《智能机器人创新设计》教学大纲

《智能机器人创新设计》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22179002课程性质：专业创新选修课学分：2学分学时：32学时（实验32学时）先修课程：机器人工程学、机器人检测技术与传感器、机器人竞赛与实训等后续课程：机器人操作系统、机器人综合创新与应用等适用专业：机械电子工程开课单位：智能工程学院一、课程说明《智能机器人创新设计》是机械电子工程专业的专业创新选修课，是一门多学科综合交叉的课程，涉及电子学、控制理论、传感检测、计算机技术和人机工程等相关知识与内容。本课程主要以移动机器人为对象，使学生掌握移动机器人的空间建图与定位方法，培养学生对机器人控制技术、电子信息技术、SLAM技术等知识的综合应用能力，提升学生的创新思维、创新设计能力。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握移动机器人操作系统ROS的环境搭建方法及三维数字化建模、机器人驱动与控制、机器人通信、机器人传感器、机器人常用算法等内容知识和实践技能。课程目标2：掌握移动机器人激光、视觉SLAM设计与制作、联合调试、创新方法等实践步骤与方法。课程目标3：引导学生利用科学辩证法看待和解决问题，具有团队协作、创新设计、人际交流等能力，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生“精湛匠技、智慧匠心、智能匠才”精神与职业素养，树立正确的劳动观念，形成良好的劳动习惯，具有劳动精神和劳动能力。三、课程目标与毕业要求《智能机器人创新设计》课程教学目标对机械电子工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度3.设计/开发解决方案：能够针对机器人工程领域复杂工程问题设计解决方案，设计机器人工程中满足特定需求的硬件部件、智能算法、系统集成应用，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、环境、健康、安全、法律、文化等因素。3.3能够综合考虑社会、环境、健康、安全、法律、文化等因素，分析评价机器人工程设计方案。课程目标1：掌握移动机器人操作系统ROS的环境搭建方法及三维数字化建模、机器人驱动与控制、机器人通信、机器人传感器、机器人常用算法等内容知识和实践技能。H9.个人和团队：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角色。9.1能够主动与其他成员开展合作，倾听他人意见，能够在团队中承担个人角色。课程目标3：引导学生利用科学辩证法看待和解决问题，具有团队协作、创新设计、人际交流等能力，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生“精湛匠技、智慧匠心、智能匠才”精神与职业素养，树立正确的劳动观念，形成良好的劳动习惯，具有劳动精神和劳动能力。M11.项目管理：理解并掌握工程管理原理和经济决策方法，并能在多学科环境中应用。11.2能够在多学科背景下，合理应用工程管理原理与经济决策方法。课程目标2：掌握移动机器人激光、视觉SLAM设计与制作、联合调试、创新方法等实践步骤与方法。课程目标3：引导学生利用科学辩证法看待和解决问题，具有团队协作、创新设计、人际交流等能力，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生“精湛匠技、智慧匠心、智能匠才”精神与职业素养，树立正确的劳动观念，形成良好的劳动习惯，具有劳动精神和劳动能力。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表2实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.智能移动机器人环境搭建与配置实验内容：虚拟机安装ubuntu和ROS；在树莓派上配置ubuntu和ROS；SSH远程登录；开机执行脚本。实验要求：使学生掌握windows环境下虚拟机安装ubuntu和ROS的步骤；掌握树莓派镜像烧录，配置Ubuntu以及ROS安装；掌握虚拟机系统远程SSH登录树莓派系统的网络设置方法；掌握开机执行脚本的撰写方法。412.智能移动机器人编程及调试实验内容：2.1C++编程与控制；Python编程与控制；ROS源码解析；ROS-APP调试方法。实验要求：使学生掌握C++编程与控制；掌握Python编程与控制；熟悉并掌握智能移动机器人ROS源码调试；掌握ROS-APP调试方法。413.智能移动机器人运动底盘开发实验内容：主板原理图解析；STM32底层源码解析；如何把ROS与STM32联系起来。实验要求：使学生掌握智能移动机器人主板原理图分析方法；熟练掌握STM32底层源码调试步骤；掌握ROS与STM32通信方法。414.激光雷达gmapping建图与导航实验内容：激光雷达工作原理；gmapping工作原理；gmapping建图方法。实验要求：理解并掌握gmapping工作原理，熟练掌握gmapping建图方法和步骤。425.hector-slam与cartographer建图与导航实验内容：hector-slam工作原理；hector-slam建图方法；cartographer工作原理；cartographer建图方法。实验要求：使学生理解并掌握hector-slam、cartographer工作原理，熟练掌握hector-slam、cartographer建图方法和步骤，掌握gmapping、hector-slam和cartographer建图方法区别。426.rgbd视觉SLAM建图与导航实验内容：rgbd摄像头工作原理；rgbdslam功能包工作原理；rgbdslam建图方法。实验要求：使学生理解并掌握rgbd摄像头工作原理，熟练掌握rgbdslam功能包建图方法和步骤。427.ORB单目视觉SLAM建图与导航实验内容：ORB_SLAM功能包原理；使用数据包实现ORB_SLAM；使用摄像头实现ORB_SLAM。实验要求：理解并掌握ORB_SLAM功能包工作原理，熟练掌握ORB_SLAM功能包建图方法和步骤。428.导航功能包综合应用实验内容：move_base功能包工作原理；amcl功能包工作原理；在rviz中实现真实机器人激光雷达与rgbd摄像头同步导航。教学要求：使学生掌握move_base、amcl功能包的工作原理；掌握机器人视觉+雷达同步建图与导航方法与步骤。43合计8五、教学方法及手段本课程以实验教学为主，结合讨论、案例、视频资源共享、讲授等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用设备；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。学生比较全面地理解智能机器人SLAM自主导航的基本原理，在掌握机器人操作系统操作及编程的基础上，具有进行智能机器人自主导航方案设计的初步能力。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。六、课程资源1.教材：（1）何苗.《机器人操作系统基础》[M].北京：机械工业出版社，2022年．2.参考书：（1）赵建伟.《机器人系统设计及其应用技术》[M].北京：清华大学出版社,2017年.（2）高翔.《视觉SLAM十四讲从理论到实践》[M].北京：电子工业出版社,2017年.（3）兰廷•约瑟夫（曾庆喜，朱德龙）.《机器人操作系统（ROS）入门必备》[M].北京：机械工业出版社,2020年.（4）MARTINEZA,FERNANDEZEE.LearningROSforroboticsprogramming[M].Birmingham:PacktPublishing，2013年.（5）胡春旭.《ROS机器人开发实践》[M].北京：机械工业出版社,2018年．3.期刊：（1）ESTEFOP,SIMMONDSJ,ROBBESR,etal.Therobotoperatingsystem:Packagereuseandcommunitydynamics[J].JournalofSystemsandSoftware,2019,151(1):226-242.（2）CUANW,CHENS,WENS,etal,High-accuracyrobotindoorlocalizationschemebasedonrobotoperatingsystemusingvisiblelightpositioning[J].IEEEPhotonicsJournal,2020,12(2):1-16.（3）TSOLAKISN,BECHTSISD,BOCHTISD.AgROS:Arobotoperatingsystembasedemulationtoolforagriculturalrobotics[J].Agronomy,2019,9(7):403-423.（4）JIANGZ,GONGY,ZHAIJ,etal.Messagepassingoptimizationinrobotoperatingsystem[J].Inter8tionalJournalofParallelProgramming,2020,8(1):119-136.（5）宫志强徐世许王鹏程.基于ROS的巡检机器人系统设计与研究[ J].自动化与仪表.2022,37(04).4.网络资源：（1）古月居.ROS探索总结[EB/0L].[2020-06-11].https://blog.csdn.net/hcx25909/category9261493.html.（2）cn-ROSWiki./cn.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表3课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442线上学习20（1）主要考核学生通过线上视频学习、章节学习次数的程度；（2）每次线上学习单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以线上学习成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√1010线下实操40（1）根据每个实操任务的操作完成情况单独评分，满分100分；（2）每次实操单独评分，取各次实操成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实操成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√10255期末考核30（1）以小组为单位，根据教师提供综合答辩方案和规则，制定作品方案和程序编制等工作，并进行初步的方案答辩。（2）每组进行综合答辩汇报，根据任务完成情况评定成绩，满分100分，其中团队协作分工25分，任务完成65分，作品完整度5分，应变能力5分。（3）以答辩成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√10155合计：100分345412八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、线上学习、线下实操、综合答辩汇报等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由过程性考核成绩和综合答辩汇报成绩构成。其中：课堂表现、线上学习成绩（课程视频学习、章节学习次数）、线下实操成绩等过程性成绩为100分（权重70%）；综合答辩汇报成绩为100分（权重30%），主要分为团队协作分工、任务完成度、作品完整度和应变能力；过程性考核和综合答辩汇报分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表4过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现14.2笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，上课不记笔记，偶尔参与教学活动。上课不认真，上课不记笔记，不参与教学活动。线上学习28.4作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80%，字迹工整。不交作业2次以内，准确率大于70%.不交作业4次以内，准确率大于60%.不交作业5次以上，准确率小于60%。线下实操57.4实验预习认真，能够熟练掌握方法与步骤，实验操作过程熟练、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果详实、结论清晰、讨论合理实验前有预习，能够掌握方法与步骤，实验操作过程正确、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果正确、讨论适当实验前有预习，基本能够掌握方法与步骤，实验操作过程基本正确、无协作，实验结果基本正确，讨论一般实验前有预习，不能掌握方法与步骤，实验操作过程基本正确，无协作，实验结果基本正确，无讨论没有预习，不能完成实验；实验操作步骤有误；实验结果不正确，没有分析讨论。3.考试评分标准本课程中在学习过程中安排包含（环境搭建、topic（话题）、XACRO（机器人仿真模型）、Gazebo（仿真环境搭建）、传感器（摄像头、雷达）设计、SLAM（自动建图）、导航综合（LEO机器人自动建图导航）等8个过程性项目，把学生分为8个小组，以组为单位，相互协作，在老师讲解演示的基础上，独立完成相关任务，并自己编写操作说明，并在虚拟机中完成程序的实现