ROS2机器人程序设计课程大纲-chatgpt版本_ros2课程开发

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一 课程说明：

ROS2机器人程序设计课程是一门教授ROS2机器人操作系统的课程，旨在帮助学习者掌握ROS2的基础知识和编程技能，从而能够开发和运行自己的ROS2机器人应用程序。

在课程中，学习者将学习ROS2的核心概念和工具，包括ROS2的通信模型、节点、话题、服务、参数、行为等等。学习者将学习如何使用ROS2的命令行工具和编程接口来创建、运行和调试ROS2应用程序，并了解如何使用ROS2的工具来可视化、记录和调试机器人的传感器数据和运动控制指令。

此外，课程还将介绍ROS2的一些高级主题，如多机通信、实时控制、安全性和可靠性等，以帮助学习者更深入地了解ROS2机器人开发的各种应用场景和需求。

通过参加ROS2机器人程序设计课程，学习者将获得开发和运行ROS2机器人应用程序所需的基础知识和技能，为日后的机器人开发工作打下坚实的基础。

二 课程目标：

ROS2机器人程序设计课程的目标是帮助学生了解和掌握如何使用ROS2来设计、开发和部署机器人程序。

三 教学内容及基本要求：

ROS2机器人程序设计教学内容主要包括：ROS2中的系统架构，消息和服务，节点，发布和订阅，操作和服务，环境变量等。基本要求包括：对ROS2机器人系统的基础知识

四 课程学时分配

ROS2机器人程序设计课程的学时分配大致为：课程讲授时间、实践课程时间、模拟实验时间、实际实验时间以及课程总结时间。

五 实践教学环节

第一周：

介绍ROS2的安装和配置，让学生了解ROS2的基本概念和工具。教师将演示如何创建一个简单的ROS2程序，并让学生进行实践。

第二周：

介绍ROS2的核心概念，包括节点、话题、服务和参数。学生将学习如何使用ROS2命令行工具进行节点的创建和通信，以及如何编写自己的ROS2节点。

第三周：

介绍ROS2的消息和消息通信机制。学生将学习如何创建和使用ROS2消息，并使用ROS2工具检查和调试消息通信。

第四周：

介绍ROS2的软件包和软件包的创建。学生将学习如何使用ROS2软件包进行模块化程序设计，以及如何创建自己的ROS2软件包。

第五周：

介绍ROS2的机器人操作系统（ROS）和机器人控制。学生将学习如何使用ROS2进行机器人控制和操作，以及如何创建自己的ROS2机器人控制程序。

第六周：

介绍ROS2的实时控制和硬件接口。学生将学习如何使用ROS2进行实时控制和与硬件进行通信，以及如何创建自己的ROS2实时控制程序。

第七周：

讨论ROS2的应用场景和未来发展方向。学生将了解ROS2在各种领域的应用，以及ROS2未来的发展趋势。

第八周：

学生将进行ROS2机器人程序设计的实践项目。他们将根据自己的兴趣和项目选择进行机器人程序设计，使用ROS2工具和框架完成实际项目。

五 教学管理

课程目标：本课程旨在培养学生熟练掌握ROS2机器人程序设计的基础知识和实践技能，能够独立完成基本的ROS2机器人程序开发和应用。

授课方式：本课程采用面授和实践相结合的授课方式，注重学生动手实践能力的培养。每周安排一次课堂授课，一次实验室实践。

教学内容：课程主要包括ROS2的基本概念、ROS2程序开发环境的搭建、ROS2程序设计和调试、ROS2常用功能包和工具的使用等方面的内容。

教材教辅：本课程主要参考《ROS2机器人程序设计》等相关教材，并配有相应的教学辅助材料，如PPT、实验指导书、代码示例等。

课程评估：课程评估主要包括平时表现和期末考试两个方面。平时表现主要考察学生的实验室实践表现和课堂参与情况；期末考试主要考察学生对ROS2机器人程序设计的掌握程度。

教学管理：本课程实行授课教师负责制，每位授课教师需要制定详细的教学计划和教学进度表，并对学生进行教学管理和指导，及时解决学生在学习过程中遇到的问题。

六 考核方法

ROS2机器人程序设计课程的考核方法通常包括以下几个方面：

作业：学生需要完成一定数量的ROS2机器人程序设计作业，这些作业通常要求学生独立完成，并按照规定的时间提交。作业的内容可以涉及ROS2程序设计的各个方面，包括话题通信、服务调用、参数设置、行为设计等。

项目：学生需要在课程结束前完成一个较为复杂的ROS2机器人程序设计项目，该项目通常需要学生自主设计并实现一个具有一定功能的ROS2机器人程序。项目要求学生能够独立思考和解决问题，并具备一定的编程实践经验。

考试：课程通常会安排一次闭卷考试，考查学生对ROS2机器人程序设计的基本概念、原理、方法的掌握程度，以及解决实际问题的能力。

日常表现：学生在课堂上的表现、课堂提问的质量与数量、课后的学习态度等也会被纳入考核范围，作为日常表现得分计入总成绩。

以上是ROS2机器人程序设计课程常见的考核方法，具体考核方式可能会因课程设置和教师要求而有所不同。

给出C++实验示例：

ROS2机器人程序设计C是一个用于让机器人开发者学习如何使用ROS2的实验程序示例。它提供了一系列的实验，可帮助开发者学习ROS2的基础知识，如节点管理、消息传递、发布/订阅以及服务/客户端。

例如：

双节点流水线演示

#include <chrono>
#include <cinttypes>
#include <cstdio>
#include <memory>
#include <string>
#include <utility>
 
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/int32.hpp"
 
using namespace std::chrono_literals;
 
// Node that produces messages.
struct Producer : public rclcpp::Node
{
  Producer(const std::string & name, const std::string & output)
  : Node(name, rclcpp::NodeOptions().use_intra_process_comms(true))
  {
    // Create a publisher on the output topic.
    pub_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::Int32>(output, 10);
    std::weak_ptr<std::remove_pointer<decltype(pub_.get())>::type> captured_pub = pub_;
    // Create a timer which publishes on the output topic at ~1Hz.
    auto callback = [captured_pub]() -> void {
        auto pub_ptr = captured_pub.lock();
        if (!pub_ptr) {
          return;
        }
        static int32_t count = 0;
        std_msgs::msg::Int32::UniquePtr msg(new std_msgs::msg::Int32());
        msg->data = count++;
        printf(
          "Published message with value: %d, and address: 0x%" PRIXPTR "\n", msg->data,
          reinterpret_cast<std::uintptr_t>(msg.get()));
        pub_ptr->publish(std::move(msg));
      };
    timer_ = this->create_wall_timer(1s, callback);
  }
 
  rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::Int32>::SharedPtr pub_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};
 
// Node that consumes messages.
struct Consumer : public rclcpp::Node
{
  Consumer(const std::string & name, const std::string & input)
  : Node(name, rclcpp::NodeOptions().use_intra_process_comms(true))
  {
    // Create a subscription on the input topic which prints on receipt of new messages.
    sub_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::Int32>(
      input,
      10,
      [](std_msgs::msg::Int32::UniquePtr msg) {
        printf(
          " Received message with value: %d, and address: 0x%" PRIXPTR "\n", msg->data,
          reinterpret_cast<std::uintptr_t>(msg.get()));
      });
  }
 
  rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::Int32>::SharedPtr sub_;
};
 
int main(int argc, char * argv[])
{
  setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, BUFSIZ);
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::executors::SingleThreadedExecutor executor;
 
  auto producer = std::make_shared<Producer>("producer", "number");
  auto consumer = std::make_shared<Consumer>("consumer", "number");
 
  executor.add_node(producer);
  executor.add_node(consumer);
  executor.spin();
 
  rclcpp::shutdown();
 
  return 0;
}

循环流水线演示

#include <chrono>
#include <cinttypes>
#include <cstdio>
#include <memory>
#include <string>
#include <utility>
 
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/int32.hpp"
 
using namespace std::chrono_literals;
 
// This node receives an Int32, waits 1 second, then increments and sends it.
struct IncrementerPipe : public rclcpp::Node
{
  IncrementerPipe(const std::string & name, const std::string & in, const std::string & out)
  : Node(name, rclcpp::NodeOptions().use_intra_process_comms(true))
  {
    // Create a publisher on the output topic.
    pub = this->create_publisher<std_msgs::msg::Int32>(out, 10);
    std::weak_ptr<std::remove_pointer<decltype(pub.get())>::type> captured_pub = pub;
    // Create a subscription on the input topic.
    sub = this->create_subscription<std_msgs::msg::Int32>(
      in,
      10,
      [captured_pub](std_msgs::msg::Int32::UniquePtr msg) {
        auto pub_ptr = captured_pub.lock();
        if (!pub_ptr) {
          return;
        }
        printf(
          "Received message with value:         %d, and address: 0x%" PRIXPTR "\n", msg->data,
          reinterpret_cast<std::uintptr_t>(msg.get()));
        printf("  sleeping for 1 second...\n");
        if (!rclcpp::sleep_for(1s)) {
          return;    // Return if the sleep failed (e.g. on ctrl-c).
        }
        printf("  done.\n");
        msg->data++;    // Increment the message's data.
        printf(
          "Incrementing and sending with value: %d, and address: 0x%" PRIXPTR "\n", msg->data,
          reinterpret_cast<std::uintptr_t>(msg.get()));
        pub_ptr->publish(std::move(msg));    // Send the message along to the output topic.
      });
  }
 
  rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::Int32>::SharedPtr pub;
  rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::Int32>::SharedPtr sub;
};
 
int main(int argc, char * argv[])
{
  setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, BUFSIZ);
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::executors::SingleThreadedExecutor executor;
 
  // Create a simple loop by connecting the in and out topics of two IncrementerPipe's.
  // The expectation is that the address of the message being passed between them never changes.
  auto pipe1 = std::make_shared<IncrementerPipe>("pipe1", "topic1", "topic2");
  auto pipe2 = std::make_shared<IncrementerPipe>("pipe2", "topic2", "topic1");
  rclcpp::sleep_for(1s);  // Wait for subscriptions to be established to avoid race conditions.
  // Publish the first message (kicking off the cycle).
  std::unique_ptr<std_msgs::msg::Int32> msg(new std_msgs::msg::Int32());
  msg->data = 42;
  printf(
    "Published first message with value:  %d, and address: 0x%" PRIXPTR "\n", msg->data,
    reinterpret_cast<std::uintptr_t>(msg.get()));
  pipe1->pub->publish(std::move(msg));
 
  executor.add_node(pipe1);
  executor.add_node(pipe2);
  executor.spin();
 
  rclcpp::shutdown();
 
  return 0;
}