将机器人操作系统（ROS）引入本科实践教学

肖军浩 卢惠民 薛小波 徐晓红

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

摘 要：实践教学是人才培养的一个重要环节，对机器人技术这样一门典型的交叉学科尤为重要。然而，开展机器人技术实践教学亟需一个通用的多功能软件平台，机器人操作系统（ROS）的面世填补了这个空白。因此，让高年级本科生学习使用ROS有非常重要的意义。事实上，国外很多知名高校已经将ROS用于教学，而国内还刚刚起步。作者近两年在国防科技大学《自动化系统综合设计》实践课程中对ROS教学进行了初步尝试，论文不仅分享了课程的教学方法，还分析了将ROS应用于实践教学可能遇到的共性问题，提出了建设ROS实践教学课程的建议。

关键词：实践教学 机器人操作系统 机器人技术 自动化系统综合设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（a）-0157-03

合理有效开展实践教学，是培养工程技术类人才必不可少的一个重要步骤，对于机器人技术的教育更是如此。通过实践教学，学生能够验证所学的理论，更重要的是，通过理论与实践的结合更深刻理解所学知识。机器人技术亟需一个能够将各部分知识融会贯通的软件实践平台。在众多机器人软件平台中，机器人操作系统（ROS）因具有功能丰富、模块化程度高、代码可重用性强、开发效率高、可供借鉴开源资源丰富、组织机器人软件系统高效灵活等优点，能够更好满足这个需求。国防科学技术大学《自动化系统综合设计》实践课程对引入ROS进行了初步尝试，分析了将ROS应用于实践教学肯能遇到的共性问题，提出了建设ROS实践教学课程的建议。

1 机器人操作系统的发展

作为撬动下一次工业革命的杠杆，机器人近年来受到全社会的普遍关注，各国也不断加大对于机器人研究的支持力度。随之而来的是机器人技术的飞速发展，但与此同时，机器人系统的复杂度不断提高，使得为机器人编写软件系统越来越困难。主要原因包括：第一，机器人的功能层次化要求在加深，对软件的模块化设计提出了更高要求；第二，机器人的计算平台不断丰富，机器人软件是否支持跨平台开发成为机器人设计中的一个重要因素；第三，机器人的感知系统越来越复杂，虽然提升了机器人的感知能力，但数据量也越来越大，对于软件系统的实时性和可靠性提出了挑战；第四，机器人软件系统呈“烟囱”式发展，不同机器人间的接口不能兼容，代码不能复用。总之，与个人计算机相比，机器人领域缺少一套软件架构的标准，导致代码的复用率非常低。

针对上述问题，机器人操作系统[1，2]（Robot Operating System，简称ROS）应运而生。因为集成了全世界机器人领域顶级科研机构，包括斯坦福大学、麻省理工学院、慕尼黑工业大学、加州大学伯克利分校、佐治亚理工大学、弗莱堡大学、东京大学等多年的研究成果，ROS甫一问世便受到了科研人员的广泛关注。随后，ROS又借助开源的魅力吸引了世界各地机器人领域的仁人志士群策群力，推动其不断进步。2013年麻省理工学院科技评论（MIT Technology Review）指出：“从2010年发布1.0版本以来，ROS已经成为机器人软件的事实标准（de facto standard）”。目前ROS在全球已经拥有数以万计的使用者，其支持的机器人已经有百余种，其中包括廉价的乐高机器人（LEGO Mindstorms）和TurtleBot系列教学机器人。

2 ROS对于机器人实践教学的意义

合理有效开展实践教学，是培养工程技术类人才必不可少的一个重要步骤，对于机器人技术的教育更是如此[3]。通过实践教学，学生能够验证所学的理论，更重要的是，通过理论与实践的结合更深刻的理解所学知识。机器人技术涉及到机械系统设计、运动控制规划、环境感知、信息融合、信号处理等众多研究内容，亟需要一个能够将学生过去所学的知识融会贯通的实践平台。对于机器人技术，硬件平台和软件平台具有同等重要的地位，甚至软件平台比硬件平台的地位更加突出，因为没有硬件平台还可以通过仿真等途径进行算法的验证，而没有软件平台学生则无从下手。

首先，ROS正是这样一个能够用于高年级本科生实践教学的理想的软件平台，它几乎涵盖了机器人技术的各个方面，包括底层的硬件驱动、数据获取、运动控制，上层的自主定位、路径规划、地图创建、目标识别等。其次，ROS采用基于发布/订阅的节点通信方式，将各个功能进行了松耦合的模块化设计，因此，可以根据教学内容对实践项目进行裁剪。此外，ROS中集成了机器人技术领域很多最新研究成果的代码，基于这些代码学生很容易站在巨人肩膀上学习，有利于学生了解学科的发展前沿。最后，ROS社区提供了针对各个层次的用户的大量在线教程，这些教程都是通过国际同行严格评审后才发布的，具有非常高的权威性，可以用于学生自学。

因此，让本科生尽早了解、学习并使用ROS具有非常重要的意义：第一，基于ROS能够迅速实现一些机器人的简单应用，使学生对机器人技术产生浓厚的兴趣；第二，从更加系统的角度理解机器人软件架构；第三，为研究生期间从事机器人技术研究打下良好基础；第四，学习ROS中的代码标准和编程风格，培养良好的工程素养；第五，能够开阔眼界，了解机器人领域最前沿的研究成果。

事实上，自ROS面世以来，国外很多知名高校，如：斯坦福大学（美国）、伯明翰大学（英国）、圣路易斯华盛顿大学（美国）、萨格勒布大学（克罗地亚）、南卡罗来纳大学（美国）、东京大学（日本）、锡耶纳大学（意大利）、莱布尼兹汉诺威大学（德国）已经将ROS引入实践教学中[4]。与国际同行相比，国内关于机器人操作系统的教学刚刚起步，国防科学技术大学已经开设了研究生课程[5]，在本科生课程方面还未见相关报告。

3 笔者近两年的尝试

笔者在国防科学技术大学自动化专业的《自动化系统综合设计》课程中对ROS教学进行了初步尝试。笔者选用的教学平台是Willow Garage公司的TurtleBot2教学机器人[6]，是专门针对本科生和研究生教学研发的平台，结构简单，外形小巧，采用双轮差动，搭载红外传感器、碰撞检测传感器、RGB-D体感摄像头等传感器。TurtleBot2自带了丰富的例程，包括遥控运动控制、行人跟踪、地图创建等，并且这些例程都配有详细的文档。

《自动化系统综合设计》面向自动化专业大四上学期本科生，共36个学时，其中4个学时用于理论授课，主要用来介绍ROS的基本概念、文件组织、框架结构、基本命令、常用工具、如何编译执行等。其余32个学时进行分组实验，具体的实施方式如以下几点。

3.1 以项目为导向

课程首先发布一系列的项目供学生选择，这些项目涉及到机器人领域不同的知识单元，仅凭一个学生在课程规定的时间内难以完成。因此，学生之间必须组队，根据题目的难易程度不同允许2～4个学生为一组。学生在这门课需要做的是根据所选项目分析问题和解决实际问题，包含需求分析、方案设计、代码实现、软件调试、现场验收5个阶段。当然，在此过程中老师会给予必要的指导。

通过这种方式，能够锻炼学生综合利用所学知识分析并解决实际问题的能力，培养良好的工程素养。

3.2 采用合作学习的教学模式

如上所述，学生在课程设计过程中必须通过分工合作才能完成选定的项目。因此，课程采取合作学习（cooperative learning）的教学模式。这一教学模式于20世纪70年代在美国提出，并在80年代中期取得实质性进展[7，8]，我国在引入后也取得了较好效果[7]。合作学习是一种结构化的、系统的学习策略，由2～6名能力各异的学生组成一个小组，以合作和互助的方式从事学习活动，共同完成小组学习目标，在促进每个人学习积极性的前提下，提高整体成绩。因此，合作学习非常适合类似于《自动化系统综合设计》这种综合性较强的课程学习。

通过引入合作学习，能够培养学生的集体意识和强化团队合作的能力。

3.3 以多重标准进行评分

在现场验收时，根据项目的完成情况，每个小组会有一个分数，但这个分数仅是组内成员最终分数的基数。为了避免“合作学习”中出现“不合作”和“不作为”现象，对于组内成员采取互评和差异性评分。互评是指组内成员根据对于项目的贡献互相打分，差异性评分是指组内成员的最终成绩并不相同。

通过引入组内成员互评和差异性评分机制，实现了组内竞争，激发学生作为个体的责任感。

4 收获和感悟

因为课程本身融学术性、趣味性、竞争性于一身，因此，学生参与的积极性非常高。考虑到是第一次在实践课程中引入ROS，2014年只发布了3个项目，结果30个学生中一半以上报名，最终只有8个学生入围。学生克服了中文文献少、Linux操作不熟悉等困难，圆满完成了项目指定的任务。与学生交流的过程中，学生也认为在课上学到了很多新知识，除了机器人操作系统本身之外，对机器人技术的理解也更加深刻，尤其是对软硬件体系结构有了新的认识。为了增加受众面，2015年教学团队加大了课程的建设力度，成立了指导老师组，面向整个自动化专业开设了以ROS为软件平台的《自动化系统综合设计》，并取得了预期的教学效果。

在课程的建设过程中，笔者也发现了一些问题，这些问题对于国内本科教学可能是共性的，在教学过程中值得注意：第一，Linux操作系统知识储备不足，当前我国大学校园内绝大部分用户都使用微软各个版本的windows操作系统，知道并能够熟练使用linux的学生寥寥无几。因此，对窗口操作的依赖性极强，对在终端进行命令行操作心存畏惧；第二，中文资料有限，虽然ROS自诞生以来迅速在全世界推广，但中文资料依然有限。没有合适的中文教材，对于本科生来讲直接使用外文教材难度较大；第三，绝大部分学生不能将ROS作为一个工具使用，在学习过程中不想放过任何一个细节，没有边学边用的习惯；第四，学生没有接触过Boost编程，而ROS集成了全世界大量一流科研机构的科研成果，其代码中较多的使用了boost编程且高度优化；第五，TurtleBot2中的代码中大量使用了nodelet和roslaunch等工具的高级用法，加大了剖析代码的难度。

5 对于机器人操作系统教学的建议

从课程体系层面上考虑开设《机器人操作系统》相关实践课程：在纵向上，开设必要的先修课程，如《Linux操作系统导论》；在横向上，建议作为机器人技术主干课程的配套实践课，例如：针对《自主移动机器人导论》《机器人视觉》等，精心设计使用ROS实现理论教学中的一些案例，吸引学生的兴趣，在汲取理论知识的同时提高学生的动手能力。

6 结语

笔者在《自动化系统综合设计》实践课程中引入了ROS，作为软件平台支撑机器人技术这一典型交叉学科的实践教学。在课程建设中，始终坚持以项目为主导，采用合作学习的教学模式，以多重标准进行评分。课程本身融学术性、趣味性、竞争性于一身，因此，学生参与的积极性非常高。经过课程的训练，学生对于机器人技术有了更深刻、更系统的认识，能够利用ROS进行软件的构建，解决实际的工程问题，取得了预期的教学效果。此外，笔者总结了课程建设过程中遇到的问题，并针对国内开展ROS教学提出了建议。

参考文献

[1] 肖军浩.机器人操作系统浅析（译）[M].北京：国防工业出版社，2016.

[2] 张建伟，张立伟，胡颖，等.开源机器人操作系统——ROS[M].北京：科学出版社，2012.

[3] 徐晓红，郑志强，卢惠民.构建机器人技术创新实践基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2015，34（3）：185-189.

[4] 国际上各大学已开设ROS相关课程列表[EB/OL].http：//wiki.ros.org/Courses，2016-08-24.

[5] 王之元，周云，易晓东，等.机器人操作系统研究型课程建设[J].计算机教育，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.论合作学习的基本理念[J].教育研究，2002，2（2）：

68-72.

[8] 曾琦.合作学习的基本要素[J].学科教育，2000（6）：7-12.