机器人操作系统研究型课程建设

摘要：随着第三次工业革命的兴起，机器人操作系统将成为突破机器人产业发展瓶颈的关键。机器人操作系统课程涉及的是一个新兴领域，其课程建设与研究密不可分。文章基于教学与科研的正向促进关系，提出建设和调整机器人操作系统课程新的教学科研目标、内容、手段和体系，以最终实现机器人操作系统课程的研究型课程建设。

关键词：机器人操作系统；研究型教学；互动；课程建设

1.背景

习近平总书记在2014年两院院士大会上指出，“机器人革命有望成为第三次工业革命的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局，而且我国将成为全球最大的机器人市场”。2007年年初，全球IT行业巨头比尔·盖茨在《科学美国人》杂志上撰文，预言机器人将走进千家万户。当前，机器人这一新兴产业与计算机产业爆炸式发展前的状况“如出一辙”，机器人操作系统，将成为突破机器人产业发展瓶颈的关键。我国在20世纪70年代没有抓住个人计算机技术发展的机遇，导致今天在操作系统等方面严重受制于人，因此，抓住“机器人革命”这一历史机遇，着力培养和储备机器人操作系统人才，是应对“第三次工业革命”激烈市场竞争的迫切需要，具有重大的历史和现实意义。

虽然机器人操作系统（robot operating system，ROS）发展迅猛，但是针对几十所世界一流大学的调查显示，以机器人操作系统为主题的课程和教材寥寥无几，这是因为，与其他传统课程相比，机器人操作系统课程具有大量新颖的特点，这些特点对其教学和科研都带来了前所未有的挑战。例如，机器人操作系统具有版本更新快、内容变动大、兼容性差等特点，如何将教学的相对稳定性与科研的前沿性相结合是摆在教师面前的重大难题；相应的机器人硬件平台种类繁多，需要大量的人力物力进行调研、准备、适配、调试、维护和测试，必须进行版本控制、教具选型、操作系统与硬件平台适配、操作系统定制与移植，而这些工作都是以教学和科研的结合为基础的。

《高等教育法》规定，现代大学有3大任务——教学、科研和社会服务，它们相互关联，共同服务于人才培养。机器人操作系统有着前沿性、实践性、学科交叉性等多种优势，将肩负在新常态下开拓这3大任务新型模式的重任。以教学与科研结合，建设机器人操作系统研究型课程，是在新常态下培养机器人技术创新人才、加快创新成果生成、推进和实现“第三次工业革命”的客观需要。

2.研究型课程简介

在国外，学校的课程体系中并没有研究型课程这样一个明确的概念，但存在与之理念相近的课程，并广泛实施。

教学与科研是涉及不同领域的两项活动。教学主要是指教师面向学生，有计划、有系统地传授人类业已取得的知识成果和经验心得，是教师传授与学生学习的一种双向互动的行为。科研主要是指人们应用已经取得的知识及所具备的条件，去探求未知，发现、论证并创造新知，是人类的一种高级智力活动。研究型课程正是教学与科研紧密结合而产生的新型教学模式。

研究型课程是以“培养学生具有永不满足、追求卓越的态度，培养学生发现问题、提出问题、解决问题的能力”为基本目标，以学生从学习生活和社会生活中获得的各种课题或项目设计、作品的设计与制作等为基本的学习载体，以在提出问题和解决问题的全过程中学习到的科学研究方法、获得的丰富且多方面的体验和获得的科学文化知识为基本内容，以在教师指导下，学生自主采用研究性学习方式开展研究为基本教学形式的课程。这种描述性的界定将在实践中通过不断理性化的过程使其更科学化，并不断得到完善。这种描述性的界定，显示出研究型课程具有学生自主性、开放性和研究性的特点。

3.机器人操作系统相关课程现状

机器人操作系统课程建设尚处起步阶段，但发展迅速。最早的相关课程从2010年开始，截至目前，涉及机器人操作系统的课程大量涌现，据统计，在多个国家的院校共有不下20门课程不同程度地运用了机器人操作系统，并逐步有围绕其建设课程体系的趋势，但目前以其为主题的课程寥寥可数。

在国外院校中，日本东京大学的RTM-ROS Robotics in Japanese是一门在课程题目中明确提及ROS的课程，但其内容除了针对ROS进行基础概念的讲授，还涉及传统操作系统、编程语言以及RTM的介绍等。以色列Bar-llan大学的Introduction to Robotics与机器人操作系统主题相一致，但内容与机器人本体相关性较大。当前，与机器人操作系统相关的课程较多，主要是以机器人或机器人编程课程为主，在课程内容中以ROS为基础软件平台实现机器人的相应功能，但这些课程都不是以讲授ROS为目的，只是在某几讲或主题中涉及机器人操作系统，并未贯穿课程始终。例如Stanford大学的Robot Programming Laboratory、南卡罗来纳大学Robotics、罗马Sapienza大学Robot Programming和伯明翰大学的Intelligent Robotics等均在不同程度上涉及了机器人操作系统的相关内容。

此外，针对机器人操作系统有很多短期课程和研讨会。2013年里斯本大学的夏季课程ROS framework，四天的时间课时长度为14-19个小时，涉及GNU/Linux操作系统、C++语言、Python语言和机器人操作系统。SIGCSE（Association for Computing Machinery’s SpecialInterest Group on Computer Science Education）分别在2012和2013年针对机器人操作系统召开了教育方面的研讨会，ICRA（IEEE InternationalConference on Robotics and Automation）在2010年针对机器人操作系统中的节点和消息的感知、规划和控制召开了一天的实践辅导课，WillowGarage公司也在2010年历时五天针对机器人操作系统和PR2机器人召开相关的研讨会等。

有关ROS的教材较少，目前的短期课程或者学期课程都主要是以网上文档资料以及技术报告为主，较为不错的参考书籍主要有R Patrick Goebel写的《ROSbyExample》，2013年9月Aaron Martinez和Eique Femhndez写的《Learning ROS for Robotics Programming》（由PacktPublishing公司出版）和2013年10月JasonM.O’Kane写的《AGentle Introductionto ROS》，可见有关ROS的参考书籍较新，且随着ROS版本升级，书籍的版本更新较快。

在国内院校中，虽然针对机器人、操作系统和嵌入式操作系统等的相关课程在不少高校均有开设，但这些课程均无法替代机器人操作系统。国防科学技术大学预计开设的机器人操作系统课程尚属首例，特别是针对ROS开源平台的研究型课程还未有查阅到相关信息。在国内，机器人操作系统未形成成熟的教材体系，即使是国外网站资料的翻译也比较少见。2012年由张建伟等人编著的《开源机器人操作系统——ROS》是国内第一本全面介绍ROS的中文版图书，由于涉及机器人、人工智能、计算机视觉等多学科领域，该书较适合作为相关领域的科研人员、研究生及高年级本科生学习的参考书。

4.具体课程建设

4.1课程内容设计

机器人操作系统是基于国际开源社区平台建设的课程，因此应该突出课程的平台化、基础化特征，旨在让学员了解和掌握ROS的基本原理，并通过案例，以点盖面介绍ROS核心以及各功能模块的实现原理和使用方法，以研究课题为牵引，完成研究型课程设计。其内容主要涉及3个部分：

1）ROS的基本概念。

包括ROS的背景、应用、发展历史、主要特征、基本组成、安装与环境以及与传统操作系统的区别等内容，使学生了解机器人操作系统，掌握以ROS为代表的机器人操作系统的基本原理。

2）ROS的基本功能模块。

涉及ROS的坐标变换、导航与视觉、路径规划、仿真器等基础功能介绍与演示，使学生了解ROS的基本功能和常用模块的实现原理及接口，从而具备基于ROS开展简单无人系统实验的能力。

3）基于ROS的实际案例。

面向实际应用，设计相关课程的实验演示及实践型结课项目，使学生能够运用所学到的ROS知识实现一些基本的应用，还能够在一定程度上扩充和完善ROS，与国际ROS开源社区密切交流，掌握最新动态。

4.2实验设计

实验是机器人操作系统研究型课程的重要环节。让学生感兴趣且贴近实际的实验设计有利于研究型课程目标的实现。根据实际条件，设计空中和地面两类机器人实验平台，以ROS为核心，注重机器人操作系统的基础化、平台化特征，设计课程演示实验及学生实验。具体如下：

1）机器人操作系统平台的共性实验。

实验目的：ROS是实现机器人系统各项功能的软件基础。该项实验针对机器人操作系统内核开展，主要包括ROS操作系统的安装及实现、简单节点的键盘控制、节点之间的通信、常用传感器的使用等功能，使学生了解ROS的基本原理、组成方式、运行机制等，培养学生在ROS平台上的动手实践能力。

实验内容：针对不同的机器人平台实现ROS的安装适配，基于网络教学平台的协同开发调试、无线通信和分布式消息接口、常用传感器驱动和应用接口及开发的简单应用案例实现等实践活动，搭建具有ROS软件环境的基本机器人系统，为后续的功能实践及开发做铺垫。

2）机器人操作系统平台的空中实验。

实验目的：面向现有无人机实际应用的需要，针对无人机的航拍等需求，实现包括视频图像、测控数据等在内的与地面系统平台的远程数据传输、多机协同飞行控制等功能，培养学生在网络化数据链、ROS功能包使用开发等方面的创新实践能力。

实验内容：针对无人系统空地一体化协同的任务需求，开展无线网络化数据链总体方案设计、远距离高清视频传输接口设计、远距离数据传输接口开发、多机协同飞行航迹规划等创新实践活动，构建和实现空地一体的无线网络化数据链及功能包应用。

3）机器人操作系统平台的地面实验。

实验目的：针对地面机器人安保、搬运等需求，实现地图构建、路径规划等功能，培养学生在ROS仿真器、导航等功能包的使用与开发的创新实践能力。

实验内容：针对地面无人系统移动机器人或无人车与移动工作站一体化协同的任务需求，开展传感器数据接口设计、远距离数据传输、路径导航规划等创新实践活动，构建和实现地面机器人的环境建图及搬运的原型演示系统。

上述3类实验是为了使学生更好地了解和掌握ROS系统的使用而设计的，旨在培养学生的研究和创新思维。

4.3教学方法设计

一般来说，研究型课程的实验或者作业很难在课堂有限的时间内完成，因此，查阅资料、动手实践及创新灵感等都主要在课下完成，为了保证教师与学生的课下互动，现有的网络教学平台（如确实Trustie）的利用是值得推荐的途径之一。机器人操作系统作为较早在网络教学平台上建设的课程，将课程开设与基于ROS的机器人操作系统研究相结合，一定会涌现出大量新问题，需要进行深入研究。

具体实施上，不仅可以依托网络教学平台公开共享相关的资料、讲义、对应的网络教材、课件、专题研讨等学习资源，还能够进行实验作业的分组设计和实验项目管理、实验代码的开发和实验结果的评估及反馈等，以实现持续改进的实践闭环，这就需要教师或者教师组在线对课程的实验以及学员后续的相关工作进行项目管理、代码版本管理、发布管理、任务管理、bug管理等支持，并通过Wiki、BBS、邮件列表等与学员进行交流及提供即时反馈。

5.结语

在第三次工业革命兴起的这样一个历史时期，我国乃至全世界教育机构都肩负着培养和造就适应未来机器人时代人才的重任。由于机器人操作系统兴起不久，建设机器人操作系统研究型课程是较为可行的方案之一。该课程的建设将实现两个目标：以国际开源ROS项目为实践基础，参照国际相关大学同类课程标准，对机器人操作系统的课程内容、案例实验和教学方法等进行设计，并开展教学实践，强化学生研究能力和创新能力培养；通过该课程带动学科交叉合作、科技竞赛等相关活动的开展，实现人才培养和科学研究的有机结合，有效支持机器人操作系统相关研究。