機器人操作系統研究型課程建設

摘要：隨著第三次工業革命的興起，機器人操作系統將成為突破機器人產業發展瓶頸的關鍵。機器人操作系統課程涉及的是一個新興領域，其課程建設與研究密不可分。文章基于教學與科研的正向促進關系，提出建設和調整機器人操作系統課程新的教學科研目標、內容、手段和體系，以最終實現機器人操作系統課程的研究型課程建設。

關鍵詞：機器人操作系統；研究型教學；互動；課程建設

1.背景

習近平總書記在2014年兩院院士大會上指出，“機器人革命有望成為第三次工業革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業格局，而且我國將成為全球最大的機器人市場”。2007年年初，全球IT行業巨頭比爾·蓋茨在《科學美國人》雜志上撰文，預言機器人將走進千家萬戶。當前，機器人這一新興產業與計算機產業爆炸式發展前的狀況“如出一轍”，機器人操作系統，將成為突破機器人產業發展瓶頸的關鍵。我國在20世紀70年代沒有抓住個人計算機技術發展的機遇，導致今天在操作系統等方面嚴重受制于人，因此，抓住“機器人革命”這一歷史機遇，著力培養和儲備機器人操作系統人才，是應對“第三次工業革命”激烈市場競爭的迫切需要，具有重大的歷史和現實意義。

雖然機器人操作系統（robot operating system，ROS）發展迅猛，但是針對幾十所世界一流大學的調查顯示，以機器人操作系統為主題的課程和教材寥寥無幾，這是因為，與其他傳統課程相比，機器人操作系統課程具有大量新穎的特點，這些特點對其教學和科研都帶來了前所未有的挑戰。例如，機器人操作系統具有版本更新快、內容變動大、兼容性差等特點，如何將教學的相對穩定性與科研的前沿性相結合是擺在教師面前的重大難題；相應的機器人硬件平臺種類繁多，需要大量的人力物力進行調研、準備、適配、調試、維護和測試，必須進行版本控制、教具選型、操作系統與硬件平臺適配、操作系統定制與移植，而這些工作都是以教學和科研的結合為基礎的。

《高等教育法》規定，現代大學有3大任務——教學、科研和社會服務，它們相互關聯，共同服務于人才培養。機器人操作系統有著前沿性、實踐性、學科交叉性等多種優勢，將肩負在新常態下開拓這3大任務新型模式的重任。以教學與科研結合，建設機器人操作系統研究型課程，是在新常態下培養機器人技術創新人才、加快創新成果生成、推進和實現“第三次工業革命”的客觀需要。

2.研究型課程簡介

在國外，學校的課程體系中并沒有研究型課程這樣一個明確的概念，但存在與之理念相近的課程，并廣泛實施。

教學與科研是涉及不同領域的兩項活動。教學主要是指教師面向學生，有計劃、有系統地傳授人類業已取得的知識成果和經驗心得，是教師傳授與學生學習的一種雙向互動的行為。科研主要是指人們應用已經取得的知識及所具備的條件，去探求未知，發現、論證并創造新知，是人類的一種高級智力活動。研究型課程正是教學與科研緊密結合而產生的新型教學模式。

研究型課程是以“培養學生具有永不滿足、追求卓越的態度，培養學生發現問題、提出問題、解決問題的能力”為基本目標，以學生從學習生活和社會生活中獲得的各種課題或項目設計、作品的設計與制作等為基本的學習載體，以在提出問題和解決問題的全過程中學習到的科學研究方法、獲得的豐富且多方面的體驗和獲得的科學文化知識為基本內容，以在教師指導下，學生自主采用研究性學習方式開展研究為基本教學形式的課程。這種描述性的界定將在實踐中通過不斷理性化的過程使其更科學化，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生自主性、開放性和研究性的特點。

3.機器人操作系統相關課程現狀

機器人操作系統課程建設尚處起步階段，但發展迅速。最早的相關課程從2010年開始，截至目前，涉及機器人操作系統的課程大量涌現，據統計，在多個國家的院校共有不下20門課程不同程度地運用了機器人操作系統，并逐步有圍繞其建設課程體系的趨勢，但目前以其為主題的課程寥寥可數。

在國外院校中，日本東京大學的RTM-ROS Robotics in Japanese是一門在課程題目中明確提及ROS的課程，但其內容除了針對ROS進行基礎概念的講授，還涉及傳統操作系統、編程語言以及RTM的介紹等。以色列Bar-llan大學的Introduction to Robotics與機器人操作系統主題相一致，但內容與機器人本體相關性較大。當前，與機器人操作系統相關的課程較多，主要是以機器人或機器人編程課程為主，在課程內容中以ROS為基礎軟件平臺實現機器人的相應功能，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器人操作系統，并未貫穿課程始終。例如Stanford大學的Robot Programming Laboratory、南卡羅來納大學Robotics、羅馬Sapienza大學Robot Programming和伯明翰大學的Intelligent Robotics等均在不同程度上涉及了機器人操作系統的相關內容。

此外，針對機器人操作系統有很多短期課程和研討會。2013年里斯本大學的夏季課程ROS framework，四天的時間課時長度為14-19個小時，涉及GNU/Linux操作系統、C++語言、Python語言和機器人操作系統。SIGCSE（Association for Computing Machinery’s SpecialInterest Group on Computer Science Education）分別在2012和2013年針對機器人操作系統召開了教育方面的研討會，ICRA（IEEE InternationalConference on Robotics and Automation）在2010年針對機器人操作系統中的節點和消息的感知、規劃和控制召開了一天的實踐輔導課，WillowGarage公司也在2010年歷時五天針對機器人操作系統和PR2機器人召開相關的研討會等。

有關ROS的教材較少，目前的短期課程或者學期課程都主要是以網上文檔資料以及技術報告為主，較為不錯的參考書籍主要有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ROS的參考書籍較新，且隨著ROS版本升級，書籍的版本更新較快。

在國內院校中，雖然針對機器人、操作系統和嵌入式操作系統等的相關課程在不少高校均有開設，但這些課程均無法替代機器人操作系統。國防科學技術大學預計開設的機器人操作系統課程尚屬首例，特別是針對ROS開源平臺的研究型課程還未有查閱到相關信息。在國內，機器人操作系統未形成成熟的教材體系，即使是國外網站資料的翻譯也比較少見。2012年由張建偉等人編著的《開源機器人操作系統——ROS》是國內第一本全面介紹ROS的中文版圖書，由于涉及機器人、人工智能、計算機視覺等多學科領域，該書較適合作為相關領域的科研人員、研究生及高年級本科生學習的參考書。

4.具體課程建設

4.1課程內容設計

機器人操作系統是基于國際開源社區平臺建設的課程，因此應該突出課程的平臺化、基礎化特征，旨在讓學員了解和掌握ROS的基本原理，并通過案例，以點蓋面介紹ROS核心以及各功能模塊的實現原理和使用方法，以研究課題為牽引，完成研究型課程設計。其內容主要涉及3個部分：

1）ROS的基本概念。

包括ROS的背景、應用、發展歷史、主要特征、基本組成、安裝與環境以及與傳統操作系統的區別等內容，使學生了解機器人操作系統，掌握以ROS為代表的機器人操作系統的基本原理。

2）ROS的基本功能模塊。

涉及ROS的坐標變換、導航與視覺、路徑規劃、仿真器等基礎功能介紹與演示，使學生了解ROS的基本功能和常用模塊的實現原理及接口，從而具備基于ROS開展簡單無人系統實驗的能力。

3）基于ROS的實際案例。

面向實際應用，設計相關課程的實驗演示及實踐型結課項目，使學生能夠運用所學到的ROS知識實現一些基本的應用，還能夠在一定程度上擴充和完善ROS，與國際ROS開源社區密切交流，掌握最新動態。

4.2實驗設計

實驗是機器人操作系統研究型課程的重要環節。讓學生感興趣且貼近實際的實驗設計有利于研究型課程目標的實現。根據實際條件，設計空中和地面兩類機器人實驗平臺，以ROS為核心，注重機器人操作系統的基礎化、平臺化特征，設計課程演示實驗及學生實驗。具體如下：

1）機器人操作系統平臺的共性實驗。

實驗目的：ROS是實現機器人系統各項功能的軟件基礎。該項實驗針對機器人操作系統內核開展，主要包括ROS操作系統的安裝及實現、簡單節點的鍵盤控制、節點之間的通信、常用傳感器的使用等功能，使學生了解ROS的基本原理、組成方式、運行機制等，培養學生在ROS平臺上的動手實踐能力。

實驗內容：針對不同的機器人平臺實現ROS的安裝適配，基于網絡教學平臺的協同開發調試、無線通信和分布式消息接口、常用傳感器驅動和應用接口及開發的簡單應用案例實現等實踐活動，搭建具有ROS軟件環境的基本機器人系統，為后續的功能實踐及開發做鋪墊。

2）機器人操作系統平臺的空中實驗。

實驗目的：面向現有無人機實際應用的需要，針對無人機的航拍等需求，實現包括視頻圖像、測控數據等在內的與地面系統平臺的遠程數據傳輸、多機協同飛行控制等功能，培養學生在網絡化數據鏈、ROS功能包使用開發等方面的創新實踐能力。

實驗內容：針對無人系統空地一體化協同的任務需求，開展無線網絡化數據鏈總體方案設計、遠距離高清視頻傳輸接口設計、遠距離數據傳輸接口開發、多機協同飛行航跡規劃等創新實踐活動，構建和實現空地一體的無線網絡化數據鏈及功能包應用。

3）機器人操作系統平臺的地面實驗。

實驗目的：針對地面機器人安保、搬運等需求，實現地圖構建、路徑規劃等功能，培養學生在ROS仿真器、導航等功能包的使用與開發的創新實踐能力。

實驗內容：針對地面無人系統移動機器人或無人車與移動工作站一體化協同的任務需求，開展傳感器數據接口設計、遠距離數據傳輸、路徑導航規劃等創新實踐活動，構建和實現地面機器人的環境建圖及搬運的原型演示系統。

上述3類實驗是為了使學生更好地了解和掌握ROS系統的使用而設計的，旨在培養學生的研究和創新思維。

4.3教學方法設計

一般來說，研究型課程的實驗或者作業很難在課堂有限的時間內完成，因此，查閱資料、動手實踐及創新靈感等都主要在課下完成，為了保證教師與學生的課下互動，現有的網絡教學平臺（如確實Trustie）的利用是值得推薦的途徑之一。機器人操作系統作為較早在網絡教學平臺上建設的課程，將課程開設與基于ROS的機器人操作系統研究相結合，一定會涌現出大量新問題，需要進行深入研究。

具體實施上，不僅可以依托網絡教學平臺公開共享相關的資料、講義、對應的網絡教材、課件、專題研討等學習資源，還能夠進行實驗作業的分組設計和實驗項目管理、實驗代碼的開發和實驗結果的評估及反饋等，以實現持續改進的實踐閉環，這就需要教師或者教師組在線對課程的實驗以及學員后續的相關工作進行項目管理、代碼版本管理、發布管理、任務管理、bug管理等支持，并通過Wiki、BBS、郵件列表等與學員進行交流及提供即時反饋。

5.結語

在第三次工業革命興起的這樣一個歷史時期，我國乃至全世界教育機構都肩負著培養和造就適應未來機器人時代人才的重任。由于機器人操作系統興起不久，建設機器人操作系統研究型課程是較為可行的方案之一。該課程的建設將實現兩個目標：以國際開源ROS項目為實踐基礎，參照國際相關大學同類課程標準，對機器人操作系統的課程內容、案例實驗和教學方法等進行設計，并開展教學實踐，強化學生研究能力和創新能力培養；通過該課程帶動學科交叉合作、科技競賽等相關活動的開展，實現人才培養和科學研究的有機結合，有效支持機器人操作系統相關研究。