礎(chǔ)C、Python編程基礎(chǔ)課程類別：專業(yè)主干必修課程授課對象：機器人工程專業(yè)學生教學單位：機械與電氣工程學院修讀學期：第6學期一、課程描述和目標《機器人操作系統(tǒng)》課程是基于計算機和嵌入式技術(shù)，結(jié)合多種傳感器和執(zhí)行器，進行機器人系統(tǒng)設(shè)計、仿真和控制的理論實踐相結(jié)合課程，是機器人專業(yè)學生的一門專業(yè)必修課程，是運用計算機編程、人工智能、嵌入式技術(shù)等多種學科知識進行機器人系統(tǒng)設(shè)計的一門重要課程。本課程擬達到的課程目標:課程目標1：通過Ubuntu系統(tǒng)的安裝和圖形用戶界面的使用、shell命令語句的學習，能夠掌握用于機器人的UbuntuLinux系統(tǒng)的使用原理和方法。課程目標2：通過C++和Python語言程序設(shè)計基本知識的學習，掌握在Linux操作系統(tǒng)下機器人編程操作，能夠?qū)C器人工程系統(tǒng)的工程問題，開發(fā)相應軟件模擬相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)問題，并能進行計算和設(shè)計。課程目標3：通過基于ROS編程的學習，掌握ROS工作空間和程序包的創(chuàng)建，能夠?qū)ο嚓P(guān)復雜工程問題進行分析其局限性。二、課程目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標權(quán)重5.1了解機器人工程相關(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1H5.2能夠選擇與使用恰當?shù)膬x器、信息資源、工程工具和專業(yè)模擬軟件，對機器人工程相關(guān)領(lǐng)域的復雜工程問題進行分析、計算與設(shè)計；課程目標2M5.3能夠針對包含具體檢測、控制對象在內(nèi)的機器人工程系統(tǒng)工程問題，開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，模擬、預測機器人工程相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)問題，并能夠分析其局限性。課程目標3L（注：要求課程目標與畢業(yè)要求指標點應是一一對應支撐）三、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配1．理論教學內(nèi)容序號教學內(nèi)容基本要求及重、難點（含德育要求）學時教學方式對應課程目標1用于機器人的UbuntuLinux基本要求：了解Ubuntu、掌握VirtualBox的下載和安裝、虛擬機的創(chuàng)建、Ubuntu的安裝、Ubuntu圖形用戶界面的使用。重點難點：shell命令的使用德育要求：立德樹人4集中講授課程目標1課程目標2課程目標32機器人編程的C++基礎(chǔ)知識基本要求：了解C++編程語言、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。重點難點：C++的類和對象德育要求：愛崗敬業(yè)8集中講授課程目標1課程目標2課程目標33機器人編程的Python基礎(chǔ)基本要求：了解Python編程語言、掌握Python的安裝、Python代碼的編寫和執(zhí)行、異常處理、Python基礎(chǔ)知識。重點難點：Python變量、函數(shù)、循環(huán)德育要求：創(chuàng)新意識8集中講授課程目標1課程目標2課程目標34ROS概述基本要求：了解什么是機器人編程、掌握ROS的安裝、支持ROS的機器人和傳感器、常用的ROS計算平臺、ROS文件系統(tǒng)。重點難點：ROS的架構(gòu)和概念德育要求：社會責任4集中講授課程目標1課程目標2課程目標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。重點難點：ROS對嵌入式辦卡編程德育要求：科學素養(yǎng)8集中講授課程目標1課程目標2課程目標36基于ROS的機器人項目基本要求：了解輪式機器人，掌握使用URDF創(chuàng)建一個三維ROS模型、編寫機器人固件程序。重點難點：差速驅(qū)動機器人的運動學德育要求：樂于奉獻8集中講授課程目標1課程目標2課程目標3合計402．實驗教學內(nèi)容序號實驗項目實驗內(nèi)容與要求學時類型對應課程目標1Ubuntu系統(tǒng)安裝根據(jù)具體需求，完成虛擬機的安裝，并在虛擬機中安裝Ubuntu系統(tǒng)，掌握shell命令2演示、驗證課程目標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、驗證課程目標23ROS編程根據(jù)具體需求，完成基于ROS的HelloWorld實例，使用ROS連接Arduino，并在樹莓派上安裝ROS4演示、設(shè)計課程目標14ROS機器人項目根據(jù)具體需求，完成機器人硬件組裝，為機器人創(chuàng)建基于ROS的藍牙驅(qū)動器，傳送消息6演示、設(shè)計課程目標3合計16注：實驗要求包括必修、選修；實驗類型包括演示、驗證、綜合、設(shè)計等。四、課程教學方法1.總體設(shè)計采用項目驅(qū)動的教學模式，虛實結(jié)合，將機器人操作系統(tǒng)相關(guān)項目設(shè)計貫穿于整個教學過程中，分析學生設(shè)計過程產(chǎn)生的錯誤，通過師生互動完成教學任務，激發(fā)學生的學習興趣，增強對所學知識的理解和掌握。課堂教學方法：理論講授、實踐演示、項目討論。實驗教學方法：項目驅(qū)動、集中指導、自主練習、個別答疑。課外學習方法：預習教材相關(guān)章節(jié)。2.課堂教學課堂講授：在課前預習的基礎(chǔ)上，按知識模塊，通過項目案例來演示和歸納主要知識點的應用，通過問題引導學生學習和討論，不斷強化學生對知識的理解。在講授、討論中，引導學生掌握分析、設(shè)計和調(diào)試的基本方法，使學生體驗項目設(shè)計的過程，獲得項目設(shè)計的成就感。課內(nèi)小組討論：圍繞實際項目設(shè)計任務，引導學生進行設(shè)計、優(yōu)化、完善和補充。3.實驗教學在課外學習和作業(yè)實施的基礎(chǔ)上，通過具體任務要求和集中實驗，理解有關(guān)知識點，開展機器人操作系統(tǒng)的演示。4.課外學習課前預習：要求學生在課前按預習計劃完成自主學習內(nèi)容，即自學教材相關(guān)章節(jié)。課后作業(yè)：要求學生按時完成課后作業(yè)。五、學業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評價相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、實驗考核、期末考試組成，均按百分制計分，其中課堂表現(xiàn)成績占10%、平時作業(yè)成績占20%、實驗成績占20%、期末閉卷考試成績占50%。2.課程目標達成考核與評價序號教學環(huán)節(jié)課程目標1（分值）課程目標2（分值）課程目標3（分值）合計1課堂表現(xiàn)424102平時作業(yè)686203實驗考核1055204期末考試15152050課程目標對應分值353035100（二）考核與評價標準1.課堂表現(xiàn)考核與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分課堂表現(xiàn)課堂積極學習機器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識點，回答問題主動性高，項目設(shè)計應用討論參與度強。課堂較積極學習機器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識點，回答問題主動性較高，項目設(shè)計應用討論參與度較強。課堂學習機器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識點的態(tài)度一般，回答問題主動性尚可，項目設(shè)計應用討論參與度一般。課堂學習機器人操作系統(tǒng)相關(guān)知識點，不參與問題解答與項目設(shè)計應用討論。2.平時作業(yè)考核與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分平時作業(yè)按時完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握到位，設(shè)計方案合理。按時完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握較到位，設(shè)計方案較合理。延時完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握基本到位，設(shè)計方案基本合理。不交和補交，50%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握有偏差，設(shè)計方案需改進。3.實驗考核與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分實驗考核機器人操作系統(tǒng)實驗方案合理，設(shè)計方法正確，機器人功能演示完整，很好地完成了實驗要求內(nèi)容，實驗報告格式規(guī)范，符合實驗報告寫作要求。機器人操作系統(tǒng)實驗方案較合理，設(shè)計方法較正確，機器人功能演示較完整，較好地完成了實驗要求內(nèi)容，實驗報告格式較規(guī)范，較符合實驗報告寫作要求。機器人操作系統(tǒng)實驗方案與設(shè)計方法一般，機器人部分功能可以演示，實驗要求內(nèi)容完成度一般，實驗報告格式基本符合實驗報告寫作要求。機器人操作系統(tǒng)實驗方案與設(shè)計方法較差，機器人功能演示效果差，實驗要求內(nèi)容完成度差，實驗報告格式不符合實驗報告寫作要求。4.期末試卷考核與評價標準根據(jù)課程目標及教學內(nèi)容，設(shè)計期末考核試題，綜合檢驗學生對課程相關(guān)知識的掌握、綜合應用及解決復雜問題的能力，根據(jù)考試題目設(shè)計相應評分標準。