智能机器人与运动控制 教学大纲

课程教学大纲课程教学大纲PAGEPAGE1《运动控制系统》课程教学大纲课程基本信息（CourseInformation）课程代码（CourseCode）AU310*学时（CreditHours）48*学分（Credits）3*课程名称（CourseName）运动控制系统MotionControlSystem课程性质(CourseType)专业基础必修课授课对象（Audience）自动化专业本科生授课语言(Language)中文*开课院系（School）上海交通大学自动化与感知学院先修课程（Prerequisite）自动控制原理、计算机控制、电力电子技术授课教师（Instructor）王景川（jchwang@）、张晗（zhanghan_tc@）*课程简介SLAMMATLAB系统STM32ROS移动机器人基本的定位方法，具备综合分析能力和工程设计能力。*CourseDescriptionMotionControlSystemstakesmobilerobotsasitsapplicationbackgroundandcoversDCmotormodeling,systemidentificationandcontrolBytreatingmobilerobotsasmulti-motorcooperativesystems,thecoursefurtherintroducesperceptiontechniquessuchaslocalizationandSimultaneousLocalizationandMapping(SLAM).AsacompulsorycoursefortheAutomationitadherestotheprincipleofintegratingtheorywithpractice.Whileprovidingstudentswithasolidtheoreticalfoundation,thecourseincorporateshands-ontrainingusingtheSystemIdentificationSTM32developmentplatforms,andtheROSframework.Throughthiscourse,studentsareexpectedtounderstandandmasterthefundamentalstructure,operatingprinciples,andperformanceindicesofDCmotorcontrolsystems,graspadvancedmotioncontroltheoriesandbasiclocalizationmethodsformobilerobots,anddevelopstrongcapabilitiesincomprehensiveanalysisandengineeringdesign.课程目标与内容（Courseobjectivesandcontents）*课程目标(LearningOutcomes)”“攻Kalman于STM32ROS的ROS和程序版本管理框架Git和项目作品展示为手段，培养科学写作和科学演讲的能力。*教学内容、进度安排及对应课程目标(ClassSchedule&Course课时教学内容与形式模块学时作业及考核要求思政融入课程目标1运动控制技术导论,初步认识当前运动控制在机器人中的应用、电机的种类、运动控制系统的构成与共性问题基础知识2课堂讨论，随堂提问通过介绍当前我国机器人和运动控制技术的发展形势，激发学生的兴趣，树立学生的家国情怀课程目标1,22直流电机电气模型与稳态特性，掌握直流电机的基本结构与工作原理、直流电机的等效电路、稳态特性和机械特性基础知识2课堂讨论，随堂提问强调工程模型不是拍脑袋假设，而是物理约束与实验事实的抽象，对比教材模型与真实电机差异，引导学生形成实事求是、尊重实验数据的科研态度，简要介绍我国在电机设计与制造领域的技术发展历程课程目标23直流电机调速原理与机械特性，掌握直流电机三种调速方式的PWM调速系统的原理与直基础知识2课堂讨论，随堂提问率、能耗与国家“双碳目标的工程关联，引导学生理解：课程目标2流PWM开环调速系工程设计是性能、成统的机械特性本、可靠性之间的权衡，而非“最优公式”从安全性与鲁棒性角度讨论限流保护。闭环直流调速系统，强调工程伦理：系统4掌握其原理、机械特性与基本特征，同时基础知识2课堂讨论，随堂提问必须在异常情况下“优雅失效”，而非只课程目标2掌握限流保护的措施追求性能指标。引导学生树立“工程安全底线意识”直流电机力学模型和引导学生认识状态空间方法是现代控制理论的重要范式养抽象建模能力与逻辑严谨性课程目标2,4状态空间模型，掌握5直流电机动力学模型、转动惯量和直流基础知识2课堂讨论，随堂提问电机拖动的状态空间模型卡尔曼滤波器基础基础知识课堂讨论，随堂提问强调不确定性是工程系统的常态，而不是异常。通过噪声建模，引导学生形成概率思维与风险意识。引出“工程决策是在不完美信息下进行”的现实背景（第一部分课程6动控制系统中的噪声2目标来源、离散时间隐2,4Markov模型卡尔曼滤波器基础（第二部分率论的基础与多元高7斯分布，同时介绍卡尔曼滤波的最小方差估计与后验概率传递的原理，介绍卡尔曼基础知识2课堂讨论，随堂提问课程目标2,4滤波器和扩展卡尔曼滤波器的数学推导过程直流电机的离散时间强调“模型—数据—算法”之间的内在逻课程目标2,4模型表示，回顾直流电机的连续实践状态8空间模型，掌握直流电机离散时间模型的基础知识2课堂讨论，随堂提问推导、带噪声系统模型与新息形式，以及模型参数估计9卡尔曼滤波实践，熟练掌握利用Matlab和Python实现卡尔基础实践2以个人为单位，在头歌实践教学平强调“会推公式≠会做工程”。引导学生认识工具能力是课程目标3,4曼滤波台上实现用Kalman滤波器对直流电机离散时间模型的状态估计现代工程师的基本10预报误差极小化，掌握“预报误差极小化”这种系统辨识方法的基本原理，同时了解预报误差极小化的最小二乘实现以及其统计一致性基础知识2课堂讨论，随堂提问强调系统辨识是工程中“从现象到规律”的典型方法论。引导学生理解统计一致性与工程可信度之间的关系课程目标2,411转动惯量、𝐶𝑒和电阻值的测定基础实践2以两人小组为单位，在提供的教学平台上测定，转动惯量、𝐶𝑒和电阻值的测定强调实验可重复性与数据真实性。培养导学生理解“工程结论必须经得起复现”课程目标1,3,412预报误差极小化辨识的Matlab实现基础实践2以两人小组为单位，在教学平台上采集数据，用Matlab编写预报误差极小化的辨识程序，并通过采集的数据对直流电机的电气常数进行辨识课程目标3,413线性二次型最优控制（第一部分制基础知识2课堂讨论，随堂提问引导学生理解最优”是目标函数定义工程设计者的价值判断课程目标2,414线性二次型最优控制（第二部分基础知识2课堂讨论，随堂提问课程目标2,415直流电机的位置控制基础2以两人小组强调从模型到控制课程与跟踪，掌握基于线性二次型最优控制的直流电机位置控制与跟踪的原理与方法实践为单位，在教学平台上基于已学习的线性二次型最优控制，实现直流电机位置控制与跟踪器再到实验验证的完整工程闭环。培养学生系统调试耐心与工程韧性目标1,3,416直流电机的速度控制与跟踪，掌握基于线性二次型最优控制的直流电机空载速度控制与跟踪的原理与方法基础实践2课程目标1,3,417直流电机的随动实验，掌握直流电机位置、速度随动控制的原理和方法，掌握基于Git的程序版本控制方法合作提升2以两人一组为单位，两组之间用各自的教学平台通过串口互联，一组拧动电机，另一组实现直流电机位置、速度随动控制并互换强调现代工程是团队协作而非个人英雄主义。引导学生形成规范化工程管理与代码共享意识。结合开源精神与工程伦理进行引导课程目标218移动机器人模型，掌握双轮差速、阿克曼转向的机器人运动学模型，掌握双轮差速机器人运动学模型辨识的方法基础知识2课堂讨论，随堂提问复机器人等应用场程对社会民生的价值课程目标219ROS运动控制实践，掌握ROS的架构和节点之间的通信方式基础实践2以个人为单位，在头歌平台上通过ROS模块间消息的收发，完成ROS模拟机器人的导航控制，让模拟机器人走出圆形和方形轨迹强调主流工程框架的学习能力是工程人才核心竞争力。引导学生正确看待“站在前人肩膀上”的工程创新模式课程目标3,420ROS的卡尔曼滤波器实现和线性定位基础实践2以个人为单位，在头歌平台上用Python脚课程目标3,4本结合数理基础，实现质点在二维平面上的运动，完成Kalman滤波器的代码实现21ROS的扩展卡尔曼滤波器定位与SLAM（第一部分unicycle非线性机器人模型、颜色观测基础实践2以个人为单位，在头歌平台上用Python脚本结合数理基础，实现基 于unicycle非线性机器人模型的仿真与 在Gazebo仿真环境中的颜色观测引导学生认识复杂系统必须模块化、分成能力是高端工程人才的重要标志课程目标2,3,422ROS的扩展卡尔曼滤波器定位与SLAM（第二部分SLAM实现方法合作提升2以二人小组为单位，在头歌平台上用Python脚本结合数理基础，在Gazebo仿真环节中实现unicycle小车的定位与SLAM课程目标2,3,423课程项目拓展合作提升2以两人小组为单位，基于已学过的课程知识，利用想象力，拓展应用，在头歌平台或教学平台上开展课程项目研究并实现，强调项目从问题定义到展示汇报的完整科研与工程流程。培养学生技术表达、学术汇报与工程自信。引导学生认识“工程成果要经得起同行检验”课程目标1,3,4完成课程项目报告24项目展示汇报（测评考核）项目汇报与拓展2以小组为单位，轮流上台演讲，展示课程项目的最终实现效果，按技术指标、新颖度、演讲质量评分；提交实验报告、源代码和展示录像，按实验报告质量、源代码规范性等因素综合评分通过详尽的定量指标额评分规则，形成“”的课程目标1,2,3,4*在线平台(Onli