《機(jī)器人控制》課程教學(xué)大綱

《機(jī)器人控制》教學(xué)大綱課程英文名稱：RobotControlTechnology課程編號：0700201學(xué)分：32學(xué)時：2.0課程教學(xué)對象信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)本科生。二、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)本課程屬于專業(yè)選修課。機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，它不是機(jī)械、電子的簡單組合，而是機(jī)械、電子、控制、檢測、通信和計算機(jī)的有機(jī)融合，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對機(jī)器人的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計有所了解；掌握運動分析、控制的基礎(chǔ)理論和技術(shù)要點；培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的能力。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)器人運動控制、規(guī)劃和編程方法。三、對先修知識和技能的要求本課程的學(xué)時分布在第3、4、5、6、7學(xué)期，要求選課學(xué)生應(yīng)修完上一學(xué)期必要的專業(yè)課程，分階段地具備一定層次的電子系統(tǒng)的分析、設(shè)計，C語言編程的能力和信號處理算法的分析、應(yīng)用的能力。四、課程的主要內(nèi)容、基本要求和學(xué)時分配建議本課程主要采用學(xué)生實踐的教學(xué)方式，總共32學(xué)時，不設(shè)理論授課學(xué)時，全部為實訓(xùn)學(xué)時，分布在第3學(xué)期到第7學(xué)期，學(xué)時分配如表1所示。表1課程學(xué)時分配表學(xué)期第3學(xué)期第4學(xué)期第5學(xué)期第6學(xué)期第7學(xué)期學(xué)時數(shù)66668本課程采取“以項目為導(dǎo)向”的“導(dǎo)師制”的教學(xué)方式，學(xué)生以3～5人組成項目小組，針對項目要求，基于機(jī)器人組件平臺，完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭建，硬件電路的設(shè)計、制作、組裝，驅(qū)動程序的設(shè)計、編制、測試等工作，實現(xiàn)項目所要求的功能。在此過程中，導(dǎo)師的任務(wù)是方向指引、理論解釋、解答疑難，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，學(xué)生項目小組獨立完成整個項目過程，以此訓(xùn)練學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐動手能力、理論知識的應(yīng)用能力、創(chuàng)新設(shè)計能力以及團(tuán)隊協(xié)作精神。項目內(nèi)容的安排遵循從易到難、循序漸進(jìn)、與專業(yè)教學(xué)計劃的其它課程緊密相結(jié)合的原則，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將其它課程的知識應(yīng)用于工程實踐，循序漸地逐步提高有關(guān)傳感、信號處理、控制、通信的硬件、軟件和算法的設(shè)計及應(yīng)用能力。表2是基于機(jī)器人組件平臺的參考實訓(xùn)項目，具體項目要求由導(dǎo)師擬定，不局限于以下內(nèi)容。表2參考實訓(xùn)項目序號實訓(xùn)項目實訓(xùn)內(nèi)容實訓(xùn)目的及要求學(xué)時1機(jī)器人的巡航控制與函數(shù)實現(xiàn)（1）利用機(jī)器人組件搭建輪式、履帶式或爬蟲式的機(jī)器人，包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭建，硬件的制作、組裝等。（2）編程實現(xiàn)機(jī)器人的一些基本動作：向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)等；（3）編程實現(xiàn)機(jī)器人的逐步加速或減速運動；（4）編程實現(xiàn)機(jī)器人按預(yù)先設(shè)定的函數(shù)運動。目的：初步訓(xùn)練學(xué)生搭建機(jī)器人組件及控制程序編制的能力。要求：項目小組通力合作，獨立完成項目，撰寫項目報告，詳細(xì)說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計方案，以及描述系統(tǒng)性能及任務(wù)完成情況。第3學(xué)期6學(xué)時2機(jī)器人的被動導(dǎo)航控制（1）利用機(jī)器人組件搭建輪式、履帶式或爬蟲式的機(jī)器人，包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭建，硬件的制作、組裝等。（2）搭建光敏傳感或CCD攝像電路，以獲取環(huán)境信息（3）編程實現(xiàn)機(jī)器人的行走，在行走過程中根據(jù)環(huán)境情況控制行走軌跡，如：始終躲避陰影，跟隨最強(qiáng)光照方向；或跟隨小球等一些移動的物體。目的：訓(xùn)練學(xué)生有關(guān)傳感、信號處理、控制等電子系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用的能力。要求：項目小組通力合作，獨立完成項目，撰寫項目報告，詳細(xì)說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計方案，以及描述系統(tǒng)性能及任務(wù)完成情況。第4學(xué)期6學(xué)時3機(jī)器人的主動導(dǎo)航控制（1）利用機(jī)器人組件搭建輪式、履帶式或爬蟲式的機(jī)器人，包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭建，硬件的制作、組裝等。（2）搭建紅外/超聲發(fā)射和接收裝置；（3）編程實現(xiàn)機(jī)器人的行走，在行走過程中終沿著實驗場地上指定的路徑行進(jìn)，并可以主動繞開行進(jìn)方向上的障礙物。（4）距離檢測實驗：利用紅外/超聲發(fā)射和接收裝置計算、檢測機(jī)器人在行進(jìn)過程中距離障礙的距離。（5）機(jī)器人走迷宮實驗：設(shè)計算法并編程，使機(jī)器人在主動導(dǎo)航控制下走出任意設(shè)置的迷宮。目的：進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生有關(guān)傳感、信號處理、控制等電子系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用的能力，初步嘗試運動規(guī)劃的方法。要求：項目小組通力合作，獨立完成項目，撰寫項目報告，詳細(xì)說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計方案，以及描述系統(tǒng)性能及任務(wù)完成情況。第5學(xué)期6學(xué)時序號實訓(xùn)項目實訓(xùn)內(nèi)容實訓(xùn)目的及要求學(xué)時4兩輪自平衡機(jī)器人（1）利用機(jī)器人組件兩輪機(jī)器人，包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計、搭建，硬件的制作、組裝等。（2）編程實現(xiàn)機(jī)器人的行走，控制兩輪機(jī)器人以被動導(dǎo)航或主動導(dǎo)航或預(yù)設(shè)路徑的方式行走。（3）以數(shù)字加速傳感器等各種傳感方式獲取兩輪機(jī)器人的平衡狀態(tài)及趨勢。（4）自平衡控制實驗：根據(jù)兩輪機(jī)器人當(dāng)前的運動恣態(tài)，設(shè)計自平衡控制算法并編制相應(yīng)的程序，使兩輪機(jī)器人在行走的過程中保持平衡。目的：訓(xùn)練學(xué)生有關(guān)傳感、信號處理、控制等電子系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用的能力，并初步嘗試機(jī)器人姿態(tài)控制的方法。要求：項目小組通力合作，獨立完成項目，撰寫項目報告，詳細(xì)說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計方案，以及描述系統(tǒng)性能及任務(wù)完成情況。第6學(xué)期6學(xué)時5創(chuàng)新性的綜合項目在本階段，學(xué)生已完成了專業(yè)培養(yǎng)計劃中大部分課程，而且通過前面四個階段的訓(xùn)練，學(xué)生機(jī)器人平臺的硬件體系和編程方法、技巧已相當(dāng)熟悉。所以，本階段可以安排學(xué)生完成一些創(chuàng)新性的綜合項目。如：寫書法機(jī)器人16關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器狗垃圾分揀機(jī)器人多方位可調(diào)機(jī)械手自動撿網(wǎng)球機(jī)器車自動疊衣機(jī)器人清潔機(jī)器人指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的理論水平和實踐能力選擇項目。目的：訓(xùn)練學(xué)生有關(guān)傳感、信號處理、控制、通信的硬件、軟件和算法的設(shè)計及應(yīng)用綜合能力。要求：導(dǎo)師只規(guī)定基本的項目要求，發(fā)揮學(xué)生的無限創(chuàng)意及自主能動性，學(xué)生獨立完成需求分析、項目規(guī)劃、機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建、硬件制作和組裝、算法設(shè)計、程序編制全過程，制作一款符合實際需求的創(chuàng)新性產(chǎn)品。并撰寫項目報告，詳細(xì)說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計方案，以及描述系統(tǒng)性能及任務(wù)完成情況。