機(jī)器人操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)課程探索

盧宇 申遠(yuǎn) 陳曉婷 韋穎

摘要：機(jī)器人操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是一項(xiàng)新興工業(yè)技術(shù)，其利用代碼技術(shù)和軟件工具實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制，在各種工業(yè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。但是目前該實(shí)驗(yàn)課程在高校本科專業(yè)中開展較少，并且該實(shí)驗(yàn)課程需要配置眾多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、視覺方面設(shè)備、儀器，無法開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)，影響機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)課程基于學(xué)校已有的實(shí)驗(yàn)室硬件條件，結(jié)合行業(yè)實(shí)際需求，針對(duì)機(jī)器人操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境與教學(xué)平臺(tái)，完成人才培養(yǎng)專業(yè)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)果證明本實(shí)驗(yàn)課程可以滿足學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)點(diǎn)的需求，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng);教學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)課程;機(jī)器人操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）15-0208-02

1引言

為了應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，從服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，需要有效開展理論與實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。其中機(jī)器人工程專業(yè)的技能培養(yǎng)目標(biāo)可描述為：培養(yǎng)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、技能;具有在機(jī)器人生產(chǎn)單位進(jìn)行機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)的能力，可承擔(dān)系統(tǒng)集成、維護(hù)、編程、調(diào)試等工作。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人工程研究領(lǐng)域已經(jīng)由自動(dòng)化或機(jī)械專業(yè)為主，計(jì)算機(jī)專業(yè)為輔，發(fā)展為以算法和軟件開發(fā)為主。這就使得算法和軟件開發(fā)越來越重要。機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）就是一個(gè)專門為機(jī)器人軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的開源操作系統(tǒng)架構(gòu)。ROS最初是作為科研輔助工具由斯坦福大學(xué)開發(fā)，與其說是一個(gè)操作系統(tǒng)，不如說是一種分布式模塊化軟件框架。它提供異構(gòu)計(jì)算機(jī)集群上操作系統(tǒng)功能的框架和工具集。ROS提供了硬件抽象、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、多臺(tái)機(jī)器上進(jìn)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(xiàn)提高機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的代碼重復(fù)率。

學(xué)習(xí)ROS前至少需要有C/C++語言基礎(chǔ)，Linux操作和編程基礎(chǔ)。但是由于機(jī)器人工程專業(yè)是一門融合了多門學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)科，因此還需要懂得機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器、機(jī)器視覺等方面相關(guān)知識(shí)。

2人才培養(yǎng)對(duì)RoS程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的需求

對(duì)人才的培養(yǎng)是能力的培養(yǎng)、素質(zhì)的培養(yǎng)。在工科領(lǐng)域，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力要求很高。學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)本專業(yè)的各種理論知識(shí)，更重要的是實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。這種能力決定了對(duì)本學(xué)科知識(shí)的深入理解，以及學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)前景。實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)需要依據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)的需求、教學(xué)科研客觀需求而確定。但同時(shí)也需要考慮學(xué)校的財(cái)力和人力狀況，實(shí)驗(yàn)室原有條件及配套基礎(chǔ)設(shè)施等情況。

ROS程序設(shè)計(jì)理論課的教材選用機(jī)械工業(yè)出版社發(fā)行的《ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)》第二版。該教材主要內(nèi)容包括：ROS系統(tǒng)架構(gòu)，ROS程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和可視化方法，在ROS下使用傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，ROS下3D建模與仿真，使用導(dǎo)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(tǒng)為Ubuntu 12.04。我們選用的實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境是在個(gè)人電腦上安裝Ubuntu 12.04+ROS Hydro.

3實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)課程方面沒有現(xiàn)成的教材，需要教師根據(jù)理論課內(nèi)容補(bǔ)充。由于ROS環(huán)境中已經(jīng)可對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的攝像頭、激光雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行了仿真，因此可以在ROS環(huán)境中仿真實(shí)驗(yàn)。

通過精心選取，實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容包括：Linux和ROS的安裝，ROS中GDB調(diào)試，傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真三個(gè)部分內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排由入門實(shí)驗(yàn)到應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。其中第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是入門實(shí)驗(yàn)，可描述如下：

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

（1）掌握Ubuntu系統(tǒng)的安裝;

（2）掌握ROS Hydro的安裝。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材：聯(lián)想臺(tái)式機(jī)，Intel i5處理器，4GRAM內(nèi)存。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及流程：

檢查臺(tái)式機(jī)是否能正常啟動(dòng)。

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(shè)置密鑰、使用desktop-full方式安裝、初始化rosdep、配置環(huán)境、安裝rosinstall等。

檢查ROS安裝是否正確。

常見問題：安裝ROSHydro時(shí)為什么有時(shí)下載速度非常緩慢？

（3）原始數(shù)據(jù)或信息記錄

Ubuntu 12.04安裝成功后，進(jìn)入U(xiǎn)buntu系統(tǒng)，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(duì)話框，顯示海龜圖標(biāo)。

（4）數(shù)據(jù)或信息處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

在運(yùn)行Hydro后，顯示小海龜圖標(biāo)。海龜可按照指定方向移動(dòng)。

（5）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論：

安裝Hydro時(shí)下載速度慢，可以切換下載地址，如國內(nèi)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(xù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生還將ROS下使用傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括1.掌握仿真游戲手柄和連接和編程。2.掌握仿真環(huán)境中USB Camera的連接和視頻圖像查看。學(xué)生需要通過實(shí)驗(yàn)，調(diào)整優(yōu)化關(guān)鍵操作參數(shù)，建立模擬小車運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。在完成每部分實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生需要記錄實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)果，并可根據(jù)需要擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

4結(jié)束語

ROS程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程涉及專業(yè)廣，內(nèi)容不宜過于復(fù)雜，主要是使學(xué)生適應(yīng)操作系統(tǒng)環(huán)境和簡單編程調(diào)試方法，為今后工作打下基礎(chǔ)，推進(jìn)技能提升，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性。上述課程設(shè)計(jì)方案不僅借鑒了其他高校關(guān)于ROS程序設(shè)計(jì)課程的開設(shè)方案，還依托本校實(shí)際情況。只有這樣才能真正促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的良好有效運(yùn)行，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和效率，使學(xué)生的動(dòng)手能力得到增強(qiáng)。