Документ 226054

1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Мобильные роботы» бакалавр
приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей
Ц2 и Ц3 основной образовательной программы по направлению 221000
«Мехатроника и робототехника».
Дисциплина нацелена на подготовку бакалавров к:
 проектно-технологической деятельности в области создания средств и
систем мехатроники и робототехники с использованием современных
инструментальных средств и информационных технологий;
 комплексным инженерным исследованиям для решения задач,
связанных с разработкой аппаратных и программных средств объектов
мехатроники и робототехники.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к специальным дисциплинам профессионального
цикла. Она непосредственно связана с дисциплиной математического и
естественнонаучного цикла – «Информационные технологии», а также с
дисциплинами базовой и вариативной частей профессионального цикла
(«Электротехника», «Основы мехатроники и робототехники», «Электронные
устройства мехатронных и робототехнических систем») и опирается на
приобретенные при изучении данных дисциплин знания, умения и навыки.
Кореквизитами для дисциплины «Мобильные роботы» являются дисциплины
профессионального цикла: «Микропроцессорная техника в мехатронике и
робототехнике» «Детали мехатронных модулей, роботов и их
конструирование»
3. Результаты освоения дисциплины
В процессе освоения дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО у
студентов развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные):
– способностью владеть культурой мышления, способен к обобщению,
анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее
достижения (ОК-1);
– готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-2);
– способностью иметь навыки работы с компьютером как средством
управления информацией (ОК-5);
– способностью использовать основные законы естественнонаучных
дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы
математического
анализа
и
моделирования,
теоретического
и
экспериментального исследования (ОК-9);
2. Профессиональные:
научно-исследовательская деятельность (НИР):
способностью и готовностью:
– проводить настройку и отладку макетов;
– разрабатывать программные средства макетов (ПК-2);
проектно-конструкторская деятельность
– проводить регулировочные расчеты - синтез алгоритмов управления и
корректирующих устройств;
– вести разработку алгоритмов и программных средств реализации
корректирующих устройств (ПК-3);
– оценивать проектируемые узлы и агрегаты по экономической
эффективности (ПК-4);
После изучения дисциплины «Мобильные роботы» студенты
приобретают знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной
образовательной программы: Р1 и Р7*. Соответствие результатов освоения
дисциплины формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.
Формируемые
компетенции в
Результаты освоения дисциплины
соответствии с
ООП*
З.1.1, З.1.2
В результате освоения дисциплины бакалавр должен знать:
 основные научно-технические проблемы и перспективы
развития мехатронных и робототехнических систем;
 способы получения математических моделей динамических
систем и их элементов в форме функций-изображений с
вещественным аргументом;
 пути достижения свойств робастности исполнительных
систем управления на основе применения математических
моделей в форме функций с вещественным аргументом;
 принципы действия и математическое описание составных
частей
мехатронных
и
робототехнических
систем
(информационных,
электромеханических,
электронных
элементов и средств вычислительной техники).
У.1.2, У.7.3
В результате освоения дисциплины бакалавр должен уметь:
 разрабатывать математические модели составных частей
объектов профессиональной деятельности методами теории
автоматического управления;
 применять современные методы, алгоритмы и технические
решения в мехатронике и робототехнике.
В.1.2
В результате освоения дисциплины бакалавр должен владеть:
 навыками применения различных подходов, в т.ч. основанных
на применении методов искусственного интеллекта, к
решению конкретных задач мобильной робототехники.
*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций
представлена в Основной образовательной программе подготовки бакалавров
по направлению 221000 «Мехатроника и робототехника».
Структура и содержание дисциплины
4.
4.1.
Структура дисциплины по разделам, формам организации и
контроля обучения
Аудиторная работа (час)
Прак. Лаб.
Лекции
зан.
зан.
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
1
Автономные мобильные роботы
(АМР): современные разработки
и методы управления
4

0
3
7
2
Задачи, уровни, типы и
технологии управления АМР
4

0
3
7
3
Автоматный подход в
управлении АМР
2

10
12
24
4
Генетические алгоритмы в
управлении АМР
2

0
3
5
5
Искусственные нейронные сети
в управлении АМР
2

0
3
5
4

8
12
24
18

18
36
72
Индуктивный метод
самоорганизации моделей в
управлении АМР
Всего часов
6
СРС
(час)
Всего
часов
Формы текущего
контроля и
аттестации
Интерактивный
опрос на
лекционном
занятии
Интерактивный
опрос на
лекционном
занятии
Отчет о
выполнении
индивидуального
задания*.
Отчет по
лабораторной
работе*
Интерактивный
опрос на
лекционном
занятии
Интерактивный
опрос на
лекционном
занятии
Отчет по
лабораторной
работе*
 При сдаче отчетов по индивидуальным заданиям и лабораторным работам проводится
их защита в форме устного собеседования.
*
4.2.
Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Автономные мобильные роботы (АМР): современные
разработки и методы управления – 4 часа
Прагматическое, бионическое и когнитивное направления в разработке
автономных мобильных роботов (АМР). Примеры конкретных разработок в
рамках отдельных направлений. Аналитический обзор и классификация
современных разработок (АМР), доведенных до опытного или серийного
образца (в рамках прагматического направления). Аналитический обзор и
классификация современных разработок групп мобильных роботов.
Классификации АМР по типу решаемых задач и характерным особенностям
управления в рамках прагматического подхода.
Аналитический обзор российских разработок АМР в рамках
прагматического и бионического подходов. Ведущие российские центры и
научные организации, занимающиеся разработкой АМР.
Раздел 2. Задачи, уровни, типы и технологии управления АМР – 4
часа
Задачи, стоящие перед разработчиком АМР. Влияние свойств среды
функционирования робота на круг и сложность решаемых разработчиком
задач. Группы свойств среды функционирования робота. Типы управления
АМР: реактивное, совещательное, гибридное, поведенческое. Уровни
управления. Современные технологии управления АМР, разработанные в
рамках прагматического подхода и основанные на методах искусственного
интеллекта.
Раздел 3. Автоматный подход в управлении АМР – 12 часов
Задачи управления и типы сред функционирования мобильных
роботов, для которых целесообразно использование автоматного подхода к
разработке АМР. Примеры использования автоматного подхода к разработке
АМР. Метод синтеза цифровых автоматов. Автоматы Мура и Мили. Пример
синтеза автомата Мура для решения задачи мобильной робототехники.
Лабораторная работа №1 «Управление мобильным роботом на основе
автоматного подхода».
Раздел 4. Генетические алгоритмы в управлении АМР – 2 часа
Задачи решаемые разработчиком АМР с помощью генетических
алгоритмов. Базовые сведения о генетических алгоритмах. Репродуктивный
план Холланда. Генетические операторы. Примеры практических разработок
мобильных роботов с применением генетических алгоритмов.
Раздел 5. Искусственные нейронные сети в управлении АМР – 2
часа
Задачи, решаемые разработчиком АМР с помощью искусственных
нейронных сетей. Базовые сведения о нейронных сетях. Многослойная
перцептронная сеть прямого распространения. Карта Кохонена. Примеры
практических разработок мобильных роботов с применением искусственных
нейронных сетей.
Раздел 6. Индуктивный метод самоорганизации моделей в
управлении АМР – 12 часов
Базовые сведения об индуктивном методе самоорганизации моделей
(известном также как Метод Группового Учета Аргументов (МГУА)).
Краткий обзор и характеристика алгоритмов МГУА. Алгоритмы МГУА:
комбинаторный и дважды многорядная нейронная сеть с активными
нейронами. Примеры практических разработок мобильных роботов с
применением индуктивного метода самоорганизации моделей.
Лабораторная работа №2 «Навигация автономного мобильного
робота на основе индуктивного метода самоорганизации моделей».
4.3.
Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов
обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках
данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№
Формируемые
компетенции
1.
2.
3.
4.
5.
З.1.1
З.1.2
У.1.2
У.7.3
В.1.2
1
х
2
Разделы дисциплины
3
4
х
х
х
х
х
х
х
5
х
х
6
х
х
х
х
х
х
х
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются сочетания различных видов
образовательной деятельности с методами и формами ее активизации для
достижения запланированных результатов обучения и формирования
компетенций.
Методы и формы активизации
образовательной деятельности
Дискуссия
IT-методы
Командная работа
Case-study
Междисциплинарное обучение
Индивидуальное обучение
Проблемное обучение
Обучение на основе опыта
Опережающая СРС
Виды образовательной
деятельности
Лаб.
Лекции
СРС
работы
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов (CРC)
6.1. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и
закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
 работе бакалавров с лекционным материалом, поиске и анализе
литературы и электронных источников информации по заданной теме;
 выполнении домашнего индивидуального задания;
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с
иностранных языков;
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 изучении теоретического материала при подготовке к лабораторным
занятиям;
 обработке экспериментальных данных лабораторных исследований и
составлении отчетов по лабораторным работам;
 подготовке к сдаче зачета.
6.2. Контроль самостоятельной работы
Промежуточный контроль знаний – теоретических и практических –
производится в процессе защиты студентами индивидуального задания и
лабораторных работ. Контроль и оценка знаний производится в соответствии
с рейтинг-планом. По результатам промежуточного контроля формируется
допуск студента к сдаче зачета.
Окончательный контроль знаний производится в форме зачета (с учетом
набранных баллов). Сдача зачета осуществляется по билетам в форме
собеседования.
6.3.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов
Основой для самостоятельной работы студентов является наличие
Интернет-ресурсов различного уровня для выполнения опережающей
самостоятельной работы. На российском уровне – это Online-версии
ведущих российских журналов в области робототехники: «Робототехника и
техническая кибернетика» (http://www.rusrobotics.ru/) и «Подводные
исследования и робототехника» (http://jmtp.febras.ru/). На международном
уровне – это частично доступные в НТБ ТПУ ресурсы Института инженеров
по электротехнике и радиоэлектронике – IEEE (в первую очередь
рекомендуется журнал «IEEE Transactions on Robotics» и труды конференции
«Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation»)
– http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
(фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости бакалавров осуществляется по результатам:
 самостоятельного (под контролем преподавателя) выполнения
лабораторной работы;
 устного опроса при защите отчетов по индивидуальному заданию и
лабораторным работам, а также во время сдачи зачета в шестом
семестре (для выявления знания и понимания теоретического
материала дисциплины).
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Билеты для проведения процедуры «зачета» включают в себя два типа
заданий:
1. Теоретический вопрос.
2. Проблемный вопрос.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
1. Охарактеризовать основные принципы организации поведенческого типа
управления мобильными роботами.
2. Какой тип управления и какие технологии управления целесообразно
применять в случае организации автономного управления мобильным
роботом, функционирующим в условиях частично наблюдаемой,
детерминированной,
эпизодической,
дискретной,
динамической,
одноагентной среде?
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
(дисциплины)
а) основная литература:
1. Юревич Е.И. Основы робототехники: учебное пособие / Е. И. Юревич.
— 2-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 401 с.
2. Интеллектуальные роботы: учебное пособие для вузов / И. А. Каляев
[и др.]; под ред. Е. И. Юревича. — Москва: Машиностроение, 2007. — 360 с.
3. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект. Современный подход:
пер. с англ.. — 2-е изд.. — М. : Вильямс, 2006. — 1407 с.: ил.. — Предметный
указатель: с. 1373-1407.
б) дополнительная литература:
1. Автономный искусственный интеллект / А. А. Жданов. — 2-е изд. —
Москва: Бином ЛЗ, 2009. — 359 с.
2. Юревич Е. И. Теория автоматического управления : учебник для вузов
/ Е. И. Юревич. — 3-е изд.. — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 560 с.
в) Internet-ресурсы:
1. Официальный сайт Центрального Научно-Исследовательского
Института Робототехники и Технической Кибернетики (ЦНИИ РТК). URL:
http://www.rtc.ru/ (дата обращения: 16.05.2011).
2. Официальный сайт журнала, издаваемого Центральным НаучноИсследовательским Институтом Робототехники и Технической Кибернетики
(ЦНИИ РТК) – «Робототехника и техническая кибернетика». URL:
http://www.rusrobotics.ru/ (дата обращения: 16.05.2011).
3. Официальный сайт журнала, издаваемого Институтом Проблем
Морских Технологий ДВО РАН – «Подводные исследования и
робототехника». URL: http://jmtp.febras.ru/ (дата обращения: 16.05.2011).
9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
В процессе выполнения лабораторных работ по дисциплине
«Мобильные роботы» используются технические средства и лабораторное
оборудование
кафедры
Интегрированных
Компьютерных
Систем
Управления ИК НИ ТПУ:
 мобильная робототехническая платформа Festo Robotino v. 1.6 (2 шт.);
 стандартный стол-полигон для мобильной платформы Festo Robotino.
Для разработки управляющих программ используется свободно
распространяемая среда визуального проектирования Robotino View v. 2.8.2.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями
ФГОС-3 по направлению по направлению 221000 «Мехатроника и робототехника» и
профилю подготовки «Мехатроника».
Автор: Шкляр В.Н.
Программа одобрена на заседании кафедры ИКСУ ИК
(протокол № ____ от «___» _______ 2012 г.).
Дисциплина
Институт
Кафедра
Семестр
Группы
Преподаватель
Мобильные роботы
Институт Кибернетики
ИКСУ
6
8Е21
Шкляр Виктор Николаевич
Число недель
Кол-во кредитов
Лекции, час
Практич.занятия, час
Лаб.работы, час.
Всего аудит.работы, час
Самост.работа, час
ВСЕГО, час
16
2
16
0
16
32
32
64
Рейтинг-план дисциплины Химия в течение семестра
Текущий контроль
Недели
Теоретический материал
1
2
Практическая деятельность
Контролир.
матер.*
Баллы*
Название лабораторных
работ*
Баллы*
Темы практических
занятий (решаемые
задачи)*
Баллы*
Итого
Название модуля
Темы лекций
Индивидуальные
задания
(рубежные
контрольные
работы, рефераты
и т.п.)*
Баллы*
Автономные
мобильные роботы
(АМР):
современные
разработки и
методы
управления
Современные
мировые тренды и
практические
разработки в
мобильной
робототехнике
2
2
Российские
разработки
автономных
мобильных
роботов
2
2
3
Задачи управления
АМР и их связь с
характеристиками
среды
функционирования
робота
2
Уровни, типы и
технологии
управления АМР
2
Автоматный
подход в
управлении АМР
Автоматный
подход в
управлении АМР
2
Генетические
алгоритмы в
управлении АМР
Генетические
алгоритмы в
управлении АМР
2
Задачи, уровни,
типы и технологии
управления АМР
4
5
6
2
2
2
7
2
Искусственные
нейронные сети в
управлении АМР
Искусственные
нейронные сети в
управлении АМР
Всего по контрольной точке (аттестации) № 1
8
Индуктивный
метод
самоорганизации
моделей в
Индуктивный
метод
самоорганизации
моделей
2
2
Инд. задание
(по
вариантам)
Синтез
управляющего
автомата
Мура»
12
14
26
2
9
10
11
12
13
14
15
управлении АМР
Применение
индуктивного
метода
самоорганизации
моделей для
решения задач
мобильной
робототехники
2
Лаб. работа №1
«Управление
мобильным
роботом на основе
автоматного
подхода»
15
17
16
17
18
Лаб. работа №2
«Навигация
автономного
мобильного
робота на основе
индуктивного
метода
самоорганизации
моделей»
15
15
Всего по контрольной точке (аттестации) № 2
34
Итоговая текущая аттестация
60
Зачет
40
Итого баллов по дисциплине
100
Зав.кафедрой ____________________________ А.М. Малышенко
Преподаватель __________________________ В.Н. Шкляр
ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ
Пример билетов рубежного контроля
Экзаменационные билеты по курсу
Мобильные роботы
для студ. группы 8Е10
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БИЛЕТ № 1
По дисциплине Мобильные роботы
Институт Кибернетики
Курс 3
3. Охарактеризовать основные принципы организации поведенческого типа управления
мобильными роботами.
4. Какой тип управления и какие технологии управления целесообразно применять в
случае организации автономного управления мобильным роботом, функционирующим
в условиях частично наблюдаемой, детерминированной, эпизодической, дискретной,
динамической, одноагентной среде?
Составил: доцент кафедры ИКСУ
Шкляр В.Н.
Экзаменационные билеты по курсу
Мобильные роботы
для студ. группы 8Е10
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БИЛЕТ № 2
По дисциплине Мобильные роботы
Институт Кибернетики
Курс 3
1. Охарактеризовать основные принципы организации гибридного типа управления
мобильными роботами.
2. Какой тип управления и какие технологии управления целесообразно применять в
случае
организации
автономного
управления
мобильным
роботом,
функционирующим в условиях полностью наблюдаемой, детерминированной,
последовательной, дискретной, динамической, одноагентной среде?
Составил: доцент кафедры ИКСУ
Шкляр В.Н.
Экзаменационные билеты по курсу
Мобильные роботы
для студ. группы 8Е10
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БИЛЕТ № 3
По дисциплине Мобильные роботы
Институт Кибернетики
Курс 3
1. Дать определение понятиям голономного робота и неголономного робота.
Привести примеры голономных и неголономных мобильных роботов.
2. Охарактеризовать влияние характеристик среды функционирования робота на круг
и сложность решаемых разработчиком задач. Привести примеры для любых 4-х
групп свойств среды.
Составил: доцент кафедры ИКСУ
Шкляр В.Н.
Экзаменационные билеты по курсу
Мобильные роботы
для студ. группы 8Е10
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БИЛЕТ № 4
По дисциплине Мобильные роботы
Институт Кибернетики
Курс 3
1. Охарактеризовать три основные ветви развития современной робототехники,
основанные на прагматическом, бионическом и когнитивном подходах. Указать
схожие черты и принципиальные отличия в указанных подходах.
2. В каких случаях целесообразно, а в каких нецелесообразно применение технологий
управления мобильными роботами, основанных на методах искусственного
интеллекта.
Составил: доцент кафедры ИКСУ
Шкляр В.Н.