智能機(jī)器人原理與應(yīng)用-教學(xué)大綱

智能機(jī)器人課程教學(xué)大綱（理論）課程編號(hào)學(xué)分2.5課程名稱智能機(jī)器人英文名稱IntelligentRobotics課程類別R必修□選修總學(xué)時(shí)40理論學(xué)時(shí)32實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8執(zhí)筆人審核人課程團(tuán)隊(duì)適用專業(yè)智能科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、人工智能、機(jī)器人工程、自動(dòng)化等一、課程地位與作用智能機(jī)器人是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)課程。設(shè)置本課程的基本任務(wù)是使學(xué)生在模式識(shí)別、人工智能和機(jī)器人學(xué)等先修課程的基礎(chǔ)上，從智能機(jī)器人系統(tǒng)的功能出發(fā)，比較全面地介紹智能機(jī)器人的基本原理和技術(shù)。智能機(jī)器人是一種能夠代替人類在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事危險(xiǎn)、復(fù)雜勞動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器，是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、人工智能和系統(tǒng)工程等多學(xué)科知識(shí)于一身的高新技術(shù)綜合體。通過課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，學(xué)生能夠了解和掌握智能機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人感覺與多信息融合，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，機(jī)器人的視覺、機(jī)器人的語音合成與識(shí)別技術(shù)等內(nèi)容，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。學(xué)生同時(shí)能夠了解智能機(jī)器人領(lǐng)域的新技術(shù)，為今后的學(xué)習(xí)與實(shí)際從事智能科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。IntelligentRoboticsisaprofessionalcourseinIntelligenceScienceandTechnology,thebasictaskistograspthebasicprinciplesandtechniquesoftheintelligentrobotsystemafterstudyonprerequisitecourses,suchaspatternrecognition,artificialintelligenceandrobotics.Intelligentrobotcanreplacehumanbeingsengagedindangerous,complexautomatedmachinerylaborinunstructuredenvironments,isamultidisciplinarysetofmechanics,mechanics,electronics,biology,cybernetics,computers,artificialintelligenceandsystemsengineering.Throughlearningandpracticeofthecourse,studentswillbeabletounderstandandmasterthedriverofintelligentrobots,theinformationfusionofrobot’smulti-sensor,themotionplanningofrobot,robotvision,speechsynthesisandrecognitiontechnology.ThecoursecanlayasolidfoundationforthesubsequentdesignofthegraduationprojectandthepracticalworkofIntelligenceScienceandTechnologyinthefuture.二、課程目標(biāo)智能機(jī)器人是一門集機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、人工智能等學(xué)科的交叉融合的前沿學(xué)科。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制、編程和使用的技術(shù)要點(diǎn)和基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。培養(yǎng)具有一定的全球化意識(shí)或國際視野的高素質(zhì)應(yīng)用型卓越工程人才，以國際工程認(rèn)證為標(biāo)準(zhǔn)，立足北京，服務(wù)社會(huì)，以學(xué)生為中心，堅(jiān)持成果導(dǎo)向教育（OBE）理念，保證課程目標(biāo)能夠有效支撐相應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，使學(xué)生：課程目標(biāo)1：通過課堂講授、研討課和布置課外作業(yè)，使學(xué)生能夠熟悉智能機(jī)器人的基本原理、方法、技術(shù)和應(yīng)用。熟悉智能機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人感覺與多信息融合，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，機(jī)器人的視覺、機(jī)器人的語音合成與識(shí)別技術(shù)、ROS等內(nèi)容，同時(shí)比較全面地了解智能機(jī)器人領(lǐng)域的新技術(shù)。課程目標(biāo)2：通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)、課堂研討，掌握智能機(jī)器人的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，具有初步根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行智能機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析和綜合的基本能力。課程目標(biāo)3：通過查閱文獻(xiàn)、項(xiàng)目案例教學(xué)、工程軟件學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握主要文獻(xiàn)檢索工具互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎的使用方法，能夠利用互聯(lián)網(wǎng)和文獻(xiàn)檢索工具收集智能機(jī)器人或其他智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)問題的技術(shù)信息。課程目標(biāo)4：通過課下實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目學(xué)習(xí)教學(xué)等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生體驗(yàn)把理論應(yīng)用到實(shí)踐的過程，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)知，并能及時(shí)總結(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效果。表1課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系表專業(yè)畢業(yè)要求課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成途徑分解指標(biāo)點(diǎn)1.1：能將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和信息技術(shù)等專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到復(fù)雜智能工程問題，包括但不限于智能模型建立，智能感知，智能決策等。課程教學(xué)目標(biāo)11、課堂講授：充分講解智能機(jī)器人的基本原理、方法、技術(shù)和應(yīng)用，注重課堂師生互動(dòng)，關(guān)注每個(gè)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)情況；2、研討課：將課程綜合性的章節(jié)以研討課的形式展開，充分討論，幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺，梳理知識(shí)體系；3、課后作業(yè)和項(xiàng)目教學(xué)：通過作業(yè)和代表性的科研、電子競賽等項(xiàng)目，重點(diǎn)考察學(xué)生學(xué)以致用的能力，并在后續(xù)課程對(duì)作業(yè)和項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)解答。分解指標(biāo)點(diǎn)2.2：能正確表達(dá)一個(gè)工程問題的解決方案。分解指標(biāo)點(diǎn)2.3：能認(rèn)識(shí)到解決問題有多種方案可選擇。分解指標(biāo)點(diǎn)2.4：能分析文獻(xiàn)尋找可替代的解決方案。課程教學(xué)目標(biāo)1、34、除上述1、2、3條途徑外，安排課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生分組完成課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，包括前期文獻(xiàn)調(diào)研、項(xiàng)目實(shí)施、報(bào)告撰寫、學(xué)術(shù)論文撰寫等。分解指標(biāo)點(diǎn)3.1：能正確理解工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)用控制、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的基本理論和方法進(jìn)行可行性研究。分解指標(biāo)點(diǎn)3.2：能應(yīng)用智能科學(xué)與技術(shù)的的基本理論和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)建模計(jì)算、設(shè)計(jì)開發(fā)。課程教學(xué)目標(biāo)2、35、除上述第2條途徑外，安排學(xué)生分組進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生分析問題解決問題的能力，根據(jù)不同任務(wù)需求，設(shè)計(jì)完整解決方案，并通過答辯環(huán)節(jié)，討論各自的方案的優(yōu)缺點(diǎn)。畢業(yè)要求4：研究與應(yīng)用：能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)智能系統(tǒng)與工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程教學(xué)目標(biāo)2上述第2、3條途徑分解指標(biāo)點(diǎn)5.1：能運(yùn)用Matlab等常用工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真與模擬。分解指標(biāo)點(diǎn)5.2：能運(yùn)用常用開發(fā)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程。分解指標(biāo)點(diǎn)5.3：能運(yùn)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行基本電子電路設(shè)計(jì)、智能產(chǎn)品開發(fā)與集成。課程教學(xué)目標(biāo)4上述第3、5條途徑三、課程思政內(nèi)容始終緊密聯(lián)系智能機(jī)器人學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)，特別重視專業(yè)教學(xué)與思政教育的有機(jī)融合。注重智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的知識(shí)融合來建立課程體系，特別重視專業(yè)教學(xué)與思政教育的有機(jī)融合。在課程教學(xué)中特別重視人工智能、智能機(jī)器人發(fā)展過程當(dāng)中所體現(xiàn)的哲學(xué)規(guī)律的點(diǎn)撥、各種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、目標(biāo)檢測識(shí)別算法改進(jìn)的創(chuàng)新思路等內(nèi)容對(duì)自然辯證法的佐證支撐作用，在課程教學(xué)中不斷提升專業(yè)課程教學(xué)中“課思政”的能力和水平，不斷提高創(chuàng)新人文精神的培養(yǎng)的能力和水平。1.結(jié)合專業(yè)課程的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，在專業(yè)課程的授課過程中提升學(xué)生的愛國主義精神。介紹智能機(jī)器人發(fā)展的時(shí)候，給學(xué)生介紹國內(nèi)老一輩無私奉獻(xiàn)的科學(xué)家，比如錢學(xué)森先生放棄國外舒適的生活回到祖國的懷抱，在十分艱苦的工作條件下從事研究。通過名人事跡，來鼓勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，回報(bào)祖國，增強(qiáng)他們的愛國情懷。2.在講解算法設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、規(guī)模，沒有一種算法能適用于所有任務(wù)，借此告訴學(xué)生正確認(rèn)識(shí)自己，在學(xué)習(xí)和工作的過程中根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇合適自己的生活方式，學(xué)習(xí)期間要努力提高自己專業(yè)水平，樹立正確的人生觀、價(jià)值觀。3.以實(shí)驗(yàn)為載體，讓學(xué)生了解智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域及前沿算法，通過代碼不斷調(diào)試，學(xué)習(xí)堅(jiān)持不懈的工匠精神，培養(yǎng)學(xué)生的愛崗敬業(yè)的精神。實(shí)驗(yàn)過程的小組討論、分工，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作能力。四、課程教學(xué)內(nèi)容提要與基本要求理論部分序號(hào)教學(xué)內(nèi)容提要基本教學(xué)要求（措辭不要求統(tǒng)一）學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)備注1（一）緒論1.1機(jī)器人的定義1.2機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢、本課程的研究對(duì)象和內(nèi)容；本課程在教學(xué)中的地位、作用和任務(wù)；如何學(xué)好本課程。本章的重點(diǎn)：本課程研究的對(duì)象及內(nèi)容、智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)。212（二）智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.3機(jī)器人的控制策略2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.5機(jī)器人的電源技術(shù)掌握智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成，熟悉智能機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)與控制等相關(guān)技術(shù)。本章的重點(diǎn)：智能機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型，智能機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定控制、路徑跟蹤控制、軌跡跟蹤控制，智能機(jī)器人的控制策略。本章的難點(diǎn)：PID控制、變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、視覺伺服控制等常用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略。213（三）智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.2距離/位置測量3.3觸覺測量3.4壓覺測量3.5姿態(tài)測量3.6視覺測量3.7其他傳感器3.8智能機(jī)器人多傳感器融合掌握智能機(jī)器人感知系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，熟悉感知系統(tǒng)的距離/位置測量、觸覺、壓覺、姿態(tài)、視覺等各種內(nèi)、外傳感器，理解傳感器系統(tǒng)融合。本章的重點(diǎn)：感知系統(tǒng)的體系構(gòu)成、分布與融合。本章的難點(diǎn)：壓覺、姿態(tài)與視覺測量系統(tǒng)，感知系統(tǒng)的多傳感器融合。414（四）智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)4.1現(xiàn)代通訊技術(shù)4.2機(jī)器人通信系統(tǒng)4.3多機(jī)器人通信4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例熟悉通信技術(shù)基礎(chǔ)理論，掌握智能機(jī)器人通信模式、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，理解現(xiàn)代通信技術(shù)在智能機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用。本章的重點(diǎn)：掌握智能機(jī)器人通信模式、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)、多機(jī)器人通信。本章的難點(diǎn)：智能機(jī)器人通信模式與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。215（五）智能機(jī)器人的視覺技術(shù)5.1機(jī)器視覺基礎(chǔ)理論5.2成像幾何基礎(chǔ)5.3圖像的獲取和處理5.4智能機(jī)器人的視覺傳感器5.5智能機(jī)器人視覺系統(tǒng)5.6視覺跟蹤5.7主動(dòng)視覺5.8視覺伺服5.9深度學(xué)習(xí)在機(jī)器視覺領(lǐng)域的應(yīng)用熟悉機(jī)器視覺基礎(chǔ)理論，掌握智能機(jī)器人的視覺系統(tǒng)組成、圖像的生成和預(yù)處理等相關(guān)技術(shù)，理解智能機(jī)器人的三維視覺、主動(dòng)視覺與目標(biāo)跟蹤、視覺伺服與視覺導(dǎo)航等算法原理、深度學(xué)習(xí)在機(jī)器視覺領(lǐng)域的應(yīng)用。本章的重點(diǎn)：智能機(jī)器人的三維視覺、主動(dòng)視覺與目標(biāo)跟蹤、視覺伺服與視覺導(dǎo)航、深度學(xué)習(xí)相關(guān)理論。本章的難點(diǎn)：智能機(jī)器人的三維視覺、主動(dòng)視覺與目標(biāo)跟蹤、視覺伺服與視覺導(dǎo)航、深度學(xué)習(xí)相關(guān)理論。416（六）智能機(jī)器人的語音合成與識(shí)別技術(shù)6.1語音合成的基礎(chǔ)理論6.2語音識(shí)別的基礎(chǔ)理論6.3智能機(jī)器人的語音定向與導(dǎo)航6.4智能機(jī)器人的語音系統(tǒng)實(shí)例6.5自然語言處理6.6人機(jī)對(duì)話熟悉智能機(jī)器人的聽覺系統(tǒng)組成，掌握語音合成與識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)理論，熟悉常用語音合成與識(shí)別的基本技術(shù)，了解智能機(jī)器人的語音定向與導(dǎo)航、自然語言處理、人機(jī)對(duì)話相關(guān)理論與技術(shù)。本章的重點(diǎn)：智能機(jī)器人語音合成技術(shù)，智能機(jī)器人語音識(shí)別技術(shù)，智能機(jī)器人的語音定向與導(dǎo)航。本章的難點(diǎn)：智能機(jī)器人的語音定向與導(dǎo)航、自然語言處理核心理論。417（七）智能機(jī)器人自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃7.1概述7.2環(huán)境地圖的表示7.3定位7.4路徑規(guī)劃7.5人工勢場法7.6柵格法7.7移動(dòng)機(jī)器人的同步定位與地圖構(gòu)建掌握智能機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，理解常用的路徑規(guī)劃技術(shù)，了解智能機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建。本章的重點(diǎn)：導(dǎo)航系統(tǒng)分類與體系結(jié)構(gòu)、人工勢場法與柵格法基本原理、智能機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建。本章的難點(diǎn)：智能機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建。42、38（八）ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)8.1ROS框架8.2ROS通信機(jī)制8.3ROS開發(fā)實(shí)例熟悉ROS基本框架、掌握ROS通信機(jī)制、熟悉基于ROS的一般開發(fā)流程、掌握代表性開發(fā)實(shí)例。本章的重點(diǎn)：ROS通信機(jī)制。本章的難點(diǎn)：ROS通信機(jī)制與實(shí)例開發(fā)。21、29（九）多機(jī)器人系統(tǒng)9.1智能體與多智能體系統(tǒng)9.2多機(jī)器人系統(tǒng)9.3多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例：多機(jī)器人編隊(duì)導(dǎo)航掌握智能體（Agent）概念、多智能體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，熟悉多機(jī)器人群機(jī)器人的協(xié)調(diào)與合作、編隊(duì)與導(dǎo)航等應(yīng)用實(shí)例。本章的重點(diǎn)：多智能體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。本章的難點(diǎn)：多機(jī)器人編隊(duì)與導(dǎo)航等應(yīng)用實(shí)例。22、3、410（十）智能機(jī)器人的前沿AI技術(shù)10.1新一代人工智能技術(shù)10.2機(jī)器人智能化10.3機(jī)器學(xué)習(xí)10.4智能交互技術(shù)熟悉新一代人工智能技術(shù)、機(jī)器人智能化相關(guān)概念及必要因素，掌握機(jī)器學(xué)習(xí)、智能交互核心理論或技術(shù)。本章的重點(diǎn)：應(yīng)用于智能機(jī)器人的代表性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，幾種典型的智能交互技術(shù)。本章的難點(diǎn)：代表性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型原理及應(yīng)用。21、23、411（十一）服務(wù)機(jī)器人11.1家庭智能空間服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)11.2家庭智能空間服務(wù)機(jī)器人環(huán)境功能區(qū)認(rèn)知11.3家庭智能空間服務(wù)機(jī)器人日常工具功用性認(rèn)知11.4雜亂場景下智能空間服務(wù)機(jī)器人推抓技能學(xué)習(xí)11.5室內(nèi)環(huán)境自適應(yīng)智能商用服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)熟悉服務(wù)機(jī)器人相關(guān)理論、工程方法及應(yīng)用場景。本章的重點(diǎn)：空間服務(wù)機(jī)器人核心理論。本章的難點(diǎn)：空間服務(wù)機(jī)器人核心方法及實(shí)現(xiàn)。21、23、412（十）研討課、習(xí)題課12.1重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)回顧12.2典型應(yīng)用案例剖析12.3重點(diǎn)習(xí)題講解綜合討論智能機(jī)器人