| 自动化
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课程名称及编号: 科技创新IV-E— 智能机器人开发与实践 (EI 318) |
学分 / 学时： 2/34 |
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主讲教师（姓名、职称）: 王景川助理研究员、陈卫东教授 |
授课语言: 中文 |
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必修/选修: 必修 |
开课时间: 秋季 |
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适用专业：自动化 |
开课单位：自动化系 |
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授课方式: 课堂教学+课程实践+大作业 |
考核方式:大作业+实践考核+汇报演示 |
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先修课程: 无 |
后修课程： |
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课程简介: 科技创新IV-E是自动化专业必修的科技创新课,以在国内外具有广泛影响的机器人世界杯RoboCup的机器人比赛作为课程项目，通过教学、项目设计、实验、模拟比赛、研讨会等环节，培养同学的动手实践和创新能力，提高同学对于自动控制、人工智能、嵌入式系统、机器人学等多学科知识的综合运用能力，为培养高素质的复合型创新人才打下基础。 课程中，学生将熟悉、应用机器人的各种传感器、驱动器、控制器等部件，利用控制理论、信号处理、软件设计等方面的知识，在可编程片上系统（PSoC: Programmable System-On-Chip）器件上设计并实现机器人的控制算法。机器人系统的主要部分已经模块化的形式给出，学生需要在对各模块化的部件进行熟悉、研究之后进行组装，设计重点集中在机器人的传感器应用与控制算法的设计与实现上。希望能够通过这门课的学习和实践，激发学生对控制理论、电机拖动、信号处理、软件设计等方向的学习兴趣，为今后的专业课学习打下基础。 |
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课程培养目标 ： 科技创新IV-E以课程实践为主，在课程实践之前先辅以课堂教学，课堂教学主要以机器人控制器、传感器等原理、使用以及编程方法进行讲授，然后讲解机器人的运动学、控制系统等原理性知识，随后学生根据指导教师规划的项目任务，设计智能机器人的项目方案，根据设计方案、利用现有的模块搭建机器人平台，设计并实现机器人控制算法，最后将机器人应用设计加以改进。通过课堂教学、课程实践，达到对毕业要求的贡献为： 4.1．能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程 1.4．理解工程师的职业性质与责任及基本职业道德的含义及其影响 ，并能在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任 5.3．根据工程实际要求，综合运用理论和技术手段完成方案设计并综合考虑经济、环境和法律等制约要素。 8.2．能够理解一个多角色团队中每个角色的作用，并能在团队中做好自己承担的角色。
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教学要求： 通过本课程的学习，锻炼了学生的如下能力： 知识应用能力：能够将C语言编程、数据及控制理论等专业知识用于解决复杂的实际问题。 问题分析能力：能够应用计算机思维和计算机编程技术，识别、分析复杂工程问题，获得有效解决方案。 团队组织能力：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。 终身学习能力：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。
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撰写者：陈卫东、王景川 发布时间: 2014.12 |
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一、课程性质和教学目标
课程性质：本课程是电院的科技创新课程。
教学目标：科技创新IV-E课程的目标，是通过设计、实践一个具体项目的设计，初步培养理学生论联系实际、解决工程问题的能力。通过在解决问题过程中，学生自行发现和确定尚不具备的知识技能，以解决问题为最终目标开展学习，训练探索型自主学习能力和习惯具体表现为三个方面：
l 通过课堂教学与课程实践，让学生学以致用的掌握机器人相关的跨学科的专业知识；
l 通过课堂教学与课程实践，让学生了解项目设计、开发、验收等一系列工程实践程序，培养他们解决实际问题的能力；
l 课堂教学与课程实践中，学生将以团队的形式参与课程中的项目设计、开发，培养他们的团队协作能力。
二、课程教学内容及学时分配
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教学内容 |
学时 |
课堂教学 |
难点 |
大作业及要求 |
作业 |
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1. 机器人传感器与控制器的原理与使用方法 |
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传感器的编程、数据采样、控制器调试等 |
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实物实验、测试 |
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2. 机器人运动学原理及编程实验 |
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3 |
机器人数学模型及编程实现 |
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仿真实验、测试 |
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3. 机器人控制任务方案设计 |
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2 |
控制任务 |
明确设计方案、设计思路与方法 |
阶段设计报告 |
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4. 机器人结构设计与搭建 |
4 |
4 |
机器人结构效果 |
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实物测试 |
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5. 机器人传感器模块编程实现 |
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6 |
传感器数据采集逻辑 |
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实物实验、测试 |
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6. 控制系统模块与流程设计 |
6 |
6 |
控制逻辑 |
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实物实验、测试 |
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7. 机器人控制系统实现与测试、优化 |
8 |
8 |
系统测试的数据记录与分析 |
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阶段测试报告 |
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8. 课程实践小组评估、汇报 |
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2 |
实验评估方法 |
综合课程的设计方法、设计方法、实验过程、数据统计及总结 |
课程报告 |
三、教学方法
科技创新IV-E以课程实践为主，在课程实践之前先辅以课堂教学，另外结合小组讨论、阶段总结、课程报告等共同实施。培养学生具有分析和解决电路与电子技术、计算机技术应用的基本能力, 从中接受工程实验的基本训练。
课堂教学主要内容依据是国外经典教材的中文译本，由于其在国际众多重点高校均有较为广泛的使用，同时也向学生提供英文版本对照，对传感器、控制器原理、机器人学理论等均由由浅入深的讲述，适合具有不同学习基础的同学在不同学习阶段参考学习。这极好地培养了学生的终身学习能力，即同学们能够在不断地摸索过程中找到合适的学习方法来发展自身能力，并且在能培养他们在自动化工程实践中，不断根据需要学习新知识和新技术，掌握正确有效的学习方法；
课程实践环节的主要参考指导教材是由本校教师根据科技创新课程的多年授课经验所编写，教材编写时参考了大量国外名校经典教材以及嵌入式系统企业工程师的实践经验，内容编排合理，着重讲解如何在实践环节中实现、应用控制理论、机器人学等理论知识等。课程实践中要求学生根据指导教师规划的项目任务，设计智能机器人的项目方案，根据设计方案、利用现有的模块搭建机器人平台，设计并实现机器人控制算法，最后将机器人应用设计加以改进。通过掌握基本的信息获取和处理方法，使得学生具有解决相应工程问题的能力。
l 项目要求：利用给定模块制作出小型机器人，在给定场地和时间内，在符合规则允许的情况下尽可能获得分数。
l 根据项目要求，小组讨论并撰写项目设计方案，明确项目实现方法。
l 项目设计方案经教师指导之后进入项目调试、实现及测试、优化阶段，最终通过总结评估项目实施结果。
最终的课程实践以达到毕业要求9中描述的“组织管理、表达和人际交往能力，在团队中具有发挥作用的能力和协作能力”。
四、考核及成绩评定方式
考核方式：课程报告＋实验成绩＋个人表现
成绩评定方式：课程报告30%＋实验成绩50%＋个人表现20%
五、教材及参考书目
[1] 《自主移动机器人导论》，Roland Siegwart，西安交通大学出版社，出版时间:2013 书号:978-7-5605-4548-6
[2] 《PSoC3控制器与机器人设计》 ，王景川著，化学工业出版社，出版时间:2013，书号:978-7-122-18224-1
课程组教师名单: 陈卫东、王景川
大纲执笔: 陈卫东、王景川