《农业机器人技术与系统》课程教学大纲

农业机器人技术与系统（AgriculturalRoboticsTechnologyandSystems）课程基本信息课程编号：04021182h课程总学时：32实验学时：0学时课程性质：必修课程属性：专业类开设学期：第6学期适用专业：农业智能装备工程，农业机械化及其自动化，农业电气化与自动化对先修的要求：基础数学知识、电子电路与电子技术、机械工程基础、计算机科学基础、农业知识背景对后续的支撑：通过学习农业机器人技术与系统，掌握数据采集、处理和分析的方法，利用农业机器人技术提供的大数据和智能分析方法，进行农业产量预测、病虫害风险评估、农业资源优化配置等方面的工作。一、课程的教学理念、性质、目标和任务本课程为专业必修课、核心课。农业机器人技术与系统课程的教学理念是将先进的机器人技术与农业相结合，促进农业生产的自动化和智能化。通过理论与实践相结合的教学方法，培养学生的创新能力和解决实际问题的能力，以应对农业现代化的需求和挑战。它涵盖了机器人技术、传感器技术、控制技术、图像处理、数据分析等多个学科领域，旨在培养学生在农业机械化和智能化方面的专业知识和技能。目标是使学生掌握农业机器人技术的基本原理、关键技术和应用方法，能够设计、开发和应用农业机器人系统解决实际农业生产中的问题。同时，培养学生具备团队合作、创新思维和实践能力，能够适应农业现代化发展的需求。学习农业机器人技术与系统的基本理论和知识，包括机器人感知、控制、导航、路径规划等方面的内容。掌握农业机器人的设计和开发方法，学习机器人与传感器、操控系统的结合，能够应用于实际农业生产中。进行实验和实习，培养学生的实践操作能力，包括机器人控制、传感器应用、数据采集与分析等方面的训练。通过课程设计和项目实践，激发学生的创新思维，培养解决农业问题的能力，提高学生的创新创业能力。培养学生的沟通和团队合作能力，通过项目汇报和学术交流，提升学生的表达能力和合作精神。二、课程教学的基本要求理论知识方面：学生需要掌握机器人的基本概念、分类、结构和工作原理等基础知识。学生应该熟悉各种传感器的原理、工作方式和应用场景。学生需要了解机器人的控制方法和技术，包括运动控制、轨迹规划、PID控制、自适应控制等。学生应该了解人工智能和机器学习在农业机器人技术中的应用。学生需要具备一定的农业工程知识，包括农业生产流程、农田环境特点、作物生长规律等。实验技能方面：学生需要具备基本的机器人操作技能，包括机器人的启动、停止、运动控制和程序编写等，学生需要掌握各种传感器的使用方法和应用技巧，学生应具备机器人程序编写和调试的能力，学生需要具备机器视觉技术的实验技能，除了实验技能，学生还应具备将机器人技术应用于实际农业场景的能力。三、课程的教学设计1.教学设计说明教学目标：明确课程的教学目标，例如培养学生对农业机器人技术与系统的基本理论和应用的深入理解，提高学生的实验技能和解决问题的能力，培养学生的创新思维和团队合作能力等。教学内容：设计合适的教学内容，包括机器人技术与系统的基本原理、农业机器人的感知与控制、农业机器人的路径规划与导航、农业机器人的应用案例等。内容应结合最新的研究进展和实际应用，涵盖不同的农业机器人技术和系统。教学方法：选择适合的教学方法，包括讲授、实验、案例分析、小组讨论、项目实践等。通过理论讲解、实验操作、案例分析等方式，促进学生的主动学习和实践能力的培养。教学资源：准备必要的教学资源，包括教材、教具、实验设备和软件等。确保学生能够充分利用这些资源进行学习和实验。实践环节：安排实践环节，让学生亲自参与到实际的农业机器人技术与系统的设计、开发和应用中。可以组织实验课程、实习项目、实地考察等实践活动，让学生实际操作和应用所学知识。评估方式：设计合适的评估方式，包括课堂测验、实验报告、项目评估等。通过不同形式的评估，评估学生对理论知识的掌握程度、实验技能的运用能力和问题解决能力。反馈与改进：及时收集学生的反馈意见，针对教学设计进行改进和优化。可以通过课程评估、教师与学生的交流等方式，了解学生的学习体验和教学效果，并根据反馈意见进行相应调整。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1目标1：通过课程学习，掌握农业机器人技术与系统的基本原理和相关理论知识，包括机器人感知与控制、路径规划与导航、农业机器人应用等。理解机器人技术的工作原理和关键技术，并能够将这些理论知识应用于农业机器人系统的设计和开发。12目标2：掌握农业机器人的操作和调试技能，了解传感器的使用和校准，掌握机器人的编程和控制方法，并能够进行机器人的实验设计、数据采集和分析。为学生日后从事农业机器人相关工作提供必要的基础。23目标3：过课程设计中的案例分析、项目实践等活动，学生将学会应用所学知识和技能，识别和解决农业机器人系统中的问题。培养创新思维和团队合作能力，能够灵活应对不同的工作挑战。34目标4：他们应具备将机器人技术与农业生产相结合的能力，能够针对农业生产的具体需求，设计和开发农业机器人系统，并解决实际农业生产中的问题。这将为他们毕业后就业或从事相关研究工作提供支撑。4四、理论教学内容及学时分配（32学时）绪论学时数：2教学目的：通过讲授和介绍国内外农业机械人的发展的现状与发展趋势，熟悉农业机械人的定义、范围、作用及特点。教学重点和难点：本章的重点是国外农业机械的发展。主要教学内容及要求：了解农业机械人的定义、范围及作业特点及智能农机的发展现状和趋势。第一章农业机器人的机械结构学时数：6第一节农业机器人的机身结构3学时第二节农业机器人的执行机构3学时教学目标：了解机器人的机械结构的基本原理和组成要素，掌握农业机器人机械结构的设计原则和方法。教学重点和难点：重点讲解机器人的关节、连杆、驱动器等组成部分的功能和特点，以及它们之间的关系和协调。难点在于理解机械结构与其他子系统（如感知、控制）之间的协调与配合，以确保机器人的运动和功能的有效实现。主要教学内容及要求：了解：能够描述机器人的机械结构基本概念和组成要素。理解：能够解释机器人机械结构的工作原理和基本原则。掌握：能够应用机械结构设计方法和工具进行简单的机器人机械结构设计。熟练掌握：能够分析和评估不同类型机器人机械结构的性能和优化方法，并进行复杂机器人的机械结构设计和优化。教学组织与实施：利用音视频多媒体的优势，以丰富的多媒体信息刺激学生的各种感知器官，突破教学重点、难点，从而优化教学过程，提高教学质量和效率。借助网络教室开展教学活动，充分发挥网络的资源共享、交流合作功能，利用网络资源的丰富性和共享性，支持学生的自主学习。利用网络的交流功能，组织讨论与合作等学习活动。第二章农业机器人的传感器学时数：6第一节外部传感器2学时第二节内部传感器2学时第三节多传感器信息融合现状2学时教学目标：了解传感器的基本概念和原理，掌握传感器的工作原理和技术特点。教学重点和难点：重点讲解传感器的选型原则和布置方法，包括根据作物和环境条件选择合适的传感器，以及合理布置传感器以收集有效的农业数据。难点在于传感器的工作原理涉及到一些物理和工程知识，对学生来说可能比较抽象和难以理解。教师需要通过生动的例子和实际案例来帮助学生理解传感器原理，并引导学生将其应用到农业场景中。主要教学内容及要求：了解：了解传感器的基本概念和作用。理解：理解传感器的工作原理和技术特点。掌握：掌握传感器数据的采集方法，能够独立进行传感器与数据采集系统的连接和配置。熟练掌握：熟练掌握传感器选型和布置的策略，能够根据复杂的农业场景进行传感器的选择和布置。教学组织与实施：利用音视频多媒体的优势，以丰富的多媒体信息刺激学生的各种感知器官，突破教学重点、难点，从而优化教学过程，提高教学质量和效率。借助网络教室开展教学活动，充分发挥网络的资源共享、交流合作功能，利用网络资源的丰富性和共享性，支持学生的自主学习。利用网络的交流功能，组织讨论与合作等学习活动。第三章农业机器人的控制系统学时数：6第一节农业机器人的运动控制3学时第二节农业机器人执行机构的控制3学时教学目标：了解控制系统在工程和科学领域中的应用和重要性，并了解不同类型的控制系统教学重点和难点：重点讲解控制系统的基本原理，包括反馈控制原理、传递函数、闭环控制和开环控制等。学生需要理解这些基本概念的含义和作用。难点在于实际将控制系统应用到实际工程中涉及到硬件和软件的实现和调试。学生需要掌握相关的技术和工具，同时学会解决实际中遇到的问题和调试控制系统。主要教学内容及要求：了解：了解控制系统的基本原理，包括反馈控制原理和闭环控制与开环控制的区别。理解：理解控制系统的数学模型，包括传递函数和状态空间模型的表示方法。掌握：掌握控制系统的设计方法，包括经典控制和现代控制方法的基本原理和应用。熟练掌握：熟练掌握控制系统的数学模型建立和稳定性分析方法，能够应用于复杂的系统分析和设计。教学组织与实施：利用音视频多媒体的优势，以丰富的多媒体信息刺激学生的各种感知器官，突破教学重点、难点，从而优化教学过程，提高教学质量和效率。借助网络教室开展教学活动，充分发挥网络的资源共享、交流合作功能，利用网络资源的丰富性和共享性，支持学生的自主学习。利用网络的交流功能，组织讨论与合作等学习活动。第四章农业机器人导航技术学时数：6第一节农机自主导航技术2学时第二节农田路径规划与避障方法2学时第三节导航路径跟踪控制方法2学时教学目标：了解农业机器人自动导航的定义、意义和应用领域，并了解导航系统的基本原理和组成部分。教学重点和难点：农业机器人自动导航所涉及的传感器技术，包括GPS定位、惯性导航系统、激光雷达、摄像头等。传感器数据的采集、处理和融合方法。难点在于农业机器人的导航路径规划和运动控制算法需要考虑环境特点、障碍物避让、平稳运动等因素，这对学生的算法设计和控制理论掌握能力提出了挑战。主要教学内容及要求：了解：了解农业机器人自动导航的基本概念和原理，包括导航系统的组成和作用。理解：理解农业机器人自动导航技术的原理和方法，包括传感器数据获取、环境感知、路径规划和运动控制等方面的基本原理。掌握：掌握常用的农业机器人自动导航算法和技术，能够根据不同的环境和任务要求进行路径规划、障碍物避障和运动控制等操作。熟练掌握：熟练掌握农业机器人自动导航技术的原理和方法，能够分析和解决复杂的导航问题。教学组织与实施：利用音视频多媒体的优势，以丰富的多媒体信息刺激学生的各种感知器官，突破教学重点、难点，从而优化教学过程，提高教学质量和效率。借助网络教室开展教学活动，充分发挥网络的资源共享、交流合作功能，利用网络资源的丰富性和共享性，支持学生的自主学习。利用网络的交流功能，组织讨论与合作等学习活动。第五章典型农业机器人系统学时数：6第一节无人拖拉机2学时第二节自走式植保机器人2学时第三节自走式采摘机器人2学时教学目标：了解农业机器人技术应用历程与发展趋势；掌握农业机器人作业的概念和特点；理解农业机器人的具体特点和工作对象。使学生掌握典型农业机器人系统的系统组成、各组成之间的接口；重点掌握无人拖拉机、自走式植保机器人和自走式采摘机器人的工作原理和参数指标。教学重点和难点：农业机器人的具体特点和工作对象，无人拖拉机、自走式植保机器人和自走式采摘机器人系统各部分的工作原理，系统工作原理，参数指标体系。主要教学内容及要求：了解：无人拖拉机的导航技术、传感器配置、控制系统的接口。理解：自走式机器人底盘结构及适应环境，运动平台的控制方法。掌握：典型农业机器人系统的指标体系，设计约束条件及内在逻辑等。熟练掌握：无人拖拉机、自走式植保机器人和自走式采摘机器人的工作原理和作业参数。教学组织与实施：利用音视频多媒体的优势，以丰富的多媒体信息刺激学生的各种感知器官，突破教学重点、难点，从而优化教学过程，提高教学质量和效率。借助网络教室开展教学活动，充分发挥网络的资源共享、交流合作功能，利用网络资源的丰富性和共享性，支持学生的自主学习。利用网络的交流功能，组织讨论与合作等学习活动。六、课程思政通过课程教学，培养学生对国家和农业事业的热爱，引导学生深入了解国家农业发展的重要性和现代化农业建设的重要意义。鼓励学生勇于创新、追求卓越，培养学生对新技术、新方法的热情和探索精神，激发学生在农业机器人技术与系统领域的创新思维和创业意识。通过案例分析和讨论，引导学生关注农业可持续发展和农村地区的现实问题，培养学生对农业机器人技术与系统在农村发展中的社会责任感，引导学生思考如何将技术应用于解决社会问题。通过项目实践和小组讨论等形式，培养学生的团队合作精神和合作能力，引导学生学会与他人合作、沟通和协调，为学生今后从事团队工作奠定基础。强调农业机器人技术与系统领域的职业道德和职业操守，教育学生遵守法律法规，注重职业道德和职业伦理，强调科学、严谨、诚信的工作态度。七、教材及教学参考书1.选用教材：（1）理论课教材：农业机器人技术与应用，杨自栋，雷良育编著，中国林业出版社，2020年。（2）实验课教材：无。（3）实习指导书：农业机器人技术与系统实习指导书，自编。2.参考书：（1）生物生产机器人.徐丽明编著.中国农业大学出版社,2009年（2）生物生产系统机器人.赵学笃.机械工业出版社,1987年（3）机器人概论.李云江.机械工业出版社,2011年（4）现代机器人学.仿生系统的运动感知与控制.郭巧.北京理工大学出版社,1999年3.推荐网站（线上资源）：（1）河南农业大学，网址：51/ap