將機器人操作系統（ROS）引入本科實踐教學

肖軍浩 盧惠民 薛小波 徐曉紅

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

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

關鍵詞：實踐教學 機器人操作系統 機器人技術 自動化系統綜合設計

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

合理有效開展實踐教學，是培養工程技術類人才必不可少的一個重要步驟，對于機器人技術的教育更是如此。通過實踐教學，學生能夠驗證所學的理論，更重要的是，通過理論與實踐的結合更深刻理解所學知識。機器人技術亟需一個能夠將各部分知識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（ROS）因具有功能豐富、模塊化程度高、代碼可重用性強、開發效率高、可供借鑒開源資源豐富、組織機器人軟件系統高效靈活等優點，能夠更好滿足這個需求。國防科學技術大學《自動化系統綜合設計》實踐課程對引入ROS進行了初步嘗試，分析了將ROS應用于實踐教學肯能遇到的共性問題，提出了建設ROS實踐教學課程的建議。

1 機器人操作系統的發展

作為撬動下一次工業革命的杠桿，機器人近年來受到全社會的普遍關注，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的飛速發展，但與此同時，機器人系統的復雜度不斷提高，使得為機器人編寫軟件系統越來越困難。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成為機器人設計中的一個重要因素；第三，機器人的感知系統越來越復雜，雖然提升了機器人的感知能力，但數據量也越來越大，對于軟件系統的實時性和可靠性提出了挑戰；第四，機器人軟件系統呈“煙囪”式發展，不同機器人間的接口不能兼容，代碼不能復用。總之，與個人計算機相比，機器人領域缺少一套軟件架構的標準，導致代碼的復用率非常低。

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

2 ROS對于機器人實踐教學的意義

合理有效開展實踐教學，是培養工程技術類人才必不可少的一個重要步驟，對于機器人技術的教育更是如此[3]。通過實踐教學，學生能夠驗證所學的理論，更重要的是，通過理論與實踐的結合更深刻的理解所學知識。機器人技術涉及到機械系統設計、運動控制規劃、環境感知、信息融合、信號處理等眾多研究內容，亟需要一個能夠將學生過去所學的知識融會貫通的實踐平臺。對于機器人技術，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的理想的軟件平臺，它幾乎涵蓋了機器人技術的各個方面，包括底層的硬件驅動、數據獲取、運動控制，上層的自主定位、路徑規劃、地圖創建、目標識別等。其次，ROS采用基于發布/訂閱的節點通信方式，將各個功能進行了松耦合的模塊化設計，因此，可以根據教學內容對實踐項目進行裁剪。此外，ROS中集成了機器人技術領域很多最新研究成果的代碼，基于這些代碼學生很容易站在巨人肩膀上學習，有利于學生了解學科的發展前沿。最后，ROS社區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格評審后才發布的，具有非常高的權威性，可以用于學生自學。

因此，讓本科生盡早了解、學習并使用ROS具有非常重要的意義：第一，基于ROS能夠迅速實現一些機器人的簡單應用，使學生對機器人技術產生濃厚的興趣；第二，從更加系統的角度理解機器人軟件架構；第三，為研究生期間從事機器人技術研究打下良好基礎；第四，學習ROS中的代碼標準和編程風格，培養良好的工程素養；第五，能夠開闊眼界，了解機器人領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（美國）、伯明翰大學（英國）、圣路易斯華盛頓大學（美國）、薩格勒布大學（克羅地亞）、南卡羅來納大學（美國）、東京大學（日本）、錫耶納大學（意大利）、萊布尼茲漢諾威大學（德國）已經將ROS引入實踐教學中[4]。與國際同行相比，國內關于機器人操作系統的教學剛剛起步，國防科學技術大學已經開設了研究生課程[5]，在本科生課程方面還未見相關報告。

3 筆者近兩年的嘗試

筆者在國防科學技術大學自動化專業的《自動化系統綜合設計》課程中對ROS教學進行了初步嘗試。筆者選用的教學平臺是Willow Garage公司的TurtleBot2教學機器人[6]，是專門針對本科生和研究生教學研發的平臺，結構簡單，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、地圖創建等，并且這些例程都配有詳細的文檔。

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

3.1 以項目為導向

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

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

3.2 采用合作學習的教學模式

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

通過引入合作學習，能夠培養學生的集體意識和強化團隊合作的能力。

3.3 以多重標準進行評分

在現場驗收時，根據項目的完成情況，每個小組會有一個分數，但這個分數僅是組內成員最終分數的基數。為了避免“合作學習”中出現“不合作”和“不作為”現象，對于組內成員采取互評和差異性評分?；ピu是指組內成員根據對于項目的貢獻互相打分，差異性評分是指組內成員的最終成績并不相同。

通過引入組內成員互評和差異性評分機制，實現了組內競爭，激發學生作為個體的責任感。

4 收獲和感悟

因為課程本身融學術性、趣味性、競爭性于一身，因此，學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年只發布了3個項目，結果30個學生中一半以上報名，最終只有8個學生入圍。學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。與學生交流的過程中，學生也認為在課上學到了很多新知識，除了機器人操作系統本身之外，對機器人技術的理解也更加深刻，尤其是對軟硬件體系結構有了新的認識。為了增加受眾面，2015年教學團隊加大了課程的建設力度，成立了指導老師組，面向整個自動化專業開設了以ROS為軟件平臺的《自動化系統綜合設計》，并取得了預期的教學效果。

在課程的建設過程中，筆者也發現了一些問題，這些問題對于國內本科教學可能是共性的，在教學過程中值得注意：第一，Linux操作系統知識儲備不足，當前我國大學校園內絕大部分用戶都使用微軟各個版本的windows操作系統，知道并能夠熟練使用linux的學生寥寥無幾。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，絕大部分學生不能將ROS作為一個工具使用，在學習過程中不想放過任何一個細節，沒有邊學邊用的習慣；第四，學生沒有接觸過Boost編程，而ROS集成了全世界大量一流科研機構的科研成果，其代碼中較多的使用了boost編程且高度優化；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教學的建議

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

6 結語

筆者在《自動化系統綜合設計》實踐課程中引入了ROS，作為軟件平臺支撐機器人技術這一典型交叉學科的實踐教學。在課程建設中，始終堅持以項目為主導，采用合作學習的教學模式，以多重標準進行評分。課程本身融學術性、趣味性、競爭性于一身，因此，學生參與的積極性非常高。經過課程的訓練，學生對于機器人技術有了更深刻、更系統的認識，能夠利用ROS進行軟件的構建，解決實際的工程問題，取得了預期的教學效果。此外，筆者總結了課程建設過程中遇到的問題，并針對國內開展ROS教學提出了建議。

參考文獻

[1] 肖軍浩.機器人操作系統淺析（譯）[M].北京：國防工業出版社，2016.

[2] 張建偉，張立偉，胡穎，等.開源機器人操作系統——ROS[M].北京：科學出版社，2012.

[3] 徐曉紅，鄭志強，盧惠民.構建機器人技術創新實踐基地的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34（3）：185-189.

[4] 國際上各大學已開設ROS相關課程列表[EB/OL].http：//wiki.ros.org/Courses，2016-08-24.

[5] 王之元，周云，易曉東，等.機器人操作系統研究型課程建設[J].計算機教育，2016（1）：77-80.

[6] Gerkey B，Conley K.Robot developer kits [ros topics][J].IEEE Robotics & Automation Magazine，2011，18（3）：16.

[7] 王坦.論合作學習的基本理念[J].教育研究，2002，2（2）：

68-72.

[8] 曾琦.合作學習的基本要素[J].學科教育，2000（6）：7-12.