移動(dòng)機(jī)器人學(xué) 教學(xué)大綱

《移動(dòng)機(jī)器人學(xué)》課程教學(xué)大綱課程名稱：移動(dòng)機(jī)器人學(xué)英文名稱：Mobilerobotics課程代碼：學(xué)分/學(xué)時(shí)：2.5學(xué)分/48學(xué)時(shí)（其中理論32學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)）開(kāi)課學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：自動(dòng)化專業(yè)先修課程：線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)、概率與統(tǒng)計(jì)、編程與算法基礎(chǔ)等后續(xù)課程：高級(jí)機(jī)器人學(xué)、機(jī)器視覺(jué)與傳感器融合、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航等。課程負(fù)責(zé)人：張智軍開(kāi)課單位：自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院一、課程性質(zhì)和課程目標(biāo)1.課程性質(zhì)移動(dòng)機(jī)器人學(xué)課程具有跨學(xué)科和實(shí)踐導(dǎo)向的特點(diǎn)。首先，它強(qiáng)調(diào)理論性，學(xué)生需要掌握數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（如線性代數(shù)、微積分）和控制理論，以理解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制算法。其次，課程具有工程性，注重系統(tǒng)集成與硬件軟件結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)時(shí)控制能力。課程的實(shí)踐性體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)和仿真上，學(xué)生通過(guò)使用仿真平臺(tái)和實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，解決實(shí)際問(wèn)題。課程還具有創(chuàng)新性，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)解決機(jī)器人系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)，如路徑規(guī)劃與環(huán)境感知。最后，移動(dòng)機(jī)器人學(xué)是多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)與控制等多個(gè)學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力?？傮w而言，課程通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制與應(yīng)用中的全面能力。2.課程目標(biāo)課程目標(biāo)1：理解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制原理，能夠分析和設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)。課程目標(biāo)2：學(xué)習(xí)如何使用傳感器（如激光雷達(dá)、相機(jī)、IMU等）進(jìn)行環(huán)境感知，掌握SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）和傳感器融合技術(shù)。課程目標(biāo)3：掌握常用的路徑規(guī)劃算法（如A*、D*、RRT等）和避障算法，能夠設(shè)計(jì)自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并根據(jù)環(huán)境變化做出決策。課程目標(biāo)4：通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生將多種硬件、軟件和算法有效集成的能力，優(yōu)化機(jī)器人系統(tǒng)性能。課程目標(biāo)5：了解機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等新興技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用，探索如何將其用于提高機(jī)器人智能化水平。課程目標(biāo)6：通過(guò)實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際環(huán)境中設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)的能力。二、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式（環(huán)節(jié)）與課程目標(biāo)的關(guān)系教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方式（環(huán)節(jié)）及學(xué)時(shí)課程目標(biāo)授課實(shí)驗(yàn)上機(jī)（1）課程目標(biāo)與評(píng)估方式移動(dòng)機(jī)器人學(xué)的學(xué)科背景與應(yīng)用領(lǐng)域課程安排與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目概覽1課程目標(biāo)1（2）機(jī)器人的基本定義與分類(lèi)移動(dòng)機(jī)器人的主要類(lèi)型與應(yīng)用場(chǎng)景機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)：坐標(biāo)系、位姿、運(yùn)動(dòng)表示法3（3）正運(yùn)動(dòng)學(xué)：描述機(jī)器人的位置與姿態(tài)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)：求解機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與解法（如DH參數(shù)法）3課程目標(biāo)2（4）機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型：質(zhì)心、慣性矩陣等運(yùn)動(dòng)控制：PID控制與經(jīng)典控制方法基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制策略3（5）機(jī)器人常用傳感器：激光雷達(dá)、深度相機(jī)、IMU、超聲波傳感器等傳感器原理、特點(diǎn)與應(yīng)用2課程目標(biāo)3（6）SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）簡(jiǎn)介與應(yīng)用傳感器融合方法（如卡爾曼濾波）基于傳感器的地圖構(gòu)建與定位技術(shù)4（7）離散空間路徑規(guī)劃：A*算法、Dijkstra算法連續(xù)空間路徑規(guī)劃：RRT、PRM等3課程目標(biāo)4（8）基于傳感器的避障算法（如人工勢(shì)場(chǎng)法、基于柵格的路徑規(guī)劃）局部規(guī)劃與全局規(guī)劃的結(jié)合自主決策與行為選擇（如基于規(guī)則的決策系統(tǒng)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)）3（9）移動(dòng)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃與控制基于優(yōu)化的路徑控制方法（如最優(yōu)控制、模型預(yù)測(cè)控制）2課程目標(biāo)5（10）系統(tǒng)架構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能評(píng)估與優(yōu)化方法控制與感知系統(tǒng)的協(xié)同工作2（11）自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃的應(yīng)用實(shí)例無(wú)人駕駛、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人等應(yīng)用案例分析2課程目標(biāo)6（12）課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐項(xiàng)目要求項(xiàng)目實(shí)施與反饋：設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試2（13）復(fù)習(xí)重點(diǎn)內(nèi)容：運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳感器、路徑規(guī)劃與控制學(xué)生項(xiàng)目展示與討論2（14）移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在機(jī)器人中的應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人學(xué)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇2實(shí)驗(yàn)一：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真2實(shí)驗(yàn)二：傳感器數(shù)據(jù)處理與融合（SLAM實(shí)驗(yàn)）2實(shí)驗(yàn)三：路徑規(guī)劃與避障算法實(shí)現(xiàn)4實(shí)驗(yàn)四：機(jī)器人控制與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)（基于仿真平臺(tái)）4實(shí)驗(yàn)五：小型機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施4合計(jì)3216四、教學(xué)方法及手段本課程理論課學(xué)習(xí)采用課堂教師重難點(diǎn)講授+超星網(wǎng)站微視頻學(xué)生提前預(yù)習(xí)相結(jié)合的模式，實(shí)驗(yàn)課利用移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室2人一組獨(dú)立完成并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1.課堂講授(1)采用多媒體教學(xué)與板書(shū)教學(xué)相結(jié)合，以老師講授為主，并輔以課堂討論、多媒體演示等教學(xué)手段，提高課堂教學(xué)信息量，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。(2)采用啟發(fā)式、案例式教學(xué)，通過(guò)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、給出解決措施，啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生思考、分析和解決移動(dòng)機(jī)器人控制的能力。(3)采用互動(dòng)式教學(xué)，以課堂提問(wèn)、課內(nèi)討論、課堂作業(yè)等形式，通過(guò)對(duì)難點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容的討論，使學(xué)生加深對(duì)基本理論及基本概念的理解。(4)充分利用課程自建網(wǎng)站的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，基于在線開(kāi)放課程的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)模式，加強(qiáng)師生交流和溝通，形成課外互動(dòng)，提高教學(xué)效果。2.課外作業(yè)通過(guò)課外作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步掌握課堂講述內(nèi)容，思考相關(guān)問(wèn)題，鞏固理論，提高分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)科技期刊和資料，培養(yǎng)自學(xué)能力。3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)移動(dòng)機(jī)器人學(xué)的理解，掌握移動(dòng)機(jī)器人學(xué)的基本原理和方法，鞏固課堂所講授的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制與模擬的能力。學(xué)生應(yīng)能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)要求，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)。要求態(tài)度認(rèn)真、原理清楚、方法正確、分析準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)報(bào)告工整。五、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核及成績(jī)?cè)u(píng)定方式課程考核以課程目標(biāo)的達(dá)成為主要目的，以檢查學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度及能力的培養(yǎng)為主要內(nèi)容，課程成績(jī)包括3部分：平時(shí)成績(jī)（10%）、實(shí)驗(yàn)成績(jī)（30%）、期末考試成績(jī)（60%）。2.課程目標(biāo)與課程考核環(huán)節(jié)的關(guān)系課程目標(biāo)考核與評(píng)價(jià)方式及成績(jī)比例（%）成績(jī)比例（%）平時(shí)表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)期末考試作業(yè)課堂討論課程目標(biāo)1112022課程