農業機器人技術與系統（AgriculturalRoboticsTechnologyandSystems）課程基本信息課程編號：04021182h課程總學時：32實驗學時：0學時課程性質：必修課程屬性：專業類開設學期：第6學期適用專業：農業智能裝備工程，農業機械化及其自動化，農業電氣化與自動化對先修的要求：基礎數學知識、電子電路與電子技術、機械工程基礎、計算機科學基礎、農業知識背景對后續的支撐：通過學習農業機器人技術與系統，掌握數據采集、處理和分析的方法，利用農業機器人技術提供的大數據和智能分析方法，進行農業產量預測、病蟲害風險評估、農業資源優化配置等方面的工作。一、課程的教學理念、性質、目標和任務本課程為專業必修課、核心課。農業機器人技術與系統課程的教學理念是將先進的機器人技術與農業相結合，促進農業生產的自動化和智能化。通過理論與實踐相結合的教學方法，培養學生的創新能力和解決實際問題的能力，以應對農業現代化的需求和挑戰。它涵蓋了機器人技術、傳感器技術、控制技術、圖像處理、數據分析等多個學科領域，旨在培養學生在農業機械化和智能化方面的專業知識和技能。目標是使學生掌握農業機器人技術的基本原理、關鍵技術和應用方法，能夠設計、開發和應用農業機器人系統解決實際農業生產中的問題。同時，培養學生具備團隊合作、創新思維和實踐能力，能夠適應農業現代化發展的需求。學習農業機器人技術與系統的基本理論和知識，包括機器人感知、控制、導航、路徑規劃等方面的內容。掌握農業機器人的設計和開發方法，學習機器人與傳感器、操控系統的結合，能夠應用于實際農業生產中。進行實驗和實習，培養學生的實踐操作能力，包括機器人控制、傳感器應用、數據采集與分析等方面的訓練。通過課程設計和項目實踐，激發學生的創新思維，培養解決農業問題的能力，提高學生的創新創業能力。培養學生的溝通和團隊合作能力，通過項目匯報和學術交流，提升學生的表達能力和合作精神。二、課程教學的基本要求理論知識方面：學生需要掌握機器人的基本概念、分類、結構和工作原理等基礎知識。學生應該熟悉各種傳感器的原理、工作方式和應用場景。學生需要了解機器人的控制方法和技術，包括運動控制、軌跡規劃、PID控制、自適應控制等。學生應該了解人工智能和機器學習在農業機器人技術中的應用。學生需要具備一定的農業工程知識，包括農業生產流程、農田環境特點、作物生長規律等。實驗技能方面：學生需要具備基本的機器人操作技能，包括機器人的啟動、停止、運動控制和程序編寫等，學生需要掌握各種傳感器的使用方法和應用技巧，學生應具備機器人程序編寫和調試的能力，學生需要具備機器視覺技術的實驗技能，除了實驗技能，學生還應具備將機器人技術應用于實際農業場景的能力。三、課程的教學設計1.教學設計說明教學目標：明確課程的教學目標，例如培養學生對農業機器人技術與系統的基本理論和應用的深入理解，提高學生的實驗技能和解決問題的能力，培養學生的創新思維和團隊合作能力等。教學內容：設計合適的教學內容，包括機器人技術與系統的基本原理、農業機器人的感知與控制、農業機器人的路徑規劃與導航、農業機器人的應用案例等。內容應結合最新的研究進展和實際應用，涵蓋不同的農業機器人技術和系統。教學方法：選擇適合的教學方法，包括講授、實驗、案例分析、小組討論、項目實踐等。通過理論講解、實驗操作、案例分析等方式，促進學生的主動學習和實踐能力的培養。教學資源：準備必要的教學資源，包括教材、教具、實驗設備和軟件等。確保學生能夠充分利用這些資源進行學習和實驗。實踐環節：安排實踐環節，讓學生親自參與到實際的農業機器人技術與系統的設計、開發和應用中?？梢越M織實驗課程、實習項目、實地考察等實踐活動，讓學生實際操作和應用所學知識。評估方式：設計合適的評估方式，包括課堂測驗、實驗報告、項目評估等。通過不同形式的評估，評估學生對理論知識的掌握程度、實驗技能的運用能力和問題解決能力。反饋與改進：及時收集學生的反饋意見，針對教學設計進行改進和優化。可以通過課程評估、教師與學生的交流等方式，了解學生的學習體驗和教學效果，并根據反饋意見進行相應調整。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：通過課程學習，掌握農業機器人技術與系統的基本原理和相關理論知識，包括機器人感知與控制、路徑規劃與導航、農業機器人應用等。理解機器人技術的工作原理和關鍵技術，并能夠將這些理論知識應用于農業機器人系統的設計和開發。12目標2：掌握農業機器人的操作和調試技能，了解傳感器的使用和校準，掌握機器人的編程和控制方法，并能夠進行機器人的實驗設計、數據采集和分析。為學生日后從事農業機器人相關工作提供必要的基礎。23目標3：過課程設計中的案例分析、項目實踐等活動，學生將學會應用所學知識和技能，識別和解決農業機器人系統中的問題。培養創新思維和團隊合作能力，能夠靈活應對不同的工作挑戰。34目標4：他們應具備將機器人技術與農業生產相結合的能力，能夠針對農業生產的具體需求，設計和開發農業機器人系統，并解決實際農業生產中的問題。這將為他們畢業后就業或從事相關研究工作提供支撐。4四、理論教學內容及學時分配（32學時）緒論學時數：2教學目的：通過講授和介紹國內外農業機械人的發展的現狀與發展趨勢，熟悉農業機械人的定義、范圍、作用及特點。教學重點和難點：本章的重點是國外農業機械的發展。主要教學內容及要求：了解農業機械人的定義、范圍及作業特點及智能農機的發展現狀和趨勢。第一章農業機器人的機械結構學時數：6第一節農業機器人的機身結構3學時第二節農業機器人的執行機構3學時教學目標：了解機器人的機械結構的基本原理和組成要素，掌握農業機器人機械結構的設計原則和方法。教學重點和難點：重點講解機器人的關節、連桿、驅動器等組成部分的功能和特點，以及它們之間的關系和協調。難點在于理解機械結構與其他子系統（如感知、控制）之間的協調與配合，以確保機器人的運動和功能的有效實現。主要教學內容及要求：了解：能夠描述機器人的機械結構基本概念和組成要素。理解：能夠解釋機器人機械結構的工作原理和基本原則。掌握：能夠應用機械結構設計方法和工具進行簡單的機器人機械結構設計。熟練掌握：能夠分析和評估不同類型機器人機械結構的性能和優化方法，并進行復雜機器人的機械結構設計和優化。教學組織與實施：利用音視頻多媒體的優勢，以豐富的多媒體信息刺激學生的各種感知器官，突破教學重點、難點，從而優化教學過程，提高教學質量和效率。借助網絡教室開展教學活動，充分發揮網絡的資源共享、交流合作功能，利用網絡資源的豐富性和共享性，支持學生的自主學習。利用網絡的交流功能，組織討論與合作等學習活動。第二章農業機器人的傳感器學時數：6第一節外部傳感器2學時第二節內部傳感器2學時第三節多傳感器信息融合現狀2學時教學目標：了解傳感器的基本概念和原理，掌握傳感器的工作原理和技術特點。教學重點和難點：重點講解傳感器的選型原則和布置方法，包括根據作物和環境條件選擇合適的傳感器，以及合理布置傳感器以收集有效的農業數據。難點在于傳感器的工作原理涉及到一些物理和工程知識，對學生來說可能比較抽象和難以理解。教師需要通過生動的例子和實際案例來幫助學生理解傳感器原理，并引導學生將其應用到農業場景中。主要教學內容及要求：了解：了解傳感器的基本概念和作用。理解：理解傳感器的工作原理和技術特點。掌握：掌握傳感器數據的采集方法，能夠獨立進行傳感器與數據采集系統的連接和配置。熟練掌握：熟練掌握傳感器選型和布置的策略，能夠根據復雜的農業場景進行傳感器的選擇和布置。教學組織與實施：利用音視頻多媒體的優勢，以豐富的多媒體信息刺激學生的各種感知器官，突破教學重點、難點，從而優化教學過程，提高教學質量和效率。借助網絡教室開展教學活動，充分發揮網絡的資源共享、交流合作功能，利用網絡資源的豐富性和共享性，支持學生的自主學習。利用網絡的交流功能，組織討論與合作等學習活動。第三章農業機器人的控制系統學時數：6第一節農業機器人的運動控制3學時第二節農業機器人執行機構的控制3學時教學目標：了解控制系統在工程和科學領域中的應用和重要性，并了解不同類型的控制系統教學重點和難點：重點講解控制系統的基本原理，包括反饋控制原理、傳遞函數、閉環控制和開環控制等。學生需要理解這些基本概念的含義和作用。難點在于實際將控制系統應用到實際工程中涉及到硬件和軟件的實現和調試。學生需要掌握相關的技術和工具，同時學會解決實際中遇到的問題和調試控制系統。主要教學內容及要求：了解：了解控制系統的基本原理，包括反饋控制原理和閉環控制與開環控制的區別。理解：理解控制系統的數學模型，包括傳遞函數和狀態空間模型的表示方法。掌握：掌握控制系統的設計方法，包括經典控制和現代控制方法的基本原理和應用。熟練掌握：熟練掌握控制系統的數學模型建立和穩定性分析方法，能夠應用于復雜的系統分析和設計。教學組織與實施：利用音視頻多媒體的優勢，以豐富的多媒體信息刺激學生的各種感知器官，突破教學重點、難點，從而優化教學過程，提高教學質量和效率。借助網絡教室開展教學活動，充分發揮網絡的資源共享、交流合作功能，利用網絡資源的豐富性和共享性，支持學生的自主學習。利用網絡的交流功能，組織討論與合作等學習活動。第四章農業機器人導航技術學時數：6第一節農機自主導航技術2學時第二節農田路徑規劃與避障方法2學時第三節導航路徑跟蹤控制方法2學時教學目標：了解農業機器人自動導航的定義、意義和應用領域，并了解導航系統的基本原理和組成部分。教學重點和難點：農業機器人自動導航所涉及的傳感器技術，包括GPS定位、慣性導航系統、激光雷達、攝像頭等。傳感器數據的采集、處理和融合方法。難點在于農業機器人的導航路徑規劃和運動控制算法需要考慮環境特點、障礙物避讓、平穩運動等因素，這對學生的算法設計和控制理論掌握能力提出了挑戰。主要教學內容及要求：了解：了解農業機器人自動導航的基本概念和原理，包括導航系統的組成和作用。理解：理解農業機器人自動導航技術的原理和方法，包括傳感器數據獲取、環境感知、路徑規劃和運動控制等方面的基本原理。掌握：掌握常用的農業機器人自動導航算法和技術，能夠根據不同的環境和任務要求進行路徑規劃、障礙物避障和運動控制等操作。熟練掌握：熟練掌握農業機器人自動導航技術的原理和方法，能夠分析和解決復雜的導航問題。教學組織與實施：利用音視頻多媒體的優勢，以豐富的多媒體信息刺激學生的各種感知器官，突破教學重點、難點，從而優化教學過程，提高教學質量和效率。借助網絡教室開展教學活動，充分發揮網絡的資源共享、交流合作功能，利用網絡資源的豐富性和共享性，支持學生的自主學習。利用網絡的交流功能，組織討論與合作等學習活動。第五章典型農業機器人系統學時數：6第一節無人拖拉機2學時第二節自走式植保機器人2學時第三節自走式采摘機器人2學時教學目標：了解農業機器人技術應用歷程與發展趨勢；掌握農業機器人作業的概念和特點；理解農業機器人的具體特點和工作對象。使學生掌握典型農業機器人系統的系統組成、各組成之間的接口；重點掌握無人拖拉機、自走式植保機器人和自走式采摘機器人的工作原理和參數指標。教學重點和難點：農業機器人的具體特點和工作對象，無人拖拉機、自走式植保機器人和自走式采摘機器人系統各部分的工作原理，系統工作原理，參數指標體系。主要教學內容及要求：了解：無人拖拉機的導航技術、傳感器配置、控制系統的接口。理解：自走式機器人底盤結構及適應環境，運動平臺的控制方法。掌握：典型農業機器人系統的指標體系，設計約束條件及內在邏輯等。熟練掌握：無人拖拉機、自走式植保機器人和自走式采摘機器人的工作原理和作業參數。教學組織與實施：利用音視頻多媒體的優勢，以豐富的多媒體信息刺激學生的各種感知器官，突破教學重點、難點，從而優化教學過程，提高教學質量和效率。借助網絡教室開展教學活動，充分發揮網絡的資源共享、交流合作功能，利用網絡資源的豐富性和共享性，支持學生的自主學習。利用網絡的交流功能，組織討論與合作等學習活動。六、課程思政通過課程教學，培養學生對國家和農業事業的熱愛，引導學生深入了解國家農業發展的重要性和現代化農業建設的重要意義。鼓勵學生勇于創新、追求卓越，培養學生對新技術、新方法的熱情和探索精神，激發學生在農業機器人技術與系統領域的創新思維和創業意識。通過案例分析和討論，引導學生關注農業可持續發展和農村地區的現實問題，培養學生對農業機器人技術與系統在農村發展中的社會責任感，引導學生思考如何將技術應用于解決社會問題。通過項目實踐和小組討論等形式，培養學生的團隊合作精神和合作能力，引導學生學會與他人合作、溝通和協調，為學生今后從事團隊工作奠定基礎。強調農業機器人技術與系統領域的職業道德和職業操守，教育學生遵守法律法規，注重職業道德和職業倫理，強調科學、嚴謹、誠信的工作態度。七、教材及教學參考書1.選用教材：（1）理論課教材：農業機器人技術與應用，楊自棟，雷良育編著，中國林業出版社，2020年。（2）實驗課教材：無。（3）實習指導書：農業機器人技術與系統實習指導書，自編。2.參考書：（1）生物生產機器人.徐麗明編著.中國農業大學出版社,2009年（2）生物生產系統機器人.趙學篤.機械工業出版社,1987年（3）機器人概論.李云江.機械工業出版社,2011年（4）現代機器人學.仿生系統的運動感知與控制.郭巧.北京理工大學出版社,1999年3.推薦網站（線上資源）：（1）河南農業大學，網址：51/ap