移動機(jī)器人學(xué) 教學(xué)大綱

《移動機(jī)器人學(xué)》課程教學(xué)大綱課程名稱：移動機(jī)器人學(xué)英文名稱：Mobilerobotics課程代碼：學(xué)分/學(xué)時：2.5學(xué)分/48學(xué)時（其中理論32學(xué)時、實驗16學(xué)時）開課學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：自動化專業(yè)先修課程：線性代數(shù)、自動控制理論、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)、概率與統(tǒng)計、編程與算法基礎(chǔ)等后續(xù)課程：高級機(jī)器人學(xué)、機(jī)器視覺與傳感器融合、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航等。課程負(fù)責(zé)人：張智軍開課單位：自動化科學(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)移動機(jī)器人學(xué)課程具有跨學(xué)科和實踐導(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)動學(xué)、動力學(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)開發(fā)與實時控制能力。課程的實踐性體現(xiàn)在實驗和仿真上，學(xué)生通過使用仿真平臺和實際機(jī)器人進(jìn)行項目驅(qū)動學(xué)習(xí)，解決實際問題。課程還具有創(chuàng)新性，鼓勵學(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、計算機(jī)與控制等多個學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力?？傮w而言，課程通過理論與實踐結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器人設(shè)計、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)動學(xué)、動力學(xué)和控制原理，能夠分析和設(shè)計機(jī)器人運(yùn)動與控制系統(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：通過實踐項目，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：通過實驗與項目，培養(yǎng)學(xué)生在實際環(huán)境中設(shè)計、實現(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)時課程目標(biāo)授課實驗上機(jī)（1）課程目標(biāo)與評估方式移動機(jī)器人學(xué)的學(xué)科背景與應(yīng)用領(lǐng)域課程安排與實驗項目概覽1課程目標(biāo)1（2）機(jī)器人的基本定義與分類移動機(jī)器人的主要類型與應(yīng)用場景機(jī)器人運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)：坐標(biāo)系、位姿、運(yùn)動表示法3（3）正運(yùn)動學(xué)：描述機(jī)器人的位置與姿態(tài)逆運(yùn)動學(xué)：求解機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)運(yùn)動學(xué)建模與解法（如DH參數(shù)法）3課程目標(biāo)2（4）機(jī)器人動力學(xué)模型：質(zhì)心、慣性矩陣等運(yùn)動控制：PID控制與經(jīng)典控制方法基本的運(yùn)動規(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（如人工勢場法、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)測控制）2課程目標(biāo)5（10）系統(tǒng)架構(gòu)與模塊化設(shè)計系統(tǒng)性能評估與優(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)用實例無人駕駛、倉儲機(jī)器人等應(yīng)用案例分析2課程目標(biāo)6（12）課程設(shè)計與實踐項目要求項目實施與反饋：設(shè)計機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)行測試2（13）復(fù)習(xí)重點(diǎn)內(nèi)容：運(yùn)動學(xué)、傳感器、路徑規(guī)劃與控制學(xué)生項目展示與討論2（14）移動機(jī)器人領(lǐng)域的前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在機(jī)器人中的應(yīng)用移動機(jī)器人學(xué)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇2實驗一：機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與仿真2實驗二：傳感器數(shù)據(jù)處理與融合（SLAM實驗）2實驗三：路徑規(guī)劃與避障算法實現(xiàn)4實驗四：機(jī)器人控制與優(yōu)化實驗（基于仿真平臺）4實驗五：小型機(jī)器人項目設(shè)計與實施4合計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，實驗課利用移動機(jī)器人綜合實驗平臺在實驗室2人一組獨(dú)立完成并撰寫實驗報告。1.課堂講授(1)采用多媒體教學(xué)與板書教學(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)積極性和主動性。(2)采用啟發(fā)式、案例式教學(xué)，通過提出問題、分析問題、給出解決措施，啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生主動學(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、分析和解決移動機(jī)器人控制的能力。(3)采用互動式教學(xué)，以課堂提問、課內(nèi)討論、課堂作業(yè)等形式，通過對難點(diǎn)重點(diǎn)內(nèi)容的討論，使學(xué)生加深對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，提高教學(xué)效果。2.課外作業(yè)通過課外作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生檢驗學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步掌握課堂講述內(nèi)容，思考相關(guān)問題，鞏固理論，提高分析問題，解決問題的能力。同時，引導(dǎo)學(xué)生閱讀國內(nèi)外相關(guān)科技期刊和資料，培養(yǎng)自學(xué)能力。3.實驗教學(xué)通過實驗，使學(xué)生進(jìn)一步加深對移動機(jī)器人學(xué)的理解，掌握移動機(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)生對復(fù)雜移動機(jī)器人進(jìn)行控制與模擬的能力。學(xué)生應(yīng)能按照實驗指導(dǎo)書要求，獨(dú)立完成實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告的撰寫。要求態(tài)度認(rèn)真、原理清楚、方法正確、分析準(zhǔn)確、實驗報告工整。五、考核與成績評定1.考核及成績評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)生對各知識點(diǎn)的掌握程度及能力的培養(yǎng)為主要內(nèi)容，課程成績包括3部分：平時成績（10%）、實驗成績（30%）、期末考試成績（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)考核與評價方式及成績比例（%）成績比例（%）平時表現(xiàn)實驗期末考試作業(yè)課堂討論課程目標(biāo)1112022課程