機器人與控制技術RoboticsandControlTechnology課程基本信息課程編號：04021192課程總學時：32學時實驗學時：6學時課程性質：選修課程屬性:專業類開設學期：第6學期適用專業：農業智能裝備工程對先修的要求：電子技術、農業裝備控制工程、嵌入式系統原理對后續的支撐：農業智能化機械生產系統一、課程的教學理念、性質、目標和任務《機器人與控制技術》課程的教學理念是通過理論與實踐操作相結合的方式，培養學生對農業機器人與控制技術的基本理論、原理和應用的全面理解和實踐能力。這門課程注重培養學生的創新思維、問題解決能力和團隊合作精神，以應對當今快速發展的農業機器人技術領域的挑戰。《機器人與控制技術》課程屬于工程技術類的專業類選修課程，主要涉及機器人學、自動控制、傳感器技術、運動規劃等方面的知識。這門課程旨在幫助學生掌握機器人系統的設計、控制與應用技術，培養學生在機器人領域的綜合素質和創新能力。《機器人與控制技術》課程的目標是使學生掌握機器人和控制技術的基本概念、原理和方法，具備設計、開發和操作簡單機器人系統的能力。通過該課程的學習，學生應該能夠理解和應用機器人的構成和分類、傳感器與執行器的原理、控制算法和編程技術，以及機器人系統的建模和仿真方法。《機器人與控制技術》課程的任務主要包括以下幾個方面：1）理論學習：學生需要學習機器人和控制技術的基本理論知識，包括機器人的概念和分類、傳感器和執行器的原理、控制算法和編程技術等。2）實踐操作：學生需要進行實驗和項目設計，通過實踐操作掌握機器人和控制技術的實際應用。這可能包括農業機器人的組裝和調試、編寫控制程序、進行傳感器數據采集和處理等。3）問題解決：學生需要培養解決農業機器人和控制技術問題的能力，包括識別問題、分析問題原因、提出解決方案并實施調整。4）團隊合作：學生需要參與團隊項目，與其他成員合作完成農業機器人系統的設計和開發任務，培養團隊合作和溝通能力。5）思考和創新：學生需要思考農業機器人和控制技術的發展趨勢和應用前景。二、課程教學的基本要求1.理論知識方面：通過本課程的理論學習，學生應理解機器人和控制技術的基本概念、原理和方法。掌握機器人的分類、結構和功能，并了解各種傳感器和執行器的工作原理。熟悉控制系統的基本組成和控制算法，包括反饋控制、PID控制等。理解機器人系統的建模和仿真方法，掌握常用的建模工具和軟件。熟悉機器人編程技術，包括傳統編程語言和機器人操作系統（ROS）等。2.實驗技能方面：在試驗操作學習中，學生應能夠獨立進行農業機器人系統的組裝和調試工作，包括連接傳感器和執行器、設置控制參數等。具備使用傳感器采集數據和進行信號處理的能力，能夠分析和解釋實驗結果。能夠編寫和調試農業機器人控制程序，實現基本的運動控制、路徑規劃和感知任務。熟練掌握農業機器人仿真和模擬軟件，能夠進行虛擬實驗和系統驗證。具備問題解決能力，能夠識別實驗中的問題并采取適當的措施進行調整和修正。三、課程的教學設計1.教學設計說明《機器人與控制技術》課程的教學設計應該綜合考慮課程的目標、學生的需求以及實際的教學資源。首先，通過設定課程的核心目標與能力要求（例如培養學生的機器人理論知識、實踐操作能力和問題解決能力等），以便學生能夠有針對性地進行學習和評估。其次，制定課程大綱和教學計劃，確定每個學習單元的教學內容和學習進度。整合理論知識和實踐操作，確保學生能夠在學習過程中理論聯系實際，獲得全面的知識和技能。教學方法選擇方面，引導學生主動參與學習，激發學習興趣和積極性。選擇多樣化的教學方法，包括講授、案例分析、實驗操作、團隊項目等，還可以利用現代教育技術和資源，例如多媒體教學、虛擬實驗平臺等，增強教學效果和互動性。實驗和項目設計方面，安排一些針對農業機器人與控制技術的實驗和項目設計，確保學生能夠運用所學知識解決實際問題。在過程中提供實驗指導和項目指導，引導學生進行實驗操作和團隊合作，培養他們的實踐能力和創新思維。最后，為全面評價學生的學習成果，課程可以設計多樣化的評估方式，包括課堂測驗、實驗報告、項目成果展示等。及時給予學生反饋，指導他們改進學習和提高能力，提供個性化的輔導和支持。2.課程目標及對畢業要求的支撐序號課程目標畢業要求1目標1：使學生通過學習該課程能夠獲得扎實的機器人和控制技術的基本概念、原理和方法，為畢業后的進一步學習和研究打下堅實基礎。12目標2：培養學生獨立進行農業機器人系統組裝、調試和控制程序編寫的能力。23目標3：對機器人與控制技術從整體上有一個較清晰全面的認識，培養學生分析和解決機器人與控制技術問題的能力，并具備創新思維。3四、理論教學內容及學時分配（26學時）第一章緒論學時數：2教學目標：掌握機器人的基礎概念、特點與分類，掌握機器人的相關組成結構，了解農業領域中機器人的應用情況。教學重點和難點：機器人的組成與結構。主要教學內容及要求：1.1機器人的定義及發展歷史了解1.2機器人的結構與分類熟練掌握1.3機器人控制的基本要求掌握1.4機器人在農業生產上的應用了解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人的基本概念，理解機器人的組成與結構理論，了解農業領域中出現的機器人的研究現狀。第二章機器人基礎知識學時數：4教學目標：了解機器人的本體，理解機器人的硬件與電源系統，了解機器人的機械制作實例。教學重點和難點：機器人的處理控制系統、驅動器系統、傳感器系統。主要教學內容及要求：2.1機器人的機械了解2.2機器人的處理控制系統熟練掌握2.3機器人的驅動器系統熟練掌握2.4機器人的傳感器系統熟練掌握2.5機器人的電源系統理解2.6機器人機械制作實例了解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人的本體組成與結構，掌握機器人的硬件與電源系統，了解幾種機械制作實例。第三章機器人的傳感器及感知技術學時數：4教學目標：掌握常見傳感器的工作原理與特點、機器視覺及其圖像處理方法，了解并熟練使用常用的目標檢測方法。教學重點和難點：機器視覺、圖像配準、圖像標定等圖像處理方法。主要教學內容及要求：3.1常見傳感器的工作原理與特點掌握3.2機器視覺熟練掌握3.3圖像的傳統信息處理方法熟練掌握3.4圖像配準熟練掌握3.5圖像標定熟練掌握3.6常用的目標檢測方法熟練掌握3.7機器視覺在機器人上的應用案例了解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握常見傳感器的工作原理與特點，理解機器人的視覺感知技術及其圖像處理方法，了解機器視覺在機器人上的應用案例。第四章機器人的底層控制學時數：4教學目標：掌握機器人電動機的選擇與慣量計算、運動控制與PID及其相關參數設定，理解并掌握典型驅動PWM與底層控制設計過程。教學重點和難點：電動機的選擇與慣量計算、運動控制與PID及其相關參數設定。主要教學內容及要求：4.1電動機的選擇與慣量計算熟練掌握4.2典型驅動PWM熟練掌握4.3控制系統的基本原理與組成熟練掌握4.4運動控制與PID熟練掌握4.5智能PID參數整定熟練掌握4.6其他常見的控制算法理解4.7機器人底層控制設計實例理解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人的底層控制理論知識，掌握機器人的驅動控制、運動控制及其相關參數設定，理解機器人底層控制設計過程。第五章機器人位置運動學學時數：4教學目標：理解機器人的數理基礎知識與運動方程，掌握多自由度機器人在空間的運動表示以及用D-H表示法導出正逆運動學方程的過程。教學重點和難點：機器人運動學方程的建立、機器人的正向、逆向運動學及其求解方法。主要教學內容及要求：5.1機器人的自由度了解5.2機器人的空間描述與坐標轉換理解5.3運動學建模熟練掌握5.4機器人位置與姿態的表示理解5.5機器人運動學方程的建立熟練掌握5.6機器人的正向運動學及其求解方法熟練掌握5.7機器人的逆向運動學及其求解方法熟練掌握5.8六自由度機械臂運動分析實例理解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人位置運動學的基本概念與工作原理，理解正向、逆向運動學。第六章機器人的路徑規劃學時數：2教學目標：掌握機器人路徑規劃方法及其原理、運動路徑規劃設計過程。教學重點和難點：關節空間的軌跡規劃、直角坐標空間的軌跡規劃。主要教學內容及要求：6.1機器人的路徑規劃方法及其原理掌握6.2智能規劃熟練掌握6.3關節空間的軌跡規劃熟練掌握6.4直角坐標空間的軌跡規劃熟練掌握6.5軌跡插補與運動控制技術熟練掌握教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人路徑規劃的理論知識，掌握機器人兩種空間路徑規劃過程。第七章機器人的上層控制學時數：4教學目標：了解機器人操作系統的概述與編程開發環境、語言類型，掌握機器人的建模方法與算法部署，掌握使用仿真軟件進行嵌入式機器人的程序設計分析過程。教學重點和難點：機器人操作系統的使用、仿真軟件的使用與嵌入式機器人的設計。主要教學內容及要求：7.1機器人操作系統概述與使用熟練掌握7.2編程語言類型與開發環境理解7.3機器人語言系統的結構與基本功能熟練掌握7.4機器人的算法部署熟練掌握7.5機器人建模方法熟練掌握7.6機器人的仿真工具與軟件熟練掌握7.7嵌入式機器人的程序設計分析案例理解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人上層控制的工作原理，掌握使用編程軟件和仿真軟件進行嵌入式機器人的程序設計分析過程。第八章發展與展望學時數：2教學目標：了解機器人與控制技術的發展與展望，理解機器人的應用舉例，了解機器人的社會需求與面臨的問題。教學重點和難點：機器人的應用舉例與展望。主要教學內容及要求：8.1機器人的發展與展望了解8.2機器人的應用舉例與展望理解8.3機器人控制技術的發展了解8.4機器人面臨的社會需求與社會問題了解教學組織與實施：本章以課程教學為主，結合實例完成課程教學任務。在課堂教學中，通過講授、提問、討論、演示等教學方法和手段讓學生掌握機器人與控制技術的發展與展望。五、實驗教學內容及學時分配（6學時）（無實驗的課程該項不列，序號順延）（一）實驗課程簡介《機器人與控制技術》實驗課程旨在通過實踐操作和項目設計，讓學生親身體驗機器人與控制技術的應用和實踐，培養學生的實踐操作能力和問題解決能力。該實驗課程通常是《機器人與控制技術》理論課程的延伸和實踐環節，通過實驗操作，學生可以鞏固和應用在理論課程中學到的知識，并掌握機器人與控制技術的實際應用技能。結合講授和案例分析，本課程開展農業機器人相關的試驗操作與項目設計，讓學生親自動手操作和實踐，培養他們的實踐能力和問題解決能力。通過小組討論和合作學習促進學生之間的交流和合作，分享經驗和思路，共同解決問題。（二）實驗教學目的和基本要求試驗教學主要培養學生獨立進行機器人系統組裝、調試和控制程序編寫的能力。通過實驗和項目設計，學生能夠獲得實際操作機器人系統的經驗，掌握機器人的實際應用和工程實施能力。（三）實驗安全操作規范在《機器人與控制技術》課程中進行實驗時，需要遵守以下實驗安全操作規范：1）熟悉實驗室規章制度：了解實驗室的安全規定和操作流程，包括實驗室的入口、緊急出口、安全設備等信息。熟悉實驗室的緊急處理程序，如火警、泄漏等突發情況的應急措施。2）穿戴適當的個人防護裝備：在實驗室內必須佩戴適當的個人防護裝備，如實驗服、實驗手套、護目鏡等，以保護自己的安全。3）使用合適的實驗設備和工具：使用經過檢查和維護的實驗設備和工具，確保其正常運行和安全使用。禁止使用損壞或有缺陷的設備和工具。4）遵循實驗操作步驟：嚴格按照實驗操作指南或教師指導的操作步驟進行實驗。注意操作順序、時間和條件，確保安全和準確性。5）控制電氣設備和電源的安全：在實驗過程中，避免觸碰裸露的電線和電源插座。使用絕緣工具和設備，確保電氣設備的接線正確并遵循電氣安全規范。6）實驗結束后的安全措施：清理實驗現場，將實驗設備和材料歸位并妥善保管。關閉電源和設備，確保實驗室處于安全狀態。（四）實驗項目名稱與學時分配序號實驗名稱學時類型實驗要求每組人數04021192＋01農業機器人的路徑規劃實驗2基礎性必做604021192＋02視覺感知算法設計與測試2設計性必做604021192＋03農業機器人的控制系統設計實驗2綜合性必做6（五）實驗方式及基本要求《機器人與控制技術》實驗課程的試驗方式可以采用以下幾種形式：1）實物實驗：使用真實的機器人平臺進行實驗操作。學生需要進行機器人的搭建、編程、調試和測試，以完成特定的任務或達到預定的目標。2）仿真實驗：利用機器人仿真軟件進行虛擬實驗。學生可以通過虛擬環境進行機器人的建模、控制算法的設計與實現，以及性能評估。學生需完成并提交以下試驗要求，具體如下：1）實驗報告：學生需要撰寫實驗報告，詳細描述實驗的目的、方法、結果和分析。報告應包含必要的圖表、圖像和數據，以展示實驗過程和結果。2）實驗操作：學生需要按照實驗要求進行實驗操作，包括機器人的搭建、編程和調試。他們應該能夠獨立操作所需的硬件設備和軟件工具。3）數據分析與評估：學生需要對實驗數據進行分析和評估，以驗證實驗結果是否符合預期。他們應該能夠使用合適的統計方法和工具，對實驗結果進行量化和定性分析。（六）實驗內容安排【實驗一】農業機器人的路徑規劃實驗1.實驗學時：2學時2.實驗目的：理解農業機器人路徑規劃的基本原理和算法。掌握農業機器人路徑規劃實驗的設計和實施方法。了解農業機器人路徑規劃在實際農業應用中的潛在優勢和挑戰。3.實驗內容：1）選擇一種路徑規劃算法以實現農業機器人的自主路徑規劃。2）設計合適的實驗場景，模擬農田或溫室環境，包括土地布局、障礙物等。3）使用農業機器人平臺進行實驗操作，包括傳感器數據采集、路徑規劃算法的實現和執行機構的控制。4）進行路徑規劃實驗，評估農業機器人在特定環境下的路徑規劃性能，如路徑長度、執行時間、避障能力等。5）分析實驗結果，并討論優化路徑規劃算法的可能性。4.實驗要求：理解農業機器人的基本原理和路徑規劃算法。能夠獨立設計和實施農業機器人路徑規劃實驗。具備基本的編程和控制能力，能夠編寫和調試路徑規劃算法的代碼。具備數據分析和結果評估能力，能夠對實驗結果進行定量和定性分析。5.實驗設備及器材：農業機器人平臺：可選擇市場上已有的農業機器人平臺，或自行搭建農業機器人實驗平臺。傳感器：例如激光雷達、攝像頭、超聲波傳感器等，用于獲取環境信息。控制系統：包括主控單元、執行機構和傳感器接口等，用于實現路徑規劃算法的執行和機器人的控制。計算機：用于編程、數據采集和實驗控制【實驗二】視覺感知算法設計與測試1.實驗學時：2學時2.實驗目的：理解視覺感知算法在機器人技術中的重要性和應用。學習設計和實現基于視覺感知的算法，以實現機器人對環境和對象的感知和識別。掌握視覺感知算法測試和評估的方法和技巧。了解視覺感知算法在實際應用中的挑戰和潛在優勢。3.實驗內容：1）自選農業作物及所處的實驗場景和任務，使用常用的視覺感知算法，如圖像處理、目標檢測與識別等。具體包括圖像采集、預處理、特征提取、模型訓練等。2）進行實驗測試和評估，比較不同算法的性能，如準確率、召回率、處理速度等。3）分析實驗結果，討論算法的優化和改進方向。4.實驗要求：理解視覺感知算法的基本原理和常見應用。具備基本的圖像處理和計算機視覺知識。能夠獨立設計和實施視覺感知算法的實驗。具備編程和模型訓練的能力，能夠實現和調試視覺感知算法的代碼。具備數據分析和結果評估能力，能夠對實驗結果進行定量和定性分析。5.實驗設備及器材：攝像設備：例如攝像頭、RGB-D相機等，用于圖像或深度數據的采集。計算機：用于算法實現、數據處理和實驗控制。圖像處理軟件：例如OpenCV、Matlab等，用于圖像預處理和特征提取。深度學習框架：例如TensorFlow、PyTorch等，用于模型訓練和推斷。數據集：包含用于訓練和測試的圖像或視頻數據集，可以使用公開可用的數據集或自行采集。【實驗三】農業機器人的控制系統設計實驗1.實驗學時：2學時2.實驗目的：理解農業機器人控制系統的基本原理和要求。學習設計和實現農業機器人控制系統的方法和技巧。掌握農業機器人控制系統的測試和評估方法。了解農業機器人控制系統在實際農業應用中的潛在優勢和挑戰。3.實驗內容：1）研究農業機器人控制系統的組成和工作原理，包括傳感器、執行機構和控制算法等。2）設計合適的實驗任務和場景，例如農田作業、種植管理、農藥噴灑等。3）使用合適的控制算法進行實驗操作，包括傳感器數據采集、決策和執行機構控制。4）進行實驗測試和評估，比較不同控制算法的性能，如精度、魯棒性、執行效率等。5）分析實驗結果，討論控制系統的優化和改進方向。4.實驗要求：理解農業機器人的基本原理和控制系統的要求。具備基本的控制理論和算法知識。能夠獨立設計和實施農業機器人控制系統的實驗。具備編程和控制器調試的能力，能夠實現和調優控制算法。具備數據分析和結果評估能力，能夠對實驗結果進行定量和定性分析。5.實驗設備及器材：農業機器人平臺：可選擇市場上已有的農業機器人平臺，或自行搭建農業機器人實驗平臺。傳感器：例如激光雷達、攝像頭、超聲波傳感器等，用于獲取環境信息。執行機構：例如電機、液壓裝置等，用于執行農業機器人的操作任務。控制器：包括主控單元、執行器驅動等，用于實現控制算法的執行和機器人的控制。計算機：用于編程、數據采集和實驗控制。(七)考核方式及成績評定《機器人與控制技術》課程的實驗教學部分要求學生完成3個具體的實驗任務，并編寫實驗報告。實驗報告應包含實驗題目、實驗目的、實驗步驟、實驗結果以及相應的圖表展示等。學生需要準確記錄實驗數據，清晰描述實驗步驟，并進行數據分析和結論提出。通過該實驗教學培養學生的實踐能力、科學精神和團隊合作能力，提高他們在機器人領域的實際操作和問題解決能力。實驗報告的質量將作為實驗考核的主要依據，評估學生的實驗操作技能、數據分析能力和科學規范意識。實驗課程的評定成績占總課程成績的15%。六、課程思政在《機器人與控制技術》課程中，思政教育可以通過多個方面融入。首先，通過講解國家政策和行業規范，加強學生對國家科技發展和機器人產業的認同感，培養他們對國家的熱愛和責任感。其次，深入了解機器人在社會經濟發展、醫療護理、教育等方面的重要作用，引導學生思考如何運用機器人技術為社會發展和人民福祉做出貢獻，培養學生的社會責任感和創新意識。此外，通過介紹機器人的應用案例，讓學生了解和欣賞不同領域的發展和成就，培養跨學科的綜合素養和國際視野。同時，講授相關法律法規和倫理準則，引導學生遵守倫理規范，提高法治意識和道德素養。通過倫理討論和案例分析，引導學生思考機器人技術的道德問題和社會影響