机器人操作系统程序设计仿真实验课程探索

卢宇 申远 陈晓婷 韦颖

摘要：机器人操作系统程序设计是一项新兴工业技术，其利用代码技术和软件工具实现对工业机器人的控制，在各种工业领域均有广泛应用，具有良好的发展前景。但是目前该实验课程在高校本科专业中开展较少，并且该实验课程需要配置众多机器人运动控制、视觉方面设备、仪器，无法开展实体实验，影响机器人工程专业人才培养质量。本实验课程基于学校已有的实验室硬件条件，结合行业实际需求，针对机器人操作系统程序设计理论与实践要点，设计了仿真实验环境与教学平台，完成人才培养专业训练。实验课程结果证明本实验课程可以满足学生对该课程知识点的需求，达到实验教学目的。

关键词：人才培养;教学;虚拟仿真;实验课程;机器人操作系统

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）15-0208-02

1引言

为了应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，需要有效开展理论与实践教学活动。其中机器人工程专业的技能培养目标可描述为：培养机器人应用技术、技能;具有在机器人生产单位进行机器人应用系统的设计和开发的能力，可承担系统集成、维护、编程、调试等工作。

随着机器人技术的不断发展，机器人工程研究领域已经由自动化或机械专业为主，计算机专业为辅，发展为以算法和软件开发为主。这就使得算法和软件开发越来越重要。机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）就是一个专门为机器人软件开发设计的开源操作系统架构。ROS最初是作为科研辅助工具由斯坦福大学开发，与其说是一个操作系统，不如说是一种分布式模块化软件框架。它提供异构计算机集群上操作系统功能的框架和工具集。ROS提供了硬件抽象、设备驱动、多台机器上进程之间的通信、测试和可视化工具等功能，可引入第三方组件，它的出现提高机器人研发领域的代码重复率。

学习ROS前至少需要有C/C++语言基础，Linux操作和编程基础。但是由于机器人工程专业是一门融合了多门学科知识的交叉学科，因此还需要懂得机械设计、传感器、机器视觉等方面相关知识。

2人才培养对RoS程序设计实验课程的需求

对人才的培养是能力的培养、素质的培养。在工科领域，对学生的动手能力要求很高。学生不仅要学习本专业的各种理论知识，更重要的是实践动手能力的培养。这种能力决定了对本学科知识的深入理解，以及学生毕业后的就业前景。实验课程的开设需要依据本专业人才培养的需求、教学科研客观需求而确定。但同时也需要考虑学校的财力和人力状况，实验室原有条件及配套基础设施等情况。

ROS程序设计理论课的教材选用机械工业出版社发行的《ROS机器人程序设计》第二版。该教材主要内容包括：ROS系统架构，ROS程序设计、调试和可视化方法，在ROS下使用传感器和执行机构，ROS下3D建模与仿真，使用导航功能包集等。教材中使用的ROS的版本为ROS Hydro，推荐的Linux系统为Ubuntu 12.04。我们选用的实验仿真环境是在个人电脑上安装Ubuntu 12.04+ROS Hydro.

3实验课内容

实验课程方面没有现成的教材，需要教师根据理论课内容补充。由于ROS环境中已经可对实验涉及的摄像头、激光雷达等设备进行了仿真，因此可以在ROS环境中仿真实验。

通过精心选取，实验课内容包括：Linux和ROS的安装，ROS中GDB调试，传感器与执行机构仿真三个部分内容。实验内容安排由入门实验到应用型实验。其中第一个实验是入门实验，可描述如下：

实验目标：

（1）掌握Ubuntu系统的安装;

（2）掌握ROS Hydro的安装。

实验内容及步骤：

（1）实验设备及器材：联想台式机，Intel i5处理器，4GRAM内存。

（2）实验内容及流程：

检查台式机是否能正常启动。

下载Ubuntu 12.04的is0安装镜像，并安装。

待安装完Ubuntu 12.04后，配置Ubuntu软件库。

安装ROS Hydro。包括设置密钥、使用desktop-full方式安装、初始化rosdep、配置环境、安装rosinstall等。

检查ROS安装是否正确。

常见问题：安装ROSHydro时为什么有时下载速度非常缓慢？

（3）原始数据或信息记录

Ubuntu 12.04安装成功后，进入Ubuntu系统，并可打开ter-minal，可使用常见的Linux命令，如ls、pwd、mkdir等。

安装Hydro后输入roseore、rosrun turtlesim turtlesim_node，屏幕弹出对话框，显示海龟图标。

（4）数据或信息处理及实验结果：

在运行Hydro后，显示小海龟图标。海龟可按照指定方向移动。

（5）对实验结果的讨论：

安装Hydro时下载速度慢，可以切换下载地址，如国内的地址，这样可提高速度。

Linux操作以命令行形式为主，需要多熟悉。

后续实验中，学生还将ROS下使用传感器和执行机构，包括1.掌握仿真游戏手柄和连接和编程。2.掌握仿真环境中USB Camera的连接和视频图像查看。学生需要通过实验，调整优化关键操作参数，建立模拟小车运动模型，实现實验目标。在完成每部分实验后，学生需要记录实验步骤结果，并可根据需要扩展实验内容。

4结束语

ROS程序设计实验课程涉及专业广，内容不宜过于复杂，主要是使学生适应操作系统环境和简单编程调试方法，为今后工作打下基础，推进技能提升，激发学习积极性。上述课程设计方案不仅借鉴了其他高校关于ROS程序设计课程的开设方案，还依托本校实际情况。只有这样才能真正促进实验课程的良好有效运行，提高学生学习主动性和效率，使学生的动手能力得到增强。