《自主導(dǎo)航與定位技術(shù)》教學(xué)大綱

《自主導(dǎo)航與定位技術(shù)》教學(xué)大綱課程編號：13230435英文名稱：AutonomousNavigationandPositioningTechnology學(xué)分：3學(xué)時：總學(xué)時56學(xué)時，其中理論40學(xué)時，實踐16學(xué)時先修課程：機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程類別：專業(yè)方向選修課程授課對象：機(jī)器人專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)是信息論、神經(jīng)生理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、控制論等多種學(xué)科互相滲透而發(fā)展起來的一門綜合性新學(xué)科，本課程是主要介紹機(jī)器人定位與導(dǎo)航中的經(jīng)典理論和方法，使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)后能較全面、深入地理解和掌握機(jī)器人定位與導(dǎo)航的基本概念、基本方法、主要功能及其實現(xiàn)技術(shù)，為學(xué)生今后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作打下較堅實的基礎(chǔ)。本課程擬達(dá)到的課程目標(biāo):課程目標(biāo)1:通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在機(jī)器人定位與導(dǎo)航領(lǐng)域相關(guān)的設(shè)計中，考慮安全、健康、法律、文化及環(huán)境等制約因素。課程目標(biāo)2:通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在機(jī)器人定位與導(dǎo)航領(lǐng)域相關(guān)的工程實踐對社會、健康、安全、法律、文化的影響，以及這些制約因素對項目實施的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。課程目標(biāo)3:通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)機(jī)器人定位與導(dǎo)航領(lǐng)域新的技術(shù)，具備對技術(shù)問題的理解能力，歸納總結(jié)的能力和提出問題的能力，能夠通過不斷學(xué)習(xí)提高自身能力，適應(yīng)社會和專業(yè)的發(fā)展；二、課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)權(quán)重3.4能在機(jī)器人工程相關(guān)的設(shè)計中，考慮安全、健康、法律、文化及環(huán)境等制約因素。課程目標(biāo)1H6.2能分析和評價機(jī)器人工程相關(guān)領(lǐng)域的工程實踐對社會、健康、安全、法律、文化的影響，以及這些制約因素對項目實施的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。課程目標(biāo)2M12.2具有自主學(xué)習(xí)的能力，包括對技術(shù)問題的理解能力，歸納總結(jié)的能力和提出問題的能力等，能夠通過不斷學(xué)習(xí)提高自身能力，適應(yīng)社會和專業(yè)的發(fā)展。課程目標(biāo)3H（注：要求課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點應(yīng)是一一對應(yīng)支撐）三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1．理論教學(xué)內(nèi)容序號教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點（含德育要求）學(xué)時教學(xué)方式對應(yīng)課程目標(biāo)1緒論基本要求：了解移動機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建研究、掌握多移動機(jī)器人協(xié)同定位研究、多移動機(jī)器人目標(biāo)跟蹤研究。重點難點：多移動機(jī)器人路徑規(guī)劃研究德育要求：立德樹人2集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)32基于卡爾曼濾波及其衍生的同步定位與地圖構(gòu)建算法基本要求：了解卡爾曼濾波及SLAM問題概述、基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的SLAM研究、基于無跡卡爾曼濾波的SLAM研究、基于UKF-SLAM改進(jìn)算法的研究。重點難點：基于容積卡爾曼濾波及改進(jìn)算法的研究德育要求：愛崗敬業(yè)4集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)33基于SR-CKF的多移動機(jī)器人協(xié)同定位及目標(biāo)跟蹤算法基本要求：了解卡爾曼濾波器、掌握基于SR-CKF的多機(jī)器人協(xié)同定位算法、移動機(jī)器人動態(tài)目標(biāo)跟蹤算法。重點難點：多移動機(jī)器人協(xié)同定位與目標(biāo)跟蹤研究德育要求：創(chuàng)新意識6集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)34基于自適應(yīng)SR-CKF的序貫式WSNs目標(biāo)跟蹤算法基本要求：了解系統(tǒng)模型及問題、掌握傳感器節(jié)點觀測模型、目標(biāo)運動模型。重點難點：自適應(yīng)SR-CKF序貫式WSNs目標(biāo)跟蹤算法德育要求：社會責(zé)任6集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)35基于改進(jìn)CKF的WSNs與移動機(jī)器人協(xié)作定位算法基本要求：了解移動機(jī)器人-WSNs定位問題描述、基于移動機(jī)器人輔助的改進(jìn)CKF的節(jié)點定位算法、WSNs環(huán)境下基于改進(jìn)CKF算法的移動機(jī)器人定位算法。重點難點：基于改進(jìn)CKF算法的WSNs與移動機(jī)器人協(xié)作定位德育要求：科學(xué)素養(yǎng)6集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)36基于粒子濾波（PF）的同步定位與地圖構(gòu)建算法基本要求：了解FastSLAM算法的提出、掌握FastSLAM算法、優(yōu)化的FastSLAM算法基本原理。重點難點：基于改進(jìn)Rao-Blackwellized粒子濾波（RBPF）的SLAM算法德育要求：樂于奉獻(xiàn)6集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)37已知環(huán)境下全局路徑規(guī)劃算法基本要求：了解算法優(yōu)化策略、掌握優(yōu)化的D*Lite搜索過程、優(yōu)化的D*Lite算法仿真、基于改進(jìn)蟻群算法的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃算法。重點難點：基于改進(jìn)人工勢場法的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃算法德育要求：立德樹人6集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)38未知環(huán)境下基于滾動窗口與多層Morphin的局部路徑規(guī)劃算法基本要求：了解滾動窗口規(guī)劃基本原理、掌握局部子目標(biāo)點的選取、障礙物預(yù)測模型及避碰策略。重點難點：未知環(huán)境下基于多層Morphin的局部路徑規(guī)劃算法德育要求：愛崗敬業(yè)4集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3合計402．實驗教學(xué)內(nèi)容序號實驗項目實驗內(nèi)容與要求學(xué)時類型對應(yīng)課程目標(biāo)1基于容積卡爾曼濾波及改進(jìn)算法的研究算法仿真實驗根據(jù)具體需求，完成容積變換、CKF算法、SR-CKF-SLAM算法和ISR-CKF-SLAM算法仿真4演示、驗證課程目標(biāo)22多移動機(jī)器人協(xié)同定位與目標(biāo)跟蹤仿真實驗根據(jù)具體需求，完成多移動機(jī)器人編隊控制、數(shù)據(jù)融合問題、基于協(xié)方差交集的多機(jī)器人協(xié)同目標(biāo)跟蹤算法仿真4演示、驗證課程目標(biāo)33自適應(yīng)SR-CKF序貫式WSNs目標(biāo)跟蹤算法仿真實驗根據(jù)具體需求，完成仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置、仿真結(jié)果及性能分析、跟蹤誤差分析和運行時間及能耗分析。4演示、驗證課程目標(biāo)24基于改進(jìn)CKF算法的WSNs與移動機(jī)器人協(xié)作定位仿真實驗根據(jù)具體需求，完成協(xié)作定位問題描述與建模、改進(jìn)CKF算法的WSNs與移動機(jī)器人協(xié)作定位。4演示、驗證課程目標(biāo)3合計16注：實驗要求包括必修、選修；實驗類型包括演示、驗證、綜合、設(shè)計等。四、課程教學(xué)方法1.總體設(shè)計采用項目驅(qū)動的教學(xué)模式，虛實結(jié)合，將自主導(dǎo)航與定位技術(shù)相關(guān)項目設(shè)計貫穿于整個教學(xué)過程中，分析學(xué)生設(shè)計過程產(chǎn)生的錯誤，通過師生互動完成教學(xué)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對所學(xué)知識的理解和掌握。課堂教學(xué)方法：理論講授、實踐演示、項目討論。實驗教學(xué)方法：項目驅(qū)動、集中指導(dǎo)、自主練習(xí)、個別答疑。課外學(xué)習(xí)方法：預(yù)習(xí)教材相關(guān)章節(jié)。2.課堂教學(xué)課堂講授：在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，按知識模塊，通過項目案例來演示和歸納主要知識點的應(yīng)用，通過問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和討論，不斷強(qiáng)化學(xué)生對知識的理解。在講授、討論中，引導(dǎo)學(xué)生掌握分析、設(shè)計和調(diào)試的基本方法，使學(xué)生體驗項目設(shè)計的過程，獲得項目設(shè)計的成就感。課內(nèi)小組討論：圍繞實際項目設(shè)計任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化、完善和補(bǔ)充。3.實驗教學(xué)在課外學(xué)習(xí)和作業(yè)實施的基礎(chǔ)上，通過具體任務(wù)要求和集中實驗，理解有關(guān)知識點，開展機(jī)器人操作系統(tǒng)的演示。4.課外學(xué)習(xí)課前預(yù)習(xí)：要求學(xué)生在課前按預(yù)習(xí)計劃完成自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，即自學(xué)教材相關(guān)章節(jié)。課后作業(yè)：要求學(xué)生按時完成課后作業(yè)。五、學(xué)業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評價相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、實驗考核、期末考試組成，均按百分制計分，其中課堂表現(xiàn)成績占10%、平時作業(yè)成績占20%、實驗成績占20%、期末閉卷考試成績占50%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評價序號教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計1課堂表現(xiàn)424102平時作業(yè)686203實驗考核1055204期末考試15152050課程目標(biāo)對應(yīng)分值353035100（二）考核與評價標(biāo)準(zhǔn)1.課堂表現(xiàn)考核與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分課堂表現(xiàn)課堂積極學(xué)習(xí)自主定位與導(dǎo)航相關(guān)知識點，回答問題主動性高，項目設(shè)計應(yīng)用討論參與度強(qiáng)。課堂較積極學(xué)習(xí)自主定位與導(dǎo)航相關(guān)知識點，回答問題主動性較高，項目設(shè)計應(yīng)用討論參與度較強(qiáng)。課堂學(xué)習(xí)自主定位與導(dǎo)航相關(guān)知識點的態(tài)度一般，回答問題主動性尚可，項目設(shè)計應(yīng)用討論參與度一般。課堂學(xué)習(xí)自主定位與導(dǎo)航相關(guān)知識點，不參與問題解答與項目設(shè)計應(yīng)用討論。2.平時作業(yè)考核與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分平時作業(yè)按時完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握到位，設(shè)計方案合理。按時完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握較到位，設(shè)計方案較合理。延時完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握基本到位，設(shè)計方案基本合理。不交和補(bǔ)交，50%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，機(jī)器人操作系統(tǒng)相關(guān)基本知識點理解、掌握有偏差，設(shè)計方案需改進(jìn)。3.實驗考核與評價標(biāo)準(zhǔn)分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分實驗考核自主定位與導(dǎo)航實驗方案合理，設(shè)計方法正確，機(jī)器人功能演示完整，很好地完成了實驗要求內(nèi)容，實驗報告格式規(guī)范，符合實驗報告寫作要求。自主定位與導(dǎo)航實驗方案較合理，設(shè)計方法較正確，機(jī)器人功能演示較完整，較好地完成了實驗要求內(nèi)容，實驗報告格式較規(guī)范，較符合實驗報告寫作要求。自主定位與導(dǎo)航實驗方案與設(shè)計方法一般，機(jī)器人部分功能可以演示，實驗要求內(nèi)容完成度一般，實驗報告格式基本符合實驗報告寫作要求。自主定位與導(dǎo)航實驗方案與設(shè)計方法較差，機(jī)器人功能演示效果差，實驗要求內(nèi)容完成度差，實驗報告格式不符合實驗報告寫作要求。4.期末試卷考核與評價標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)課程目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計期末考核試題，綜合檢驗學(xué)生對課程相關(guān)知