《机器人操作系统》教学大纲

《机器人操作系统》教学大纲

适用范围：202X版本科人才培养方案

课程代码：22140031

课程性质：专业必修课

学分：2学分

学时：32学时（理论24学时，实验8学时）

先修课程：C程序设计B、模拟电子技术C、机器人工程学、机器人检测技术与传感器等

后续课程：毕业实习、毕业设计

适用专业：机器人工程专业

开课单位：智能工程学院

一、课程说明

《机器人操作系统》是机器人工程专业必修的一门专业必修课。本课程主要传授类似于

操作系统所提供的功能，包含硬件抽象描述、设备管理与控制、通用功能实现、程序间的消

息传递、以及获取、建立、编写和运行机器人程序等。本课程对于开阔学生视野、使学生了

解本专业的发展前沿具有重要的地位和作用。通过本课程的学习，学生能掌握一定的科学研

究方法与技能，并为从事智能机器人技术研发、系统集成及领域应用的技术人员打下一定基

础。

二、课程目标

通过本课程的学习，使学生达到如下H标：

课程目标I：掌握智能机器人的定义、组成及系统构建，掌握Linux系统的基础操作方

法；掌握ROS的安装方法；掌握一种ROS的编程语言（C++或python）o

课程目标2：掌握R0S总体框架和理论要点，掌握ROS的通信机制、常用组件和进阶

功能；掌握基于ROS的智能机器人系统设计与仿真方法，培养学生的科学思维能力、分析

计算能力、科学归纳能力、运用ROS分析和解决工程实际问题的能力。

课程目标3：掌握信息与自动控制技术、计算机硬软件及算法设计应用知识和机器人系

统设计、开发和应用技能，在机器人工程及系统应用领域具有专'业特长和创新实践能力的综

合型工程技术人才。培养学生的科学思维、创新意识与学术素养；团队协作意识、大胆探索、

勇于创新的精神；知行合一、勇于实践的奋斗者精神；具有爱国情怀，把知识用于社会主义

现代化建设的伟大实践中，加速我国从制造大国向智造强国转变的进程。

三、课程目标与毕业要求

《机器人操作系统》课程教学目标对机器人工程专业毕业要求的支撑见表io

表1课程教学目标与毕业要求关系

支撑

毕业要求指标点课程目标

强度

课程目标3：掌握信息与自动控

制技术、计算机硬软件及算法设

计应用知识和机器人系统设计、

开发和应用技能，在机器人工程

及系统应用领域具有专业特长和

2.2应用数学、物理等创新实践能力的综合型工程技术

方法和专业知识，能够人才，培养学生的科学思维、创

2.问题分析M

对机器人工程领域复新意识与学术素养；团队协作意

杂工程问题进行建模。识、大胆探索、勇于创新的精神；

知行合一、勇于实践的奋斗者精

神；具有爱国情怀，把知识用于

社会主义现代化建设的伟大实践

中，加速我国从制造大国向智造

强国转变的进程。

课程目标2：掌握ROS总体框架

和理论要点，掌握ROS的通信机

3.1能够针对机器人制、常用组件和进阶功能；掌握

工程领域的复杂工程基于ROS的智能机器人系统设计

3.设计/开发解决方案H

问题提出网络化、智能与仿真方法，培养学生的科学思

解决方案。维能力、分析计算能力、科学归

纳能力、运用ROS分析和解决工

程实际问题的能力。

5.2能够运用MATLAB、课程目标1：掌握智能机器人的

Proleus、PLC、ROS等定义、组成及系统构建，掌握

工具对机器人领域的Linux系统的基础操作方法：掌

5.使用现代工具M

复杂工程问题进行设握ROS的安装方法;掌握一种ROS

计、开发和仿真分析，的编程语言（C++或python）。

并理解其局限性。

注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。

四、教学内容、基本要求与学时分配

1.理论部分

理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。

表2教学内容、基本要求与学时分配

理论实验对应的课

教学内容教学要求，教学重点难点

学时学时程目标

1.ROS准备工作教学要求：使学生理解学习ROS的必

1.1智能机器人定义、要性，掌握学习该课程的方法；掌握智41

组成及系统构建能机器人的定义、组成及系统构建：学

1.2为什么要学习提Linux系统的基础操作方法；掌握

ROSROS的安装方法；掌握一种ROS的编

1.3Linux系统介绍、安程语言（C++或python）。

装与基础操作重点：智能机器人的定义、组成及系统

1.4Linux环境下安装构建；Linux系统的基础操作和ROS系

ROS系统。统安装。

难点：Linux系统的基础操作和ROS系

统安装。

教学要求：使学生掌握ROS的文件系

统；掌握ROS的话题通信机制；掌握

ROS的服务通信机制；掌握ROS的参

数通信机制；掌握ROS的工作空间和

功能包的创建方法；掌握话题中的

Publisher与Subscriber实现；掌握服务

2.ROS的体系架构及中的Server和Client实现；掌握Qt工

编程具箱、rviz三维可视化平台、Gazebo仿

2.1ROS架构设计真环境和rosbag数据记录与回放的使842

2.2ROS通信机制用方法；掌握launch启动文件的编程方

2.3ROS中的常用组件法。

重点：ROS的通信机制；话题中的

Publisher与Subscriber实现；launch启动

文件的编程。

难点：ROS的通信机制；话题中的

Publisher与Subscriber实现：launch启

动文件的编程。

3.ROS中的常用组件教学要求：使学生掌握launch启动文件

3.1launch启动文件的编程；理解并掌握Qt工具箱、rviz

3.2TF坐标变换三维可视化平台、Gazebo仿真环境和

3.3Qt工具箱rosbag数据记录与回放的使用方法。

3.4rviz三维可视化平重点：launch启动文件的编程。42、3

台难点：launch启动文件的编程

3.5Gazebo仿真环境

3.6rosbag数据记录与

回放

教学要求：使学生掌握创建机器人

URDF模型的方法；掌握改进URDF模

4.机器人建模与仿真

型的方法；掌握Gazebo仿真环境添加

4.1统一机器人描述

URDF模型的方法；掌握Gazebo环境

格式-URDF

下机器人的功能仿真，如SLAM导航。

4.2创建改进的URDF842、3

重点：Gazebo仿真环境添加URDF模

模型

型的方法;Gazebo环境下机器人的功能

4.3ros_control框架

仿真。

4.4Gazebo虚拟仿真

难点：Gazebo仿真环境添加URDF模

型的方法。

合计248

2.实验部分

实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。

表3实验项目、实验内容与学时

对应的课

实验项目实验内容和要求实验学时

程目标

实验内容：ROS消息发布与接收；ROS服

务的请求与响应；ROS动作库的请求与响

应。

实验要求：掌握ROS的文件系统；掌握

1.ROS系统安装与

ROS的话题通信机制；掌握ROS的服务通21

环境配置

信机制；掌握ROS的参数通信机制；掌握

ROS的工作空间和功能包的创建方法；掌

握话题中的Publisher与Subscriber实

现;掌握服务中的Server和Client实现。

实验内容।ROS消息发布与接收；ROS服

务的请求与响应；ROS动作库的请求与响

应。

实验要求：掌握ROS的文件系统；掌握

2.ROS通信机制ROS的话题通信机制；掌握ROS的服务通21,2

信机制；掌握ROS的参数通信机制；掌握

ROS的工作空间和功能包的创建方法：掌

握话题中的Publisher与Subscriber实

现;掌握服务中的Server和Client实现。

实验内容：创建移动机器人URDF模型、

Xacro模型并应用。

3.移动机器人URDF

实验要求：理解并掌握URDF、Xacro,和

建模及改进IRDF模21,2

Rviz在ROS中的作用。掌握URDF、Xacro

型

语法工作原理及编程配置方法。掌握利用

URDF构建机器人模型和在Rviz运行。

实验内容：学习ros_control框架；学习

移动机器人Gazebo仿真。

4.移动机器人

实验要求：掌握机器人ros.control框架22,3

Gazebo仿真

及配置；掌握移动机器人Gazebo环境卜

摄像头、Kinect、激光雷达仿真。

合计8

五、教学方法及手段

本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学和案例教学等，促进学生积极思考,

开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；以“少而精”为原则，

精选教学内容，精讲多练；安排实操课，巩固课堂所学知识；提供灵活的自主学习平台。

实验教学着重讲授如何用科学的手段来完成埋论的验证；如何组织实验、处埋数据和分

析实验现象；介绍常用设备的原理、构造和使用维护方法以及综合实验内容的思路和方案设

计等。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教

学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验

结束后，按规定对仪器进行维护保养：每完成•项实验，要认真完成•份实验报告。

六、课程资源

1.推荐教材：

(1)何苗.《机器人操作系统基础》[M].北京：机械工业出版社，2022年.

2.参考书：

(1)赵建伟.《机器人系统设计及其应用技术》[M].北京：清华大学出版社,2017年.

(2)高翔.《视觉SLAM十四讲从理论到实践》[M].北京：电子工业出版社,2017年.

(3)兰廷•约瑟夫(曾庆喜，朱德龙).《机器人操作系统(ROS)入门必备》[M].北京:

机械工业出版社,2020年.

(4)MARTINEZA,FERNANDEZEE.LearningROSforroboticsprogramming[M|.Britain:

Birmingham:PacktPublishing»2013年.

(5)胡春旭.《ROS机器人开发实践》[M].机械工业出版社,2018年.

3.期刊：

(1)ESTEFOP,SIMMONDSJ,ROBBESR,etal.Therobotoperatingsystem:Packagereuse

andcominunitydynamics[J].JournalofSystemsandSoftware,2019,151(1):226-242.

(2)CUANW,CHENS,WENS,etal,High-accuracyrobotindoorlocalizationscheme

basedonrobotoperatingsystemusingvisiblelightpositioning[J|.IEEEPhotonicsJournal.2020,

12(2):I-10.

(3)TSOLAKISN,BECHTSISD,BOCHTISD.AgROS:Arobotoperatingsystembased

emulationtoolforagriculturalrobotics[J].Agronomy,2019,9(7):403-423.

(4)JIANGZ,GONGY,ZHAIJ,etal.Messagepassingoptimizationinrobotoperating

system[J].Inter8tionalJournalofParallelProgramming,2020,8(1):119-136.

(5)宫志强徐世许王鹏程.基于ROS的巡检机器人系统设计与研究[J].自动化与仪表.

2022,37(04).

4.网络资源：

(1)古月居.ROS探索总结[EB/0L].https://blog.csdn.net/hcx25909/category9261493.

html.

(2)cn-ROSWiki,/cn.

七、课程考核对课程目标的支撑

课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程

目标的支撑关系见表4。

表4课程考核对课程目标的支撑

考核环占课程目标

考核/评价细则

节比123

课（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考J-JV

堂核，满分：00分。

10

表（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比442

现例计入课程总评成绩。

（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告

过质量单独评分，满分100分；

程实（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值

15

性验作为此环节的最终成绩。15

考（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计

核入课程总评成绩。

（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和

掌握程度，满分100分；

作

每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为

业（2）

15

此环节的最终成绩。663

（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计

入课程总评成绩。

（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成VV

绩中所占的比例计入课程总评成绩。

（2）主要考核智能机器人的定义、组成及系统构建，

期末考Linux系统的基础操作方法；R0S总体框架和理论要

60

核点，R0S的通信机制、常用组件和进阶功能基于R0S252510

的智能机器人系统设计与仿真方法等内容。

（3）考试题型为：选择题、填空题、判断题、简答

题和分析题等。

合计：100分355015

八、考核与成绩评定

1.考核方式及成绩评定

考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。

考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成

绩为10（）分（权重60%）,试题类型为选择题、填空题、判断题、简答题和分析题等类型，

试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%.综合应用题、分析题不低于

50%；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和考试试

题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。

2.过程性考核成绩的标准

过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。

表5过程性考核方式评价标准

所占

考核方式100>x29090>x28080〉x，7070>x，60x<60

比重

(%)

笔记不完

笔记完整，枳笔记完整，上课不认上课不认

整，偶尔参

极参与教学认真参与教真，上课不真，上课不

与教学活

课堂表现25活动，踊跃回学活动，回记笔记，偶记笔记，不

动，回答问

答问题，准确答问题准确尔参与教参与教学活

题准确率大

率大于90%o率大于80%0学活动。动。

于70%。

作业完整，思作业完整，不交作业2不交作业4不交作业5

路清晰，准确准确率大于次以