《机器人与控制技术》课程教学大纲

机器人与控制技术RoboticsandControlTechnology课程基本信息课程编号：04021192课程总学时：32学时实验学时：6学时课程性质：选修课程属性:专业类开设学期：第6学期适用专业：农业智能装备工程对先修的要求：电子技术、农业装备控制工程、嵌入式系统原理对后续的支撑：农业智能化机械生产系统一、课程的教学理念、性质、目标和任务《机器人与控制技术》课程的教学理念是通过理论与实践操作相结合的方式，培养学生对农业机器人与控制技术的基本理论、原理和应用的全面理解和实践能力。这门课程注重培养学生的创新思维、问题解决能力和团队合作精神，以应对当今快速发展的农业机器人技术领域的挑战。《机器人与控制技术》课程属于工程技术类的专业类选修课程，主要涉及机器人学、自动控制、传感器技术、运动规划等方面的知识。这门课程旨在帮助学生掌握机器人系统的设计、控制与应用技术，培养学生在机器人领域的综合素质和创新能力。《机器人与控制技术》课程的目标是使学生掌握机器人和控制技术的基本概念、原理和方法，具备设计、开发和操作简单机器人系统的能力。通过该课程的学习，学生应该能够理解和应用机器人的构成和分类、传感器与执行器的原理、控制算法和编程技术，以及机器人系统的建模和仿真方法。《机器人与控制技术》课程的任务主要包括以下几个方面：1）理论学习：学生需要学习机器人和控制技术的基本理论知识，包括机器人的概念和分类、传感器和执行器的原理、控制算法和编程技术等。2）实践操作：学生需要进行实验和项目设计，通过实践操作掌握机器人和控制技术的实际应用。这可能包括农业机器人的组装和调试、编写控制程序、进行传感器数据采集和处理等。3）问题解决：学生需要培养解决农业机器人和控制技术问题的能力，包括识别问题、分析问题原因、提出解决方案并实施调整。4）团队合作：学生需要参与团队项目，与其他成员合作完成农业机器人系统的设计和开发任务，培养团队合作和沟通能力。5）思考和创新：学生需要思考农业机器人和控制技术的发展趋势和应用前景。二、课程教学的基本要求1.理论知识方面：通过本课程的理论学习，学生应理解机器人和控制技术的基本概念、原理和方法。掌握机器人的分类、结构和功能，并了解各种传感器和执行器的工作原理。熟悉控制系统的基本组成和控制算法，包括反馈控制、PID控制等。理解机器人系统的建模和仿真方法，掌握常用的建模工具和软件。熟悉机器人编程技术，包括传统编程语言和机器人操作系统（ROS）等。2.实验技能方面：在试验操作学习中，学生应能够独立进行农业机器人系统的组装和调试工作，包括连接传感器和执行器、设置控制参数等。具备使用传感器采集数据和进行信号处理的能力，能够分析和解释实验结果。能够编写和调试农业机器人控制程序，实现基本的运动控制、路径规划和感知任务。熟练掌握农业机器人仿真和模拟软件，能够进行虚拟实验和系统验证。具备问题解决能力，能够识别实验中的问题并采取适当的措施进行调整和修正。三、课程的教学设计1.教学设计说明《机器人与控制技术》课程的教学设计应该综合考虑课程的目标、学生的需求以及实际的教学资源。首先，通过设定课程的核心目标与能力要求（例如培养学生的机器人理论知识、实践操作能力和问题解决能力等），以便学生能够有针对性地进行学习和评估。其次，制定课程大纲和教学计划，确定每个学习单元的教学内容和学习进度。整合理论知识和实践操作，确保学生能够在学习过程中理论联系实际，获得全面的知识和技能。教学方法选择方面，引导学生主动参与学习，激发学习兴趣和积极性。选择多样化的教学方法，包括讲授、案例分析、实验操作、团队项目等，还可以利用现代教育技术和资源，例如多媒体教学、虚拟实验平台等，增强教学效果和互动性。实验和项目设计方面，安排一些针对农业机器人与控制技术的实验和项目设计，确保学生能够运用所学知识解决实际问题。在过程中提供实验指导和项目指导，引导学生进行实验操作和团队合作，培养他们的实践能力和创新思维。最后，为全面评价学生的学习成果，课程可以设计多样化的评估方式，包括课堂测验、实验报告、项目成果展示等。及时给予学生反馈，指导他们改进学习和提高能力，提供个性化的辅导和支持。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1目标1：使学生通过学习该课程能够获得扎实的机器人和控制技术的基本概念、原理和方法，为毕业后的进一步学习和研究打下坚实基础。12目标2：培养学生独立进行农业机器人系统组装、调试和控制程序编写的能力。23目标3：对机器人与控制技术从整体上有一个较清晰全面的认识，培养学生分析和解决机器人与控制技术问题的能力，并具备创新思维。3四、理论教学内容及学时分配（26学时）第一章绪论学时数：2教学目标：掌握机器人的基础概念、特点与分类，掌握机器人的相关组成结构，了解农业领域中机器人的应用情况。教学重点和难点：机器人的组成与结构。主要教学内容及要求：1.1机器人的定义及发展历史了解1.2机器人的结构与分类熟练掌握1.3机器人控制的基本要求掌握1.4机器人在农业生产上的应用了解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人的基本概念，理解机器人的组成与结构理论，了解农业领域中出现的机器人的研究现状。第二章机器人基础知识学时数：4教学目标：了解机器人的本体，理解机器人的硬件与电源系统，了解机器人的机械制作实例。教学重点和难点：机器人的处理控制系统、驱动器系统、传感器系统。主要教学内容及要求：2.1机器人的机械了解2.2机器人的处理控制系统熟练掌握2.3机器人的驱动器系统熟练掌握2.4机器人的传感器系统熟练掌握2.5机器人的电源系统理解2.6机器人机械制作实例了解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人的本体组成与结构，掌握机器人的硬件与电源系统，了解几种机械制作实例。第三章机器人的传感器及感知技术学时数：4教学目标：掌握常见传感器的工作原理与特点、机器视觉及其图像处理方法，了解并熟练使用常用的目标检测方法。教学重点和难点：机器视觉、图像配准、图像标定等图像处理方法。主要教学内容及要求：3.1常见传感器的工作原理与特点掌握3.2机器视觉熟练掌握3.3图像的传统信息处理方法熟练掌握3.4图像配准熟练掌握3.5图像标定熟练掌握3.6常用的目标检测方法熟练掌握3.7机器视觉在机器人上的应用案例了解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握常见传感器的工作原理与特点，理解机器人的视觉感知技术及其图像处理方法，了解机器视觉在机器人上的应用案例。第四章机器人的底层控制学时数：4教学目标：掌握机器人电动机的选择与惯量计算、运动控制与PID及其相关参数设定，理解并掌握典型驱动PWM与底层控制设计过程。教学重点和难点：电动机的选择与惯量计算、运动控制与PID及其相关参数设定。主要教学内容及要求：4.1电动机的选择与惯量计算熟练掌握4.2典型驱动PWM熟练掌握4.3控制系统的基本原理与组成熟练掌握4.4运动控制与PID熟练掌握4.5智能PID参数整定熟练掌握4.6其他常见的控制算法理解4.7机器人底层控制设计实例理解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人的底层控制理论知识，掌握机器人的驱动控制、运动控制及其相关参数设定，理解机器人底层控制设计过程。第五章机器人位置运动学学时数：4教学目标：理解机器人的数理基础知识与运动方程，掌握多自由度机器人在空间的运动表示以及用D-H表示法导出正逆运动学方程的过程。教学重点和难点：机器人运动学方程的建立、机器人的正向、逆向运动学及其求解方法。主要教学内容及要求：5.1机器人的自由度了解5.2机器人的空间描述与坐标转换理解5.3运动学建模熟练掌握5.4机器人位置与姿态的表示理解5.5机器人运动学方程的建立熟练掌握5.6机器人的正向运动学及其求解方法熟练掌握5.7机器人的逆向运动学及其求解方法熟练掌握5.8六自由度机械臂运动分析实例理解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人位置运动学的基本概念与工作原理，理解正向、逆向运动学。第六章机器人的路径规划学时数：2教学目标：掌握机器人路径规划方法及其原理、运动路径规划设计过程。教学重点和难点：关节空间的轨迹规划、直角坐标空间的轨迹规划。主要教学内容及要求：6.1机器人的路径规划方法及其原理掌握6.2智能规划熟练掌握6.3关节空间的轨迹规划熟练掌握6.4直角坐标空间的轨迹规划熟练掌握6.5轨迹插补与运动控制技术熟练掌握教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人路径规划的理论知识，掌握机器人两种空间路径规划过程。第七章机器人的上层控制学时数：4教学目标：了解机器人操作系统的概述与编程开发环境、语言类型，掌握机器人的建模方法与算法部署，掌握使用仿真软件进行嵌入式机器人的程序设计分析过程。教学重点和难点：机器人操作系统的使用、仿真软件的使用与嵌入式机器人的设计。主要教学内容及要求：7.1机器人操作系统概述与使用熟练掌握7.2编程语言类型与开发环境理解7.3机器人语言系统的结构与基本功能熟练掌握7.4机器人的算法部署熟练掌握7.5机器人建模方法熟练掌握7.6机器人的仿真工具与软件熟练掌握7.7嵌入式机器人的程序设计分析案例理解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人上层控制的工作原理，掌握使用编程软件和仿真软件进行嵌入式机器人的程序设计分析过程。第八章发展与展望学时数：2教学目标：了解机器人与控制技术的发展与展望，理解机器人的应用举例，了解机器人的社会需求与面临的问题。教学重点和难点：机器人的应用举例与展望。主要教学内容及要求：8.1机器人的发展与展望了解8.2机器人的应用举例与展望理解8.3机器人控制技术的发展了解8.4机器人面临的社会需求与社会问题了解教学组织与实施：本章以课程教学为主，结合实例完成课程教学任务。在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生掌握机器人与控制技术的发展与展望。五、实验教学内容及学时分配（6学时）（无实验的课程该项不列，序号顺延）（一）实验课程简介《机器人与控制技术》实验课程旨在通过实践操作和项目设计，让学生亲身体验机器人与控制技术的应用和实践，培养学生的实践操作能力和问题解决能力。该实验课程通常是《机器人与控制技术》理论课程的延伸和实践环节，通过实验操作，学生可以巩固和应用在理论课程中学到的知识，并掌握机器人与控制技术的实际应用技能。结合讲授和案例分析，本课程开展农业机器人相关的试验操作与项目设计，让学生亲自动手操作和实践，培养他们的实践能力和问题解决能力。通过小组讨论和合作学习促进学生之间的交流和合作，分享经验和思路，共同解决问题。（二）实验教学目的和基本要求试验教学主要培养学生独立进行机器人系统组装、调试和控制程序编写的能力。通过实验和项目设计，学生能够获得实际操作机器人系统的经验，掌握机器人的实际应用和工程实施能力。（三）实验安全操作规范在《机器人与控制技术》课程中进行实验时，需要遵守以下实验安全操作规范：1）熟悉实验室规章制度：了解实验室的安全规定和操作流程，包括实验室的入口、紧急出口、安全设备等信息。熟悉实验室的紧急处理程序，如火警、泄漏等突发情况的应急措施。2）穿戴适当的个人防护装备：在实验室内必须佩戴适当的个人防护装备，如实验服、实验手套、护目镜等，以保护自己的安全。3）使用合适的实验设备和工具：使用经过检查和维护的实验设备和工具，确保其正常运行和安全使用。禁止使用损坏或有缺陷的设备和工具。4）遵循实验操作步骤：严格按照实验操作指南或教师指导的操作步骤进行实验。注意操作顺序、时间和条件，确保安全和准确性。5）控制电气设备和电源的安全：在实验过程中，避免触碰裸露的电线和电源插座。使用绝缘工具和设备，确保电气设备的接线正确并遵循电气安全规范。6）实验结束后的安全措施：清理实验现场，将实验设备和材料归位并妥善保管。关闭电源和设备，确保实验室处于安全状态。（四）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数04021192＋01农业机器人的路径规划实验2基础性必做604021192＋02视觉感知算法设计与测试2设计性必做604021192＋03农业机器人的控制系统设计实验2综合性必做6（五）实验方式及基本要求《机器人与控制技术》实验课程的试验方式可以采用以下几种形式：1）实物实验：使用真实的机器人平台进行实验操作。学生需要进行机器人的搭建、编程、调试和测试，以完成特定的任务或达到预定的目标。2）仿真实验：利用机器人仿真软件进行虚拟实验。学生可以通过虚拟环境进行机器人的建模、控制算法的设计与实现，以及性能评估。学生需完成并提交以下试验要求，具体如下：1）实验报告：学生需要撰写实验报告，详细描述实验的目的、方法、结果和分析。报告应包含必要的图表、图像和数据，以展示实验过程和结果。2）实验操作：学生需要按照实验要求进行实验操作，包括机器人的搭建、编程和调试。他们应该能够独立操作所需的硬件设备和软件工具。3）数据分析与评估：学生需要对实验数据进行分析和评估，以验证实验结果是否符合预期。他们应该能够使用合适的统计方法和工具，对实验结果进行量化和定性分析。（六）实验内容安排【实验一】农业机器人的路径规划实验1.实验学时：2学时2.实验目的：理解农业机器人路径规划的基本原理和算法。掌握农业机器人路径规划实验的设计和实施方法。了解农业机器人路径规划在实际农业应用中的潜在优势和挑战。3.实验内容：1）选择一种路径规划算法以实现农业机器人的自主路径规划。2）设计合适的实验场景，模拟农田或温室环境，包括土地布局、障碍物等。3）使用农业机器人平台进行实验操作，包括传感器数据采集、路径规划算法的实现和执行机构的控制。4）进行路径规划实验，评估农业机器人在特定环境下的路径规划性能，如路径长度、执行时间、避障能力等。5）分析实验结果，并讨论优化路径规划算法的可能性。4.实验要求：理解农业机器人的基本原理和路径规划算法。能够独立设计和实施农业机器人路径规划实验。具备基本的编程和控制能力，能够编写和调试路径规划算法的代码。具备数据分析和结果评估能力，能够对实验结果进行定量和定性分析。5.实验设备及器材：农业机器人平台：可选择市场上已有的农业机器人平台，或自行搭建农业机器人实验平台。传感器：例如激光雷达、摄像头、超声波传感器等，用于获取环境信息。控制系统：包括主控单元、执行机构和传感器接口等，用于实现路径规划算法的执行和机器人的控制。计算机：用于编程、数据采集和实验控制【实验二】视觉感知算法设计与测试1.实验学时：2学时2.实验目的：理解视觉感知算法在机器人技术中的重要性和应用。学习设计和实现基于视觉感知的算法，以实现机器人对环境和对象的感知和识别。掌握视觉感知算法测试和评估的方法和技巧。了解视觉感知算法在实际应用中的挑战和潜在优势。3.实验内容：1）自选农业作物及所处的实验场景和任务，使用常用的视觉感知算法，如图像处理、目标检测与识别等。具体包括图像采集、预处理、特征提取、模型训练等。2）进行实验测试和评估，比较不同算法的性能，如准确率、召回率、处理速度等。3）分析实验结果，讨论算法的优化和改进方向。4.实验要求：理解视觉感知算法的基本原理和常见应用。具备基本的图像处理和计算机视觉知识。能够独立设计和实施视觉感知算法的实验。具备编程和模型训练的能力，能够实现和调试视觉感知算法的代码。具备数据分析和结果评估能力，能够对实验结果进行定量和定性分析。5.实验设备及器材：摄像设备：例如摄像头、RGB-D相机等，用于图像或深度数据的采集。计算机：用于算法实现、数据处理和实验控制。图像处理软件：例如OpenCV、Matlab等，用于图像预处理和特征提取。深度学习框架：例如TensorFlow、PyTorch等，用于模型训练和推断。数据集：包含用于训练和测试的图像或视频数据集，可以使用公开可用的数据集或自行采集。【实验三】农业机器人的控制系统设计实验1.实验学时：2学时2.实验目的：理解农业机器人控制系统的基本原理和要求。学习设计和实现农业机器人控制系统的方法和技巧。掌握农业机器人控制系统的测试和评估方法。了解农业机器人控制系统在实际农业应用中的潜在优势和挑战。3.实验内容：1）研究农业机器人控制系统的组成和工作原理，包括传感器、执行机构和控制算法等。2）设计合适的实验任务和场景，例如农田作业、种植管理、农药喷洒等。3）使用合适的控制算法进行实验操作，包括传感器数据采集、决策和执行机构控制。4）进行实验测试和评估，比较不同控制算法的性能，如精度、鲁棒性、执行效率等。5）分析实验结果，讨论控制系统的优化和改进方向。4.实验要求：理解农业机器人的基本原理和控制系统的要求。具备基本的控制理论和算法知识。能够独立设计和实施农业机器人控制系统的实验。具备编程和控制器调试的能力，能够实现和调优控制算法。具备数据分析和结果评估能力，能够对实验结果进行定量和定性分析。5.实验设备及器材：农业机器人平台：可选择市场上已有的农业机器人平台，或自行搭建农业机器人实验平台。传感器：例如激光雷达、摄像头、超声波传感器等，用于获取环境信息。执行机构：例如电机、液压装置等，用于执行农业机器人的操作任务。控制器：包括主控单元、执行器驱动等，用于实现控制算法的执行和机器人的控制。计算机：用于编程、数据采集和实验控制。(七)考核方式及成绩评定《机器人与控制技术》课程的实验教学部分要求学生完成3个具体的实验任务，并编写实验报告。实验报告应包含实验题目、实验目的、实验步骤、实验结果以及相应的图表展示等。学生需要准确记录实验数据，清晰描述实验步骤，并进行数据分析和结论提出。通过该实验教学培养学生的实践能力、科学精神和团队合作能力，提高他们在机器人领域的实际操作和问题解决能力。实验报告的质量将作为实验考核的主要依据，评估学生的实验操作技能、数据分析能力和科学规范意识。实验课程的评定成绩占总课程成绩的15%。六、课程思政在《机器人与控制技术》课程中，思政教育可以通过多个方面融入。首先，通过讲解国家政策和行业规范，加强学生对国家科技发展和机器人产业的认同感，培养他们对国家的热爱和责任感。其次，深入了解机器人在社会经济发展、医疗护理、教育等方面的重要作用，引导学生思考如何运用机器人技术为社会发展和人民福祉做出贡献，培养学生的社会责任感和创新意识。此外，通过介绍机器人的应用案例，让学生了解和欣赏不同领域的发展和成就，培养跨学科的综合素养和国际视野。同时，讲授相关法律法规和伦理准则，引导学生遵守伦理规范，提高法治意识和道德素养。通过伦理讨论和案例分析，引导学生思考机器人技术的道德问题和社会影响