機(jī)器人操作系統(tǒng)研究型課程建設(shè)

摘要：隨著第三次工業(yè)革命的興起，機(jī)器人操作系統(tǒng)將成為突破機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。機(jī)器人操作系統(tǒng)課程涉及的是一個(gè)新興領(lǐng)域，其課程建設(shè)與研究密不可分。文章基于教學(xué)與科研的正向促進(jìn)關(guān)系，提出建設(shè)和調(diào)整機(jī)器人操作系統(tǒng)課程新的教學(xué)科研目標(biāo)、內(nèi)容、手段和體系，以最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作系統(tǒng)課程的研究型課程建設(shè)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人操作系統(tǒng)；研究型教學(xué)；互動(dòng)；課程建設(shè)

1.背景

習(xí)近平總書記在2014年兩院院士大會(huì)上指出，“機(jī)器人革命有望成為第三次工業(yè)革命的一個(gè)切入點(diǎn)和重要增長(zhǎng)點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)格局，而且我國(guó)將成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)”。2007年年初，全球IT行業(yè)巨頭比爾·蓋茨在《科學(xué)美國(guó)人》雜志上撰文，預(yù)言機(jī)器人將走進(jìn)千家萬(wàn)戶。當(dāng)前，機(jī)器人這一新興產(chǎn)業(yè)與計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)爆炸式發(fā)展前的狀況“如出一轍”，機(jī)器人操作系統(tǒng)，將成為突破機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。我國(guó)在20世紀(jì)70年代沒有抓住個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇，導(dǎo)致今天在操作系統(tǒng)等方面嚴(yán)重受制于人，因此，抓住“機(jī)器人革命”這一歷史機(jī)遇，著力培養(yǎng)和儲(chǔ)備機(jī)器人操作系統(tǒng)人才，是應(yīng)對(duì)“第三次工業(yè)革命”激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的迫切需要，具有重大的歷史和現(xiàn)實(shí)意義。

雖然機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）發(fā)展迅猛，但是針對(duì)幾十所世界一流大學(xué)的調(diào)查顯示，以機(jī)器人操作系統(tǒng)為主題的課程和教材寥寥無(wú)幾，這是因?yàn)?，與其他傳統(tǒng)課程相比，機(jī)器人操作系統(tǒng)課程具有大量新穎的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)其教學(xué)和科研都帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。例如，機(jī)器人操作系統(tǒng)具有版本更新快、內(nèi)容變動(dòng)大、兼容性差等特點(diǎn)，如何將教學(xué)的相對(duì)穩(wěn)定性與科研的前沿性相結(jié)合是擺在教師面前的重大難題；相應(yīng)的機(jī)器人硬件平臺(tái)種類繁多，需要大量的人力物力進(jìn)行調(diào)研、準(zhǔn)備、適配、調(diào)試、維護(hù)和測(cè)試，必須進(jìn)行版本控制、教具選型、操作系統(tǒng)與硬件平臺(tái)適配、操作系統(tǒng)定制與移植，而這些工作都是以教學(xué)和科研的結(jié)合為基礎(chǔ)的。

《高等教育法》規(guī)定，現(xiàn)代大學(xué)有3大任務(wù)——教學(xué)、科研和社會(huì)服務(wù)，它們相互關(guān)聯(lián)，共同服務(wù)于人才培養(yǎng)。機(jī)器人操作系統(tǒng)有著前沿性、實(shí)踐性、學(xué)科交叉性等多種優(yōu)勢(shì)，將肩負(fù)在新常態(tài)下開拓這3大任務(wù)新型模式的重任。以教學(xué)與科研結(jié)合，建設(shè)機(jī)器人操作系統(tǒng)研究型課程，是在新常態(tài)下培養(yǎng)機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新人才、加快創(chuàng)新成果生成、推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)“第三次工業(yè)革命”的客觀需要。

2.研究型課程簡(jiǎn)介

在國(guó)外，學(xué)校的課程體系中并沒有研究型課程這樣一個(gè)明確的概念，但存在與之理念相近的課程，并廣泛實(shí)施。

教學(xué)與科研是涉及不同領(lǐng)域的兩項(xiàng)活動(dòng)。教學(xué)主要是指教師面向?qū)W生，有計(jì)劃、有系統(tǒng)地傳授人類業(yè)已取得的知識(shí)成果和經(jīng)驗(yàn)心得，是教師傳授與學(xué)生學(xué)習(xí)的一種雙向互動(dòng)的行為。科研主要是指人們應(yīng)用已經(jīng)取得的知識(shí)及所具備的條件，去探求未知，發(fā)現(xiàn)、論證并創(chuàng)造新知，是人類的一種高級(jí)智力活動(dòng)。研究型課程正是教學(xué)與科研緊密結(jié)合而產(chǎn)生的新型教學(xué)模式。

研究型課程是以“培養(yǎng)學(xué)生具有永不滿足、追求卓越的態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力”為基本目標(biāo)，以學(xué)生從學(xué)習(xí)生活和社會(huì)生活中獲得的各種課題或項(xiàng)目設(shè)計(jì)、作品的設(shè)計(jì)與制作等為基本的學(xué)習(xí)載體，以在提出問題和解決問題的全過程中學(xué)習(xí)到的科學(xué)研究方法、獲得的豐富且多方面的體驗(yàn)和獲得的科學(xué)文化知識(shí)為基本內(nèi)容，以在教師指導(dǎo)下，學(xué)生自主采用研究性學(xué)習(xí)方式開展研究為基本教學(xué)形式的課程。這種描述性的界定將在實(shí)踐中通過不斷理性化的過程使其更科學(xué)化，并不斷得到完善。這種描述性的界定，顯示出研究型課程具有學(xué)生自主性、開放性和研究性的特點(diǎn)。

3.機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)課程現(xiàn)狀

機(jī)器人操作系統(tǒng)課程建設(shè)尚處起步階段，但發(fā)展迅速。最早的相關(guān)課程從2010年開始，截至目前，涉及機(jī)器人操作系統(tǒng)的課程大量涌現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在多個(gè)國(guó)家的院校共有不下20門課程不同程度地運(yùn)用了機(jī)器人操作系統(tǒng)，并逐步有圍繞其建設(shè)課程體系的趨勢(shì)，但目前以其為主題的課程寥寥可數(shù)。

在國(guó)外院校中，日本東京大學(xué)的RTM-ROS Robotics in Japanese是一門在課程題目中明確提及ROS的課程，但其內(nèi)容除了針對(duì)ROS進(jìn)行基礎(chǔ)概念的講授，還涉及傳統(tǒng)操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言以及RTM的介紹等。以色列Bar-llan大學(xué)的Introduction to Robotics與機(jī)器人操作系統(tǒng)主題相一致，但內(nèi)容與機(jī)器人本體相關(guān)性較大。當(dāng)前，與機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)的課程較多，主要是以機(jī)器人或機(jī)器人編程課程為主，在課程內(nèi)容中以ROS為基礎(chǔ)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相應(yīng)功能，但這些課程都不是以講授ROS為目的，只是在某幾講或主題中涉及機(jī)器人操作系統(tǒng)，并未貫穿課程始終。例如Stanford大學(xué)的Robot Programming Laboratory、南卡羅來(lái)納大學(xué)Robotics、羅馬Sapienza大學(xué)Robot Programming和伯明翰大學(xué)的Intelligent Robotics等均在不同程度上涉及了機(jī)器人操作系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。

此外，針對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)有很多短期課程和研討會(huì)。2013年里斯本大學(xué)的夏季課程ROS framework，四天的時(shí)間課時(shí)長(zhǎng)度為14-19個(gè)小時(shí)，涉及GNU/Linux操作系統(tǒng)、C++語(yǔ)言、Python語(yǔ)言和機(jī)器人操作系統(tǒng)。SIGCSE（Association for Computing Machinery’s SpecialInterest Group on Computer Science Education）分別在2012和2013年針對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)召開了教育方面的研討會(huì)，ICRA（IEEE InternationalConference on Robotics and Automation）在2010年針對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)和消息的感知、規(guī)劃和控制召開了一天的實(shí)踐輔導(dǎo)課，WillowGarage公司也在2010年歷時(shí)五天針對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)和PR2機(jī)器人召開相關(guān)的研討會(huì)等。

有關(guān)ROS的教材較少，目前的短期課程或者學(xué)期課程都主要是以網(wǎng)上文檔資料以及技術(shù)報(bào)告為主，較為不錯(cuò)的參考書籍主要有R Patrick Goebel寫的《ROSbyExample》，2013年9月Aaron Martinez和Enrique Femhndez寫的《Learning ROS for Robotics Programming》（由PacktPublishing公司出版）和2013年10月JasonM.O’Kane寫的《AGentle Introductionto ROS》，可見有關(guān)ROS的參考書籍較新，且隨著ROS版本升級(jí)，書籍的版本更新較快。

在國(guó)內(nèi)院校中，雖然針對(duì)機(jī)器人、操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)等的相關(guān)課程在不少高校均有開設(shè)，但這些課程均無(wú)法替代機(jī)器人操作系統(tǒng)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)預(yù)計(jì)開設(shè)的機(jī)器人操作系統(tǒng)課程尚屬首例，特別是針對(duì)ROS開源平臺(tái)的研究型課程還未有查閱到相關(guān)信息。在國(guó)內(nèi)，機(jī)器人操作系統(tǒng)未形成成熟的教材體系，即使是國(guó)外網(wǎng)站資料的翻譯也比較少見。2012年由張建偉等人編著的《開源機(jī)器人操作系統(tǒng)——ROS》是國(guó)內(nèi)第一本全面介紹ROS的中文版圖書，由于涉及機(jī)器人、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺等多學(xué)科領(lǐng)域，該書較適合作為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員、研究生及高年級(jí)本科生學(xué)習(xí)的參考書。

4.具體課程建設(shè)

4.1課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

機(jī)器人操作系統(tǒng)是基于國(guó)際開源社區(qū)平臺(tái)建設(shè)的課程，因此應(yīng)該突出課程的平臺(tái)化、基礎(chǔ)化特征，旨在讓學(xué)員了解和掌握ROS的基本原理，并通過案例，以點(diǎn)蓋面介紹ROS核心以及各功能模塊的實(shí)現(xiàn)原理和使用方法，以研究課題為牽引，完成研究型課程設(shè)計(jì)。其內(nèi)容主要涉及3個(gè)部分：

1）ROS的基本概念。

包括ROS的背景、應(yīng)用、發(fā)展歷史、主要特征、基本組成、安裝與環(huán)境以及與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的區(qū)別等內(nèi)容，使學(xué)生了解機(jī)器人操作系統(tǒng)，掌握以ROS為代表的機(jī)器人操作系統(tǒng)的基本原理。

2）ROS的基本功能模塊。

涉及ROS的坐標(biāo)變換、導(dǎo)航與視覺、路徑規(guī)劃、仿真器等基礎(chǔ)功能介紹與演示，使學(xué)生了解ROS的基本功能和常用模塊的實(shí)現(xiàn)原理及接口，從而具備基于ROS開展簡(jiǎn)單無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的能力。

3）基于ROS的實(shí)際案例。

面向?qū)嶋H應(yīng)用，設(shè)計(jì)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)演示及實(shí)踐型結(jié)課項(xiàng)目，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)到的ROS知識(shí)實(shí)現(xiàn)一些基本的應(yīng)用，還能夠在一定程度上擴(kuò)充和完善ROS，與國(guó)際ROS開源社區(qū)密切交流，掌握最新動(dòng)態(tài)。

4.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)是機(jī)器人操作系統(tǒng)研究型課程的重要環(huán)節(jié)。讓學(xué)生感興趣且貼近實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有利于研究型課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際條件，設(shè)計(jì)空中和地面兩類機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以ROS為核心，注重機(jī)器人操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)化、平臺(tái)化特征，設(shè)計(jì)課程演示實(shí)驗(yàn)及學(xué)生實(shí)驗(yàn)。具體如下：

1）機(jī)器人操作系統(tǒng)平臺(tái)的共性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模篟OS是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)各項(xiàng)功能的軟件基礎(chǔ)。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)針對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)內(nèi)核開展，主要包括ROS操作系統(tǒng)的安裝及實(shí)現(xiàn)、簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)的鍵盤控制、節(jié)點(diǎn)之間的通信、常用傳感器的使用等功能，使學(xué)生了解ROS的基本原理、組成方式、運(yùn)行機(jī)制等，培養(yǎng)學(xué)生在ROS平臺(tái)上的動(dòng)手實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：針對(duì)不同的機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)ROS的安裝適配，基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的協(xié)同開發(fā)調(diào)試、無(wú)線通信和分布式消息接口、常用傳感器驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用接口及開發(fā)的簡(jiǎn)單應(yīng)用案例實(shí)現(xiàn)等實(shí)踐活動(dòng)，搭建具有ROS軟件環(huán)境的基本機(jī)器人系統(tǒng)，為后續(xù)的功能實(shí)踐及開發(fā)做鋪墊。

2）機(jī)器人操作系統(tǒng)平臺(tái)的空中實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模好嫦颥F(xiàn)有無(wú)人機(jī)實(shí)際應(yīng)用的需要，針對(duì)無(wú)人機(jī)的航拍等需求，實(shí)現(xiàn)包括視頻圖像、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)等在內(nèi)的與地面系統(tǒng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、多機(jī)協(xié)同飛行控制等功能，培養(yǎng)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)鏈、ROS功能包使用開發(fā)等方面的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：針對(duì)無(wú)人系統(tǒng)空地一體化協(xié)同的任務(wù)需求，開展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)鏈總體方案設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)距離高清視頻傳輸接口設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸接口開發(fā)、多機(jī)協(xié)同飛行航跡規(guī)劃等創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)空地一體的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)鏈及功能包應(yīng)用。

3）機(jī)器人操作系統(tǒng)平臺(tái)的地面實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模横槍?duì)地面機(jī)器人安保、搬運(yùn)等需求，實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃等功能，培養(yǎng)學(xué)生在ROS仿真器、導(dǎo)航等功能包的使用與開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：針對(duì)地面無(wú)人系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人或無(wú)人車與移動(dòng)工作站一體化協(xié)同的任務(wù)需求，開展傳感器數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸、路徑導(dǎo)航規(guī)劃等創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)地面機(jī)器人的環(huán)境建圖及搬運(yùn)的原型演示系統(tǒng)。

上述3類實(shí)驗(yàn)是為了使學(xué)生更好地了解和掌握ROS系統(tǒng)的使用而設(shè)計(jì)的，旨在培養(yǎng)學(xué)生的研究和創(chuàng)新思維。

4.3教學(xué)方法設(shè)計(jì)

一般來(lái)說，研究型課程的實(shí)驗(yàn)或者作業(yè)很難在課堂有限的時(shí)間內(nèi)完成，因此，查閱資料、動(dòng)手實(shí)踐及創(chuàng)新靈感等都主要在課下完成，為了保證教師與學(xué)生的課下互動(dòng)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)（如確實(shí)Trustie）的利用是值得推薦的途徑之一。機(jī)器人操作系統(tǒng)作為較早在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上建設(shè)的課程，將課程開設(shè)與基于ROS的機(jī)器人操作系統(tǒng)研究相結(jié)合，一定會(huì)涌現(xiàn)出大量新問題，需要進(jìn)行深入研究。

具體實(shí)施上，不僅可以依托網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)公開共享相關(guān)的資料、講義、對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教材、課件、專題研討等學(xué)習(xí)資源，還能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)作業(yè)的分組設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、實(shí)驗(yàn)代碼的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估及反饋等，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)的實(shí)踐閉環(huán)，這就需要教師或者教師組在線對(duì)課程的實(shí)驗(yàn)以及學(xué)員后續(xù)的相關(guān)工作進(jìn)行項(xiàng)目管理、代碼版本管理、發(fā)布管理、任務(wù)管理、bug管理等支持，并通過Wiki、BBS、郵件列表等與學(xué)員進(jìn)行交流及提供即時(shí)反饋。

5.結(jié)語(yǔ)

在第三次工業(yè)革命興起的這樣一個(gè)歷史時(shí)期，我國(guó)乃至全世界教育機(jī)構(gòu)都肩負(fù)著培養(yǎng)和造就適應(yīng)未來(lái)機(jī)器人時(shí)代人才的重任。由于機(jī)器人操作系統(tǒng)興起不久，建設(shè)機(jī)器人操作系統(tǒng)研究型課程是較為可行的方案之一。該課程的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：以國(guó)際開源ROS項(xiàng)目為實(shí)踐基礎(chǔ)，參照國(guó)際相關(guān)大學(xué)同類課程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)的課程內(nèi)容、案例實(shí)驗(yàn)和教學(xué)方法等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開展教學(xué)實(shí)踐，強(qiáng)化學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)；通過該課程帶動(dòng)學(xué)科交叉合作、科技競(jìng)賽等相關(guān)活動(dòng)的開展，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合，有效支持機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)研究。