將機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）引入本科實(shí)踐教學(xué)

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(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)機(jī)器人技術(shù)這樣一門典型的交叉學(xué)科尤為重要。然而，開展機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)亟需一個(gè)通用的多功能軟件平臺(tái)，機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的面世填補(bǔ)了這個(gè)空白。因此，讓高年級(jí)本科生學(xué)習(xí)使用ROS有非常重要的意義。事實(shí)上，國(guó)外很多知名高校已經(jīng)將ROS用于教學(xué)，而國(guó)內(nèi)還剛剛起步。作者近兩年在國(guó)防科技大學(xué)《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程中對(duì)ROS教學(xué)進(jìn)行了初步嘗試，論文不僅分享了課程的教學(xué)方法，還分析了將ROS應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)可能遇到的共性問題，提出了建設(shè)ROS實(shí)踐教學(xué)課程的建議。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué) 機(jī)器人操作系統(tǒng) 機(jī)器人技術(shù) 自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（a）-0157-03

合理有效開展實(shí)踐教學(xué)，是培養(yǎng)工程技術(shù)類人才必不可少的一個(gè)重要步驟，對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的教育更是如此。通過實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生能夠驗(yàn)證所學(xué)的理論，更重要的是，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合更深刻理解所學(xué)知識(shí)。機(jī)器人技術(shù)亟需一個(gè)能夠?qū)⒏鞑糠种R(shí)融會(huì)貫通的軟件實(shí)踐平臺(tái)。在眾多機(jī)器人軟件平臺(tái)中，機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）因具有功能豐富、模塊化程度高、代碼可重用性強(qiáng)、開發(fā)效率高、可供借鑒開源資源豐富、組織機(jī)器人軟件系統(tǒng)高效靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好滿足這個(gè)需求。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程對(duì)引入ROS進(jìn)行了初步嘗試，分析了將ROS應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)肯能遇到的共性問題，提出了建設(shè)ROS實(shí)踐教學(xué)課程的建議。

1 機(jī)器人操作系統(tǒng)的發(fā)展

作為撬動(dòng)下一次工業(yè)革命的杠桿，機(jī)器人近年來受到全社會(huì)的普遍關(guān)注，各國(guó)也不斷加大對(duì)于機(jī)器人研究的支持力度。隨之而來的是機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，但與此同時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提高，使得為機(jī)器人編寫軟件系統(tǒng)越來越困難。主要原因包括：第一，機(jī)器人的功能層次化要求在加深，對(duì)軟件的模塊化設(shè)計(jì)提出了更高要求；第二，機(jī)器人的計(jì)算平臺(tái)不斷豐富，機(jī)器人軟件是否支持跨平臺(tái)開發(fā)成為機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素；第三，機(jī)器人的感知系統(tǒng)越來越復(fù)雜，雖然提升了機(jī)器人的感知能力，但數(shù)據(jù)量也越來越大，對(duì)于軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了挑戰(zhàn)；第四，機(jī)器人軟件系統(tǒng)呈“煙囪”式發(fā)展，不同機(jī)器人間的接口不能兼容，代碼不能復(fù)用。總之，與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，機(jī)器人領(lǐng)域缺少一套軟件架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致代碼的復(fù)用率非常低。

針對(duì)上述問題，機(jī)器人操作系統(tǒng)[1，2]（Robot Operating System，簡(jiǎn)稱ROS）應(yīng)運(yùn)而生。因?yàn)榧闪巳澜鐧C(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)，包括斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、佐治亞理工大學(xué)、弗萊堡大學(xué)、東京大學(xué)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(guān)注。隨后，ROS又借助開源的魅力吸引了世界各地機(jī)器人領(lǐng)域的仁人志士群策群力，推動(dòng)其不斷進(jìn)步。2013年麻省理工學(xué)院科技評(píng)論（MIT Technology Review）指出：“從2010年發(fā)布1.0版本以來，ROS已經(jīng)成為機(jī)器人軟件的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（de facto standard）”。目前ROS在全球已經(jīng)擁有數(shù)以萬計(jì)的使用者，其支持的機(jī)器人已經(jīng)有百余種，其中包括廉價(jià)的樂高機(jī)器人（LEGO Mindstorms）和TurtleBot系列教學(xué)機(jī)器人。

2 ROS對(duì)于機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的意義

合理有效開展實(shí)踐教學(xué)，是培養(yǎng)工程技術(shù)類人才必不可少的一個(gè)重要步驟，對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的教育更是如此[3]。通過實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生能夠驗(yàn)證所學(xué)的理論，更重要的是，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合更深刻的理解所學(xué)知識(shí)。機(jī)器人技術(shù)涉及到機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制規(guī)劃、環(huán)境感知、信息融合、信號(hào)處理等眾多研究?jī)?nèi)容，亟需要一個(gè)能夠?qū)W(xué)生過去所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通的實(shí)踐平臺(tái)。對(duì)于機(jī)器人技術(shù)，硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)具有同等重要的地位，甚至軟件平臺(tái)比硬件平臺(tái)的地位更加突出，因?yàn)闆]有硬件平臺(tái)還可以通過仿真等途徑進(jìn)行算法的驗(yàn)證，而沒有軟件平臺(tái)學(xué)生則無從下手。

首先，ROS正是這樣一個(gè)能夠用于高年級(jí)本科生實(shí)踐教學(xué)的理想的軟件平臺(tái)，它幾乎涵蓋了機(jī)器人技術(shù)的各個(gè)方面，包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)獲取、運(yùn)動(dòng)控制，上層的自主定位、路徑規(guī)劃、地圖創(chuàng)建、目標(biāo)識(shí)別等。其次，ROS采用基于發(fā)布/訂閱的節(jié)點(diǎn)通信方式，將各個(gè)功能進(jìn)行了松耦合的模塊化設(shè)計(jì)，因此，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行裁剪。此外，ROS中集成了機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域很多最新研究成果的代碼，基于這些代碼學(xué)生很容易站在巨人肩膀上學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生了解學(xué)科的發(fā)展前沿。最后，ROS社區(qū)提供了針對(duì)各個(gè)層次的用戶的大量在線教程，這些教程都是通過國(guó)際同行嚴(yán)格評(píng)審后才發(fā)布的，具有非常高的權(quán)威性，可以用于學(xué)生自學(xué)。

因此，讓本科生盡早了解、學(xué)習(xí)并使用ROS具有非常重要的意義：第一，基于ROS能夠迅速實(shí)現(xiàn)一些機(jī)器人的簡(jiǎn)單應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)生濃厚的興趣；第二，從更加系統(tǒng)的角度理解機(jī)器人軟件架構(gòu)；第三，為研究生期間從事機(jī)器人技術(shù)研究打下良好基礎(chǔ)；第四，學(xué)習(xí)ROS中的代碼標(biāo)準(zhǔn)和編程風(fēng)格，培養(yǎng)良好的工程素養(yǎng)；第五，能夠開闊眼界，了解機(jī)器人領(lǐng)域最前沿的研究成果。

事實(shí)上，自ROS面世以來，國(guó)外很多知名高校，如：斯坦福大學(xué)（美國(guó)）、伯明翰大學(xué)（英國(guó)）、圣路易斯華盛頓大學(xué)（美國(guó)）、薩格勒布大學(xué)（克羅地亞）、南卡羅來納大學(xué)（美國(guó)）、東京大學(xué)（日本）、錫耶納大學(xué)（意大利）、萊布尼茲漢諾威大學(xué)（德國(guó)）已經(jīng)將ROS引入實(shí)踐教學(xué)中[4]。與國(guó)際同行相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于機(jī)器人操作系統(tǒng)的教學(xué)剛剛起步，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)開設(shè)了研究生課程[5]，在本科生課程方面還未見相關(guān)報(bào)告。

3 筆者近兩年的嘗試

筆者在國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》課程中對(duì)ROS教學(xué)進(jìn)行了初步嘗試。筆者選用的教學(xué)平臺(tái)是Willow Garage公司的TurtleBot2教學(xué)機(jī)器人[6]，是專門針對(duì)本科生和研究生教學(xué)研發(fā)的平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形小巧，采用雙輪差動(dòng)，搭載紅外傳感器、碰撞檢測(cè)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(yùn)動(dòng)控制、行人跟蹤、地圖創(chuàng)建等，并且這些例程都配有詳細(xì)的文檔。

《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》面向自動(dòng)化專業(yè)大四上學(xué)期本科生，共36個(gè)學(xué)時(shí)，其中4個(gè)學(xué)時(shí)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(jié)構(gòu)、基本命令、常用工具、如何編譯執(zhí)行等。其余32個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)施方式如以下幾點(diǎn)。

3.1 以項(xiàng)目為導(dǎo)向

課程首先發(fā)布一系列的項(xiàng)目供學(xué)生選擇，這些項(xiàng)目涉及到機(jī)器人領(lǐng)域不同的知識(shí)單元，僅憑一個(gè)學(xué)生在課程規(guī)定的時(shí)間內(nèi)難以完成。因此，學(xué)生之間必須組隊(duì)，根據(jù)題目的難易程度不同允許2～4個(gè)學(xué)生為一組。學(xué)生在這門課需要做的是根據(jù)所選項(xiàng)目分析問題和解決實(shí)際問題，包含需求分析、方案設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)、軟件調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收5個(gè)階段。當(dāng)然，在此過程中老師會(huì)給予必要的指導(dǎo)。

通過這種方式，能夠鍛煉學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)分析并解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)良好的工程素養(yǎng)。

3.2 采用合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式

如上所述，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中必須通過分工合作才能完成選定的項(xiàng)目。因此，課程采取合作學(xué)習(xí)（cooperative learning）的教學(xué)模式。這一教學(xué)模式于20世紀(jì)70年代在美國(guó)提出，并在80年代中期取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[7，8]，我國(guó)在引入后也取得了較好效果[7]。合作學(xué)習(xí)是一種結(jié)構(gòu)化的、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)策略，由2～6名能力各異的學(xué)生組成一個(gè)小組，以合作和互助的方式從事學(xué)習(xí)活動(dòng)，共同完成小組學(xué)習(xí)目標(biāo)，在促進(jìn)每個(gè)人學(xué)習(xí)積極性的前提下，提高整體成績(jī)。因此，合作學(xué)習(xí)非常適合類似于《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》這種綜合性較強(qiáng)的課程學(xué)習(xí)。

通過引入合作學(xué)習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的集體意識(shí)和強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)合作的能力。

3.3 以多重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分

在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目的完成情況，每個(gè)小組會(huì)有一個(gè)分?jǐn)?shù)，但這個(gè)分?jǐn)?shù)僅是組內(nèi)成員最終分?jǐn)?shù)的基數(shù)。為了避免“合作學(xué)習(xí)”中出現(xiàn)“不合作”和“不作為”現(xiàn)象，對(duì)于組內(nèi)成員采取互評(píng)和差異性評(píng)分?；ピu(píng)是指組內(nèi)成員根據(jù)對(duì)于項(xiàng)目的貢獻(xiàn)互相打分，差異性評(píng)分是指組內(nèi)成員的最終成績(jī)并不相同。

通過引入組內(nèi)成員互評(píng)和差異性評(píng)分機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了組內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，激發(fā)學(xué)生作為個(gè)體的責(zé)任感。

4 收獲和感悟

因?yàn)檎n程本身融學(xué)術(shù)性、趣味性、競(jìng)爭(zhēng)性于一身，因此，學(xué)生參與的積極性非常高?？紤]到是第一次在實(shí)踐課程中引入ROS，2014年只發(fā)布了3個(gè)項(xiàng)目，結(jié)果30個(gè)學(xué)生中一半以上報(bào)名，最終只有8個(gè)學(xué)生入圍。學(xué)生克服了中文文獻(xiàn)少、Linux操作不熟悉等困難，圓滿完成了項(xiàng)目指定的任務(wù)。與學(xué)生交流的過程中，學(xué)生也認(rèn)為在課上學(xué)到了很多新知識(shí)，除了機(jī)器人操作系統(tǒng)本身之外，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的理解也更加深刻，尤其是對(duì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)。為了增加受眾面，2015年教學(xué)團(tuán)隊(duì)加大了課程的建設(shè)力度，成立了指導(dǎo)老師組，面向整個(gè)自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)了以ROS為軟件平臺(tái)的《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》，并取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

在課程的建設(shè)過程中，筆者也發(fā)現(xiàn)了一些問題，這些問題對(duì)于國(guó)內(nèi)本科教學(xué)可能是共性的，在教學(xué)過程中值得注意：第一，Linux操作系統(tǒng)知識(shí)儲(chǔ)備不足，當(dāng)前我國(guó)大學(xué)校園內(nèi)絕大部分用戶都使用微軟各個(gè)版本的windows操作系統(tǒng)，知道并能夠熟練使用linux的學(xué)生寥寥無幾。因此，對(duì)窗口操作的依賴性極強(qiáng)，對(duì)在終端進(jìn)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(duì)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(xué)生不能將ROS作為一個(gè)工具使用，在學(xué)習(xí)過程中不想放過任何一個(gè)細(xì)節(jié)，沒有邊學(xué)邊用的習(xí)慣；第四，學(xué)生沒有接觸過Boost編程，而ROS集成了全世界大量一流科研機(jī)構(gòu)的科研成果，其代碼中較多的使用了boost編程且高度優(yōu)化；第五，TurtleBot2中的代碼中大量使用了nodelet和roslaunch等工具的高級(jí)用法，加大了剖析代碼的難度。

5 對(duì)于機(jī)器人操作系統(tǒng)教學(xué)的建議

從課程體系層面上考慮開設(shè)《機(jī)器人操作系統(tǒng)》相關(guān)實(shí)踐課程：在縱向上，開設(shè)必要的先修課程，如《Linux操作系統(tǒng)導(dǎo)論》；在橫向上，建議作為機(jī)器人技術(shù)主干課程的配套實(shí)踐課，例如：針對(duì)《自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論》《機(jī)器人視覺》等，精心設(shè)計(jì)使用ROS實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)中的一些案例，吸引學(xué)生的興趣，在汲取理論知識(shí)的同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

6 結(jié)語(yǔ)

筆者在《自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》實(shí)踐課程中引入了ROS，作為軟件平臺(tái)支撐機(jī)器人技術(shù)這一典型交叉學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)。在課程建設(shè)中，始終堅(jiān)持以項(xiàng)目為主導(dǎo)，采用合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，以多重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分。課程本身融學(xué)術(shù)性、趣味性、競(jìng)爭(zhēng)性于一身，因此，學(xué)生參與的積極性非常高。經(jīng)過課程的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)于機(jī)器人技術(shù)有了更深刻、更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，能夠利用ROS進(jìn)行軟件的構(gòu)建，解決實(shí)際的工程問題，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。此外，筆者總結(jié)了課程建設(shè)過程中遇到的問題，并針對(duì)國(guó)內(nèi)開展ROS教學(xué)提出了建議。

參考文獻(xiàn)

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