Основы теории автоматического управления и робототехники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Филиал ТюмГУ в г. Тобольске
УТВЕРЖДАЮ
Директор филиала
______________ /Короткова Е.А./
__________ 2015г.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И
РОБОТОТЕХНИКИ
Учебно-методический комплекс.
для студентов направления
050100.62 – «Педагогическое образование»
Профиль подготовки
«Математика, информатика»
Квалификация (степень)
бакалавр
заочная форма обучения
Тюменский государственный университет
2015
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Филиал ТюмГУ в г. Тобольске
Кафедра информатики и методики преподавания
Ечмаева Г.А.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И
РОБОТОТЕХНИКИ
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа
для студентов направления
050100.62 – «Педагогическое образование»
Профиль подготовки
«Математика, информатика»
Квалификация (степень)
бакалавр
заочная форма обучения
Тюменский государственный университет
2015
2
Ечмаева Г.А. Основы теории автоматического управления и робототехники. Учебнометодический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 050100.62 –
«Педагогическое образование», заочной формы обучения. Тюмень, 2015, 16 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом
рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки. Учебно-методический
комплекс направлен на формирование необходимых компетенций по курсу и содержит
пояснительную записку, тематический план, необходимые понятия, задания для
самостоятельной работы, вопросы для самоконтроля.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Теоретические основы
информатики [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3plus.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой информатики и методики преподавания,
утверждено директором филиала Тюменского государственного университета в г. Тобольске.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: Малышева Е.Н., заведующий кафедрой информатики и
методики преподавания
© Тюменский государственный университет, 2015.
© Ечмаева Г.А., 2015.
3
1. Цель и задачи освоения дисциплины
Цель изучения дисциплины является формирование системы предметных знаний
профессиональной подготовки бакалавров математики информатики в области высоких
технологий, находящихся на стыке информатики, кибернетики, математики, физики и
технологии.
Задачи:
 помочь обучающемуся получить представление о сфере высоких технологий.
 изучение основных понятий роботизированных систем их проектирования и
программирования;
 изучение программного обеспечения для программирования роботизированных систем;
 приобретение навыков по проектированию, конструированию и программированию
роботизированных систем.
 воспитывать общую информационную культуру,
 подготовка к инновационной деятельности со школьниками.
В целом дисциплина направлена на подготовку будущих бакалавров педагогического
образования к решению следующих профессиональные задачи в соответствии с видами
профессиональной деятельности:
 научно-исследовательская деятельность: применение методов математического и
алгоритмического моделирования при анализе прикладных проблем
 производственно-технологическая
деятельность:
использование
технологий
и
компьютерных систем управления объектами
2. Место дисциплины в структуре ООП ВО
Дисциплина «Основы теории автоматического управления и робототехники» относится к
дисциплинам по выбору – Б3.В.ОД.21. Организационной формой занятий по данной
дисциплине являются лекции и лабораторные занятия. Дисциплина изучается на 5 курсе, общий
объем составляет 108 часов и предусматривает как аудиторные занятия – 10 часов, так и
самостоятельную работу студентов – 94 часов. Аудиторные занятия делятся на лабораторные
занятия – 6 часов, лекционные занятия -2 часа. Самостоятельная работа является внеаудиторной
и предназначена для углубления знаний студентов по определенным разделам курса на основе
рекомендованной преподавателем литературы, подготовки и выполнения индивидуальных
проектных заданий.
Формой промежуточного контроля по дисциплине является – зачет.
В рамках данной дисциплины предусмотрено рассмотрение основных понятий:
робототехника,
мехатроника,
кибернетика,
программирование
автоматизированных
самоуправляемых систем. Основное содержание дисциплины опирается на знания, полученные
при изучении дисциплин «Физика», «Основы микроэлектроники», «Практикум решения задач
н», «Дифференциальные уравнения».
Знания, полученные студентами при изучении данной дисциплины будут востребованы
при изучении курсов по выбору, «Технология NXT и ее программирование», прохождении
практик, в предстоящей практической деятельности, при организации кружковой и
факультативной работы по информатике, при написании ВКР, обучении в магистратуре.
3. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
3.1. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций в
соответствии с ФГОС ВО и ООП ВО по данному направлению подготовки (специальности):
4
 готовностью использовать основные методы, способы и средства получения, хранения,
переработки информации, готовностью работать с компьютером как средством управления
информацией (ОК-8).
 способностью разрабатывать и реализовывать учебные программы базовых и элективных
курсов в различных образовательных учреждениях (ПК-1)
3.2. В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
 технологию создания и программирования автономных роботов;
 принципы работы роботизированных систем и особенности их программирования.
уметь:
 проектировать учебные автономные роботизированные системы, разрабатывать программы
для ее функционирования.
владеть:
 навыками конструирования и программирования роботизированных систем.
4. Содержание и структура дисциплины (модуля)
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы (108 часов)
4.1. Структура дисциплины
Таблица 1
№
1
2
3
4
5
6
Наименование раздела
дисциплины
История развития
робототехники
Основы
конструирования
моделей мобильных роботов
Основы
потокового
программирования
Основы теории автоматического управления мехатронными системами
Решение практических задач
Учебный робот
Семестр
Виды учебной работы
(в академических часах)
аудиторные занятия
СР
ЛК
ПЗ
ЛР КСР
10
1
20
1
10
20
2
4
24
4.2. Содержание дисциплины
Таблица 2
Наименование
Содержание раздела
№
раздела дисциплины
(дидактические единицы)
История развития
Предпосылки возникновения и основные исторические этапы
1
робототехники
развития робототехники. Классификации современных
роботов
Физические основы конструирования мехатронных систем.
Различные фиды механических передач, используемых в
Мехатроника
и
роботостроении: прямые, зубчатые, ременные, кулачковые,
2
основы
шарнирные, шатунные, цепные и т.д. Коробки передач.
микроэлектроники
Конструирование мехатронной системы робота Основы
функционирования датчиков робота (звука, касания, света,
5
3
4
5
6
цвета, инфракрасный датчик и т.д.)
Среда
программирования
робота.
Основы
языка
проектирования управляющих программ. Управление
Основы потокового моторами. Управление датчиком оборотов. Повороты.
Использование датчика касания. Реакция на внешнюю
программирования
информацию: датчик ультразвука. Реакция на внешнюю
информацию: датчик цвета.
Регуляторы. Математические основы использования
регуляторов: релейного, П-регулятора, ПД-регулятора, ПИДТАУ
регулятора, кубического, тригонометрического..
Программирование регуляторов
Решение
Классические робототехнические задачи
практических задач
Конструирование и программирование учебного робота с
Учебный робот
заданными характеристиками
5. Образовательные технологии
Таблица 3
№
№
занятия раздела
Тема занятий
Виды
образовательных
технологий
Лекционные занятия
История развития робототехники
1.
1
2.
3
Основы потокового программирования
Понятие регулятора Релейный регулятор.
3.
4
4.
4
Релейный регулятор и его применение.
5.
4
Пропорциональный регулятор и его
применение
6.
4
Пропорционально-дифференциальный
регулятор и его применение
Кубический регулятор
7.
8.
4
4
1.
2
2.
3
ПИД-регулятор
и
его
применение
Использование
тригонометрических
функций для регуляторов
Лабораторные работы
Механические передачи
Конструирование робота
практических задач
для
решения
Лекция
визуализация,
видеолекция
Лекция
визуализация,
видеолекция
Лекция
визуализация,
видеолекция
Лекция
визуализация,
видеолекция
Лекция
визуализация,
видеолекция
Лекция
визуализация,
демонстрация
Проблемная
лекция
визуализация,
демонстрация
Проблемная
лекция
визуализация,
демонстрация
творческий
проект
творческий
проект
Кол-во
часов
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
6
3.
4
4.
5
5.
5
6.
5
7.
5
8.
6
9.
6
10.
6
11.
6
Основы
и
программирования
среда
потокового
Поведение Beam-робота с одним датчиком
освещенности (исследование взаимного
влияния механики и регуляторов)
Поведение Beam-робота с двумя датчиками
освещенности (исследование взаимного
влияния механики и регуляторов)
Решение
сложных
задач
(подсчет
перекрестков, движение по инверсной
линии, движение по траектории с
препятствиями)
Классические задачи мобильных роботов:
решение лабиринта, кегельринг
Взаимодействие двух роботов.
Программирование
учебного
роботаманипулятора с заданными функциями
Разработка индивидуального творческого
проекта. Презентация проекта
Разработка творческого проекта
Решение
практических
заданий
творческий
проект
2
2
творческий
проект
2
творческий
проект
2
творческий
проект
творческий
проект
творческий
проект
творческий
проект
творческий
проект
2
2
2
4
6
6. Самостоятельная работа студентов
Таблица 4
№
Наименование раздела
дисциплины
1
История развития
робототехники
2
Основы конструирования
моделей
мобильных
роботов
3
Основы
потокового
программирования
4
ТАУ
5
Решение
задач
практических
6
Учебный робот
Вид самостоятельной работы
1. Конспект учебного материала
2. Изучение специальной
литературы.
3. Подготовка реферата
4. Конспект учебного материала
5. Изучение специальной
литературы.
1. Конспект учебного материала
2. Изучение специальной
литературы.
3. Выполнение творческого задания
1. Выполнение творческого задания
по каждой лабораторной работе
2. Подготовка к тесту
1. Выполнение творческого задания
по каждой лабораторной работе
2. Подготовка к тесту
1. Разработка конструкции
2. Разработка управляющих
программ
Трудоемкость
(в академических
часах)
5
10
5
10
10
18
7
7. Компетентностно-ориентированные оценочные средства
7.1. Оценочные средства диагностирующего контроля
Регулярная проверка качества выполненной проектной работы, Устный опрос,
собеседование.
0-5
0-5
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
0-2
0-2
0-2
–
–
–
–
–
–
0-10
0-5
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
0-20
лабораторная
работа
–
–
–
другие формы
–
–
–
–
–
Информаци
онные
системы и
технологии
электронные
практикумы
0–5
комплексные
ситуационные
задания
0-5
программы
компьютерного
тестирования
–
эссе
0-5
0-5
0-5
реферат
0-3
0-3
0-3
тест
ответ на семинаре
–
–
–
Письменные работы
контрольная
работа
собеседование
№
Темы
коллоквиумы
Устный опрос
Технические
формы контроля
Итого количество баллов
7.2. Оценочные средства текущего контроля: модульно-рейтинговая
технология оценивания работы студентов
7.2.1. Распределение рейтинговых баллов по модулям и видам работ
Таблица 5. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Модуль 1
1
2
3
Всего
Модуль 2
4
Всего
Модуль 3
5
6
Тест
итог
Всего
–
–
–
0-10
0-10
0-10
0-30
–
0-10
0-30
0-30
–
0-5
–
–
–
–
0-10
0-10
–
–
–
0-20
Итого за семестр
7.2.1. Распределение рейтинговых баллов по модулям и видам работ
Таблица 6
Виды работ
Максимальное количество баллов
Модуль 1
Модуль 2
Модуль 3
Аудиторные занятия
Работа на практических
занятиях
Текущее тестирование
Самостоятельная работа
Итого за работу в семестре
Обобщающий контроль
Итого
0-40
0-100
Итого
15
15
15
35
10
5
30
30
10
5
30
30
10
5
30
10
40
30
15
90
10
100
7.2.2. Оценивание аудиторной работы студентов
Таблица 7
8
№
1
2
Наименование
раздела
дисциплины
По всем
разделам
По всем
разделам
Формы оцениваемой работы
Максимальное
Модуль
количество
(аттестация)
баллов
Работа на лекциях
1) активное участие в обсуждении
изучаемых вопросов
2) ответы на контрольные вопросы
3) самостоятельное конспектирование
(восполнение) пропущенных данных
Работа на лабораторных занятиях
1) выполнение вариативных
заданий в полном объеме;
2) текущее тестирование по
теории лабораторных работ
5
1-3
5
5
10
1-3
6
7.2.3. Оценивание самостоятельной работы студентов
Таблица 8
№
Наименование
раздела (темы)
дисциплины
По всем
разделам
Формы оцениваемой работы
Максимальное
Модуль
количество
(аттестация)
баллов
5
1-3
1) детальная проработка тем
2) творческий и результативный
подход к выполнению заданий
5
3) участие в оформлении кабинета
«Робототехники»
5
7.2.4. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости
Перечень примерных тестовых заданий
А)
1
9
Б)
7.3 Оценочные средства промежуточной аттестации
7.3.1. Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний, умений,
навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей этапы формирования
компетенций в процессе освоения образовательной программы.
Процедура оценивания производится в форме подготовки и презентации разработанных
технических решений. Семестровый курс предлагается оценивать по шкале в 100 баллов. Для
дифференцированного зачета предлагается следующая шкала, обеспечивающая сопоставимость
с международной системой оценок:
Таблица 9
Вид
аттестации
Допуск к
аттестации
Зачёт
40 баллов
61 балл
Дифференцированный зачет (соответствие
рейтинговых баллов и академических оценок)
Удовл.
Хорошо
Отлично
61-72 баллов 73-86 баллов
87-100 баллов
7.3.2. Типовые контрольные задания или иные материалы, определяющие процедуры
оценивания знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующие
этапы формирования компетенций.
Перечень примерных вопросов к зачету
1. Предпосылки возникновения и основные исторические этапы развития робототехники.
2. Применение роботизированных систем в различных областях человеческой деятельности.
3. Основные подсистемы робота.
4. Основные виды механических передач.
5. Основы функционирования датчиков звука,
6. Основы функционирования датчиков касания,
10
7. Основы функционирования датчиков света,
8. Основы функционирования датчиков цвета,
9. Основы функционирования инфракрасного датчика,
10. Основные принципы потокового программирования
11. Основные блоки, программирующие движение
12. Программирование датчика касания
13. Программирование датчика света
14. Программирование датчика цвета
15. Программирование датчика звука
16. Программирование датчика ультразвука
17. Программирование инфракрасного датчика
18. Основы работы в среде Robolab (LabView)
19. Основные палитры компонентов в среде Robolab
20. Типы команд.
21. Команды действия,
22. Команды ожидания.
23. Управляющие структуры,
24. Подпрограммы,
25. события,
26. Модификаторы,
27. Контейнеры,
28. Библиотека пользователя.
29. Параллельные задачи.
30. Управление датчиками.
31. Управление моторами.
32. Повороты робота
33. Точные перемещения робота
34. Теоретические основы реализации релейного регулятора.
35. Теоретические основы реализации ПД – регулятора
36. Использование ПД – регулятора при движении в лабиринте
37. Кубическая составляющая ПД – регулятора
38. Плавающий коэффициент ПД – регулятора
39. ПИД – регулятор
40. Использование релейного регулятора при движении с одним датчиком света
41. Использование релейного регулятора при движении с двумя датчиками света
42. Управление моторами с помощью релейного регулятора
43. Теоретические основы реализации пропорционального регулятора
44. Управление моторами с помощью пропорционального регулятора
45. Управление роботом-футболистом с помощью пропорционального регулятора
46. Движение робота в лабиринте
47. Объезд препятствий.
48. Удаленное управление поведением робота
11
1.3.3. Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе
освоения образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций):
12
7.3.4. Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах
их формирования, описание шкал оценивания:
Таблица 10. Карта критериев оценивания компетенций
Виды
Критерии в соответствии с уровнем освоения ОП
занятий
Оценочные
(лекции,
средства
Код
семинар(тесты,
компетен
ские,
творческие
пороговый
повышенный
базовый (хор.)
ции
практически
работы,
(удовл.)
(отл.)
76-90 баллов
е,
проекты
и
61-75 баллов
91-100 баллов
лабораторны
др.)
е)
Лекции,
Тесты,
Знает:
Знает
Знает:
основные
лабораторны
практические
Значение
принципы
понятия
и информации и построения
е,
задания,
определения
практически опрос,
ИТ для
мехатронных
ИТ
е работы.
самостоятель
развития
систем;
ны работы.
Умеет:
современного
Умеет:
пользоваться
общества
эффективно
научнотехнической
использовать
Умеет:
литературой
основные
аппаратные и
ОК-8
по предметной приемы
программные
области;
работы в
компоненты
Владеет:
компьютерных при решении
навыками
сетях.
различных
решения
использовать
задач.
типовых
базовое ПО
задач.
для решения
типовых задач
Знает:
Знает:
Знает:
Лекции,
Задачи,
особенность
Специфику
Специфику
практически опрос,
обучения в
предметного
элективного
е работы.
самостоятель
школе
содержания
обучения по
ны работы.
Умеет:
Умеет:
информатике
использовать
Использовать
Умеет:
полученные
нетиповые
Адаптировать
знания в
методы и
применение
своей работе. приемы для
педагогических
ПК-1
Владеет:
организации
технологий к
Планирования обучения при
предметному
учебного
обучении
содержанию
процесса по
Владеет:
Владеет:
информатике
педагогически навыками
ми
разработки
технологиями учебных
программ
элективных
курсов
13
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Ахметшин, М.Г. Теоретическая механика: учебное пособие / М.Г. Ахметшин, Х.С.
Гумерова, Н.П. Петухов. - Казань: Издательство КНИТУ, 2012. - 139 с.
2. Филиппов С.А. Робототехника для детей и их родителей. – СПб.: Наука, 2011. – 263 с.
3. Чижма, С.Н. Электроника и микросхемотехника: учеб. пособ./ С.Н. Чижма. - М.: Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2012. - 359 с.
4. Сборник задач по дифференциальным уравнениям и вариационному исчислению / под ред.
В.К. Романко. - 4-е изд. (эл.). - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 219 с.
б) дополнительная литература:
1. Дифференциальные и интегральные уравнения, вариационное исчисление в примерах и
задачах : учеб. пособие для студ. вузов / А. Б. Васильева [и др.]. - 3-е изд. - М.: Лань, 2010. 432 с.
2. Афонин В.Л. Интеллектуальные робототехнические системы: курс лекций: учеб.пособ. для
студ. вузов.- М.: Интуит, 2005.
3. Василенко Н.В. Основы робототехники / Н.В. Василенко, КД. Никитан, В.П. Пономарёв,
А.Ю. Смолин. - Томск: МГП "РАСКО", 1993. – 470 с.
4. Хейзерман Д. Как самому сделать робота. - М.: Мир, 1979. – 196 с.
в) Интернет-ресурсы
1. http://ru.wikipedia.org – Википедия.
2. http://myrobot.ru/ - Сайт о роботах, робототехнике, микроконтроллерах
3. http://www.festo.com/ - Сайт производителя системы Robotino на русском языке
г) Методические указания к практическим занятиям
Для проведения практических занятий необходимы:
1. учебные робототехнические конструкторы в количестве не менее 10 шт.
2. Среда программирования учебного робота RoboLab (LabView).
3. Аудитория не менее 25 м2
4. Поля для соревнований
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для обеспечения занятий:
Компьютер P 1400/256/40Gb/3,5/CD/USB - 11 шт;
Мультимедийный проектор – 1 шт.;
Проекционный экран – 1 шт.;
Установленные на компьютер Microsoft PowerPoint
Установленная на компьютеры среда программирования RoboLab (LabView).
конструкторы учебных роботов 10 шт.
Аудитория не менее 25 м2
Поля для соревнований.
14
10. Паспорт рабочей программы дисциплины
Разработчик: Ечмаева Галина Анатольевна, к.п.н., доцент кафедры информатики, Т и МОИ
Программа одобрена на заседании кафедры информатики, Т и МОИ
от «4» сентября 2014 г., протокол № 1.
Согласовано:
Зав. кафедрой Малышева Е.Н.
«4» сентября 2014 г.
Согласовано:
Специалист по УМР _________________
«___» ________________ г.
15