機器人操作系統程序設計仿真實驗課程探索

盧宇 申遠 陳曉婷 韋穎

摘要：機器人操作系統程序設計是一項新興工業技術，其利用代碼技術和軟件工具實現對工業機器人的控制，在各種工業領域均有廣泛應用，具有良好的發展前景。但是目前該實驗課程在高校本科專業中開展較少，并且該實驗課程需要配置眾多機器人運動控制、視覺方面設備、儀器，無法開展實體實驗，影響機器人工程專業人才培養質量。本實驗課程基于學校已有的實驗室硬件條件，結合行業實際需求，針對機器人操作系統程序設計理論與實踐要點，設計了仿真實驗環境與教學平臺，完成人才培養專業訓練。實驗課程結果證明本實驗課程可以滿足學生對該課程知識點的需求，達到實驗教學目的。

關鍵詞：人才培養;教學;虛擬仿真;實驗課程;機器人操作系統

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）15-0208-02

1引言

為了應對新經濟的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，需要有效開展理論與實踐教學活動。其中機器人工程專業的技能培養目標可描述為：培養機器人應用技術、技能;具有在機器人生產單位進行機器人應用系統的設計和開發的能力，可承擔系統集成、維護、編程、調試等工作。

隨著機器人技術的不斷發展，機器人工程研究領域已經由自動化或機械專業為主，計算機專業為輔，發展為以算法和軟件開發為主。這就使得算法和軟件開發越來越重要。機器人操作系統（Robot Operating System，ROS）就是一個專門為機器人軟件開發設計的開源操作系統架構。ROS最初是作為科研輔助工具由斯坦福大學開發，與其說是一個操作系統，不如說是一種分布式模塊化軟件框架。它提供異構計算機集群上操作系統功能的框架和工具集。ROS提供了硬件抽象、設備驅動、多臺機器上進程之間的通信、測試和可視化工具等功能，可引入第三方組件，它的出現提高機器人研發領域的代碼重復率。

學習ROS前至少需要有C/C++語言基礎，Linux操作和編程基礎。但是由于機器人工程專業是一門融合了多門學科知識的交叉學科，因此還需要懂得機械設計、傳感器、機器視覺等方面相關知識。

2人才培養對RoS程序設計實驗課程的需求

對人才的培養是能力的培養、素質的培養。在工科領域，對學生的動手能力要求很高。學生不僅要學習本專業的各種理論知識，更重要的是實踐動手能力的培養。這種能力決定了對本學科知識的深入理解，以及學生畢業后的就業前景。實驗課程的開設需要依據本專業人才培養的需求、教學科研客觀需求而確定。但同時也需要考慮學校的財力和人力狀況，實驗室原有條件及配套基礎設施等情況。

ROS程序設計理論課的教材選用機械工業出版社發行的《ROS機器人程序設計》第二版。該教材主要內容包括：ROS系統架構，ROS程序設計、調試和可視化方法，在ROS下使用傳感器和執行機構，ROS下3D建模與仿真，使用導航功能包集等。教材中使用的ROS的版本為ROS Hydro，推薦的Linux系統為Ubuntu 12.04。我們選用的實驗仿真環境是在個人電腦上安裝Ubuntu 12.04+ROS Hydro.

3實驗課內容

實驗課程方面沒有現成的教材，需要教師根據理論課內容補充。由于ROS環境中已經可對實驗涉及的攝像頭、激光雷達等設備進行了仿真，因此可以在ROS環境中仿真實驗。

通過精心選取，實驗課內容包括：Linux和ROS的安裝，ROS中GDB調試，傳感器與執行機構仿真三個部分內容。實驗內容安排由入門實驗到應用型實驗。其中第一個實驗是入門實驗，可描述如下：

實驗目標：

（1）掌握Ubuntu系統的安裝;

（2）掌握ROS Hydro的安裝。

實驗內容及步驟：

（1）實驗設備及器材：聯想臺式機，Intel i5處理器，4GRAM內存。

（2）實驗內容及流程：

檢查臺式機是否能正常啟動。

下載Ubuntu 12.04的is0安裝鏡像，并安裝。

待安裝完Ubuntu 12.04后，配置Ubuntu軟件庫。

安裝ROS Hydro。包括設置密鑰、使用desktop-full方式安裝、初始化rosdep、配置環境、安裝rosinstall等。

檢查ROS安裝是否正確。

常見問題：安裝ROSHydro時為什么有時下載速度非常緩慢？

（3）原始數據或信息記錄

Ubuntu 12.04安裝成功后，進入Ubuntu系統，并可打開ter-minal，可使用常見的Linux命令，如ls、pwd、mkdir等。

安裝Hydro后輸入roseore、rosrun turtlesim turtlesim_node，屏幕彈出對話框，顯示海龜圖標。

（4）數據或信息處理及實驗結果：

在運行Hydro后，顯示小海龜圖標。海龜可按照指定方向移動。

（5）對實驗結果的討論：

安裝Hydro時下載速度慢，可以切換下載地址，如國內的地址，這樣可提高速度。

Linux操作以命令行形式為主，需要多熟悉。

后續實驗中，學生還將ROS下使用傳感器和執行機構，包括1.掌握仿真游戲手柄和連接和編程。2.掌握仿真環境中USB Camera的連接和視頻圖像查看。學生需要通過實驗，調整優化關鍵操作參數，建立模擬小車運動模型，實現實驗目標。在完成每部分實驗后，學生需要記錄實驗步驟結果，并可根據需要擴展實驗內容。

4結束語

ROS程序設計實驗課程涉及專業廣，內容不宜過于復雜，主要是使學生適應操作系統環境和簡單編程調試方法，為今后工作打下基礎，推進技能提升，激發學習積極性。上述課程設計方案不僅借鑒了其他高校關于ROS程序設計課程的開設方案，還依托本校實際情況。只有這樣才能真正促進實驗課程的良好有效運行，提高學生學習主動性和效率，使學生的動手能力得到增強。