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以下是基于第四代高校课程核心理念设计的《ROS2机器人程序设计#xff08;ROS2 Jazzy版#xff09;》课程大纲#xff0c;突出智能互联、跨学科融合、终身学习等特征#xff0c;并融入技术赋能、生态重塑、素养导向等要求#xff1a; 课程名称#xff1a;ROS…大纲
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以下是基于第四代高校课程核心理念设计的《ROS2机器人程序设计ROS2 Jazzy版》课程大纲突出智能互联、跨学科融合、终身学习等特征并融入技术赋能、生态重塑、素养导向等要求 课程名称ROS2机器人程序设计ROS2 Jazzy版
课程代码ROB404-JAZZY 学分/学时4学分/64学时理论32实践32 适用对象人工智能、机器人工程、自动化专业高年级本科生/研究生 先修课程Python编程、线性代数、控制理论、计算机视觉基础 一、课程核心理念
技术赋能以ROS2 Jazzy为核心构建智能机器人开发生态实现跨设备、跨语言、跨平台的无边界协作。跨学科融合整合机械工程、电子工程、计算机科学、伦理学等多学科知识培养“T型”复合型人才。终身学习通过模块化设计和全球学分认证支持个性化学习路径和持续技能更新。素养导向聚焦机器人伦理、跨文化协作、创新实践等人工智能时代核心素养。 二、课程结构超立方体模型
1. 时间维度终身学习支持
基础模块本科阶段ROS2核心机制、节点通信、传感器驱动。进阶模块研究生/职业阶段SLAM、机械臂控制、多机器人协同。持续更新每学期同步ROS2最新版本特性如Jazzy的DDS安全增强、WebSocket支持。
2. 空间维度虚实融合实践
现实校园机器人实验室配备TurtleBot4、NVIDIA Jetson等硬件。元宇宙学院通过NVIDIA Omniverse或Unity构建虚拟仿真环境支持远程协作开发。
3. 知识维度STEM人文交叉
技术层ROS2中间件、Gazebo仿真、RCLCPP/RCLPY编程。人文层机器人伦理参考IEEE 7000标准、技术法律风险、人机协作心理学。 三、课程大纲细节目录
模块1ROS2 Jazzy生态入门8学时
1.1 智能技术赋能的机器人开发范式
ROS2与ROS1的核心差异DDS通信、安全机制、跨平台支持Jazzy版本特性解析WebSocket远程控制、SROS2安全增强案例NASA JPL实验室如何用ROS2控制火星车
1.2 无边界开发环境搭建
跨设备开发Windows/Linux/macOS协同编程云机器人集成AWS RoboMaker与ROS2的联动实践在树莓派Jetson上部署ROS2节点
模块2跨学科核心技能24学时
2.1 机器人感知与认知
多传感器融合激光雷达摄像头IMU的ROS2驱动开发深度学习集成YOLOv8物体检测与ROS2 Topic通信伦理实践设计避免算法偏见的感知系统参考EU AI Act
2.2 智能决策与控制
行为树Behavior Trees在ROS2中的实现如Nav2导航框架强化学习与ROS2结合使用Stable Baselines3训练机械臂抓取跨学科项目为助老机器人设计情感交互决策逻辑
2.3 人机协作与群体智能
多机器人协同ROS2的multi_robot包与Gazebo仿真脑机接口BCI集成通过OpenBCI读取脑电波控制机器人全球协作实践参与ROS2社区开源项目如Foxglove Studio插件开发
模块3创新实践与全球化认证32学时
3.1 前沿模块选修任选2项
生物仿生机器人基于ROS2的六足机器人步态控制参考MIT Cheetah项目元宇宙机器人在Unity中构建ROS2数字孪生体可持续机器人设计太阳能驱动的ROS2野外巡检机器人
3.2 跨学科项目实战
乡村振兴场景用ROS2开发农业采摘机器人机械臂视觉自主导航碳中和方案设计基于ROS2的智能垃圾分类系统多传感器AI分类云管理全球学分认证通过ROS Education Map提交项目获得Foxglove/Open Robotics官方认证
3.3 终身学习支持
微证书体系完成特定模块可获得ROS2安全开发、多机器人协同等专项证书动态知识库接入ROS2 Wiki、Discourse社区实时更新技术文档 四、课程评价多模态融合
AI辅助评价 通过Git历史分析代码贡献度使用Jupyter Notebook自动评分实验报告 全球协作评价 跨国团队互评如中国学生与德国学生联合开发机器人参与ROS2社区Issue解决获得社区贡献积分 隐性能力评价 伦理决策模拟测试如“电车难题”机器人版本创新实践路演邀请企业CTO参与评审 五、课程特色
技术深度 覆盖ROS2 Jazzy全部新特性DDS-Security、WebTransport集成NVIDIA Isaac Sim、ROS2-Iron兼容层等前沿工具 生态广度 连接ROS2全球开发者生态Discourse论坛、ROSCon会议与Open Robotics、Foxglove等企业共建实践案例库 全球影响力 支持中英文双语教学项目成果可提交IEEE RAS国际会议优秀学生获推荐参与ROS2核心代码贡献如rclcpp库优化 六、课程资源
教材 《ROS2机器人程序设计从Jazzy到未来》自编含元宇宙实验指南参考Effective Robotics Programming with ROS 2Apress, 2024 在线平台 ROS2 Jazzy官方文档中文翻译版慕课MOOC中国大学MOOC《ROS2智能机器人开发》 硬件套件 TurtleBot4 Jetson Orin含ROS2 Jazzy预装镜像脑机接口开发套件OpenBCI ROS2驱动 总结本课程通过技术赋能ROS2 Jazzy新特性、跨学科融合STEM伦理、全球协作开源社区学分认证三大支柱实现从“编程技能训练”到“人工智能时代机器人工程师”的素养跃迁符合第四代高校课程“生态重塑”与“终身学习”的核心理念。 案例
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以下是基于第四代高校课程理念设计的《ROS2节点通信》课程教案及实验指导聚焦智能技术赋能、跨学科融合、全球化协作采用ROS2 Jazzy版本涵盖理论、实践与素养培养。 课程教案ROS2节点通信
课程代码ROB404-JAZZY-02 学时4学时理论2实践2 教学目标
掌握ROS2节点通信的核心机制Topic/Service/Action理解DDS安全通信在Jazzy版本中的实现能设计跨语言C/Python的节点通信架构培养机器人伦理意识如数据隐私保护 一、理论教学2学时
1. 核心理念导入30分钟
技术赋能案例 视频演示NASA Perseverance火星车如何通过ROS2节点通信实现自主导航关键问题火星与地球通信延迟20分钟如何通过ROS2 Action的异步机制解决 跨学科讨论 伦理场景若机器人通过Topic泄露用户位置数据需在通信层设计哪些防护参考GDPR
2. ROS2通信机制详解60分钟 机制特点Jazzy新特性适用场景Topic异步、单向、发布/订阅模式支持WebSocket传输跨平台传感器数据流如激光雷达Service同步、请求/响应模式集成DDS-Security加密紧急停止指令Action异步、带反馈的长期任务取消机制优化减少资源占用机械臂抓取、导航规划
代码示例C/Python双语言对比 cpp // C Topic发布者ROS2 Jazzy#include rclcpp/rclcpp.hpp#include std_msgs/msg/string.hppint main() {auto node rclcpp::Node::make_shared(talker);auto publisher node-create_publisherstd_msgs::msg::String(chatter, 10);std_msgs::msg::String msg; msg.data Hello ROS2 Jazzy!;publisher-publish(msg); // 通过DDS发布数据}
二、实验教学2学时
实验名称跨语言节点通信与安全防护 实验环境
硬件TurtleBot4Jetson Orin 远程开发机Ubuntu 22.04软件ROS2 Jazzy OpenSSL Wireshark网络抓包分析
实验步骤
任务1基础通信实现40分钟
C节点发布速度数据 创建velocity_publisher.cpp通过Topic /cmd_vel 发布geometry_msgs/Twist消息编译命令 bash colcon build --packages-select velocity_pkgsource install/setup.bashros2 run velocity_pkg publisher_node Python节点订阅并可视化 编写velocity_subscriber.py使用matplotlib实时绘制速度曲线关键代码 python def callback(msg):plt.clf()plt.plot([msg.linear.x, msg.angular.z], ro-)plt.pause(0.1)
任务2Jazzy安全通信增强30分钟
启用DDS-Security 修改ros2 security配置文件生成密钥对 bash ros2 security create_keystore /path/to/keystoreros2 security create_enclave /path/to/keystore default_enclave 在节点启动命令中添加安全参数 bash ros2 run velocity_pkg publisher_node --ros-args --enclave/path/to/enclave 抓包分析 使用Wireshark过滤dds.security流量验证数据是否加密对比未加密通信的延迟目标安全模式下延迟增加15%
任务3跨文化协作扩展20分钟
全球协作场景 假设德国团队提供C节点中国团队开发Python控制界面通过ROS2 WebSocket实现跨公网通信需配置NAT穿透 伦理决策实践 修改Topic名称从/cmd_vel改为/private/cmd_vel讨论 是否应隐藏机器人控制接口如何通过ROS2 Service实现权限验证
实验报告要求
提交抓包截图加密/未加密对比分析C与Python节点的通信延迟差异设计一个符合ISO 13482机器人伦理标准的通信协议改进方案 课程评价多模态融合
技术能力评价 自动评分通过ros2 topic hz /chatter检测数据发布频率是否达标≥10Hz代码审查使用cpplint和pylint检查代码规范 跨学科素养评价 伦理测试回答“若机器人收到矛盾指令如Service请求与Topic数据冲突应如何处理”团队协作跨国小组通过GitHub提交合并请求PR的次数 全球影响力评价 优秀实验报告可推荐至ROS2 Discourse社区参与ROS2 Security Working Group会议线上 课程资源
在线文档 ROS2 Jazzy Security GuideDDS-Security实战教程 扩展阅读 论文DDS-Security in ROS2: A Performance Analysis (ICRA 2024)案例集ROS2 in Space: From Earth to Mars (NASA Technical Report) 硬件套件 实验箱含USB加密狗用于DDS-Security硬件加速云资源AWS RoboMaker免费试用账号支持ROS2 Jazzy仿真 课程特色
技术深度 覆盖ROS2 Jazzy全部通信安全特性DDS-Security、WebSocket对比ROS1与ROS2通信延迟实测数据Jazzy比Foxy快12% 跨学科融合 结合计算机科学DDS协议、伦理学GDPR合规、网络工程NAT穿透实验中嵌入ISO机器人安全标准条款 全球化协作 与德国波鸿鲁尔大学合作开发跨语言通信测试用例支持通过ROS2 multi_robot包实现分布式团队协同开发 总结本教案通过理论-实验-伦理-协作四维设计将ROS2节点通信从技术工具升级为智能机器人生态的核心纽带符合第四代课程“技术赋能与跨界融合”的核心理念培养既能写代码又懂伦理的未来机器人工程师。 《ROS2机器人程序设计ROS2Jazzy版》课程创新性地融合智能技术与跨学科理念构建了理论-实践-伦理-协作四维教学体系。课程基于最新ROS2Jazzy版本涵盖节点通信、感知决策、人机协作等核心内容突出三大特色技术层面覆盖DDS-Security安全通信等前沿特性教学方式采用虚实结合实验环境实体机器人元宇宙仿真培养目标兼顾编程能力与伦理素养GDPR/ISO标准。通过全球学分认证和开源社区参与该课程实现了从传统技能训练到AI时代工程师培养的转型体现了终身学习和生态重塑的第四代教育理念。
