▌01 课程背景

根据2021年之初，与自动化系张长水教授讨论，对于 2021春季学期-创新设计与实践-高级下 中关于工程部分（智能控制）内容，进行了初步的设计，详细参见：

CDIE-2021春季课程内容设计 | 火场逆行

经过2021-2-19日讨论之后，对于课程原定八周，每周两天（周二、周五）教学内容进行具体课程设计。

1.课程基本情况

课程总课时：

八周时间，每周课程为周二，周五；上课时间为：下午第3,4大节
学时数：32学时

学生情况：

根据 2021春季学期-创新设计与实践-高级下 中记录的课程微信群中的数量，学生总共有14人。

^{▲ 张长水教授在与十名课程的学生交流}

2.课程设计要求

（1）设计原则

根据南方科技大学 培养未来工程人才的南科大实践 - 记录 中对于SDIM课程设计架构，需要对于课程项目设计达到以下目标：

具有确定的知识模块衔接链条，能够涵盖相应的课程的核心知识内容。鉴于清华的CDIE学生在课程之前和同期还在学习独立的传统课程，所以这部分内容需要借助于他们已经学习和正在学习课程的内容；
推送学生进行多学科知识交叉融合时间的动力：在内容涉及方面需要确定至少两门以及两门以上的专业门类。在本课程中，由于本身就包括有自动控制与外形设计与制作两大专业课程；
促进学生自主学习的工具：在设定内容和讲解过程中，需要明确那些知识是在课堂上传递，那些知识是同学们根据教师提供的资源在课下学习的；
学生应用所学知识动手实践的对象：需要有明确学习、动手实践的环节；
培育团队精神的平台：在后期需要同班的同学组成小组完成最终课程目标。

（2）设计内容

关于课程结构设计内容包括以下几个方面：

课程整体描述：
- 课程理念；
- 课程内容；
- 课程结构与进度：使用甘特图表述；
- 课程考核；
知识点嵌入视图：通过表格给出：所需要的知识点要求；讲解内容；自学内容；考核内容以及动手实践环节；
课程进度视图：通过表格给出每周课程安排；

^{▲ 本课程班级的两位女生}

▌02 课程结构设计

1.整体描述

（1）课程结构设计理念

关于课程设计指导思想中的内容，基于CDIE班的教学理念：（待补充），提出通过项目引导式教学模式达到主动学习的目标，在传授科技知识的同时，提高学生综合素质和多学科知识融合以及应用能力。针对2021年的创新设计与实践课程(CDIE)课程要求参加下面“课程内容”的具体要求。

（2）课程内容

面向未来智能机器人的在工业界与生活中的广泛应用，设计与实现一款能够自主运动的轮式机器人，能够通过传感器感知特定环境来实现特定任务。具体要求：

基于给定的智能车的硬件和软件开发平台，学习相关软硬件技术，使其能够完成基本的环境感知与运动控制；
根据给定硬件平台的基本性能，设计一款面向未来智能车机器人的基本应用任务，比如自动物品递送、危险品搜索、紧急救援等；并根据任务要求，对软硬件进行合理裁剪与开发；
根据任务要求设计智能平台（外观）的外形，增加其性能；
在掌握专业知识学习的同时，锻炼对综合项目设计规划的能力；团队协作交流沟通的能力；资料搜索与自学的能力等。

（3）课程结构与进度

课程内容整体上包括有智能无人系统控制（智能车模平台）与工业外形设计两部分；在前4~5周主要集中在智能车模平台的开发相关技术的学习与联系；在后三周完成任务设计、机器人机械外观设计与制作，并最终完成任务演示。

课程的教学环节包括课程讲解、课后作业实践、最终交流演示三部分。

每周的进度安排参见下面第三部分“课程进度安排”。

（4）课程考核

参加课程同学分成若干小组，每组成员2~3名组成。作业、报告、交流、项目演示都以小组为单位。

课程考核包括以下三个方面：
1）平时作业评估分数；2）口头报告与交流；3）项目最终演示与提交报告。

2.知识点嵌入

作为课程的基本要求，前四个方面的知识点是基本要求的。后面三个知识点是扩展，可以由同学们自行选择，主要通过MOOC，自学方式完成。

知识点嵌入	讲解内容	自学内容	时间	作业与实验	考核与评估
嵌入式系统设计	1.嵌入式系统设计基本概念 2.嵌入式系统软件开发与RTOS 3.智能移动平台控制模块 4.单片机接口	1. 开发语言Python学习 2. 控制平台OpenMV, Respberry模块学习	8	1.控制核心模块 2.控制模块与PC通信	1.作业评估； 2.口头报告；
机器视觉	1.图像处理基本典型算法 2.OpenCV主要调用函数	1.利用Python调用OpenCV库 2.AprilTag识别与定位	4	1.识别直线，色块 2.识别AprilTag方位与内容	1. 作业评估 2.口头报告
运动控制	1.智能移动平台结构与构成 2.基本运动控制原理 3.小型电机驱动与速度控制； 4.运动轨迹控制与路径规划；	1.基本PID控制及算法实现 2.目标跟踪	8	1.在实验平台完成沿线运动 2.利用实验平台完成目标跟踪	1. 作业评估 2.书面实验报告
工程设计与快速成型	有待补充	有待补充	10	1.根据主题设计，设计运动模型与场地环境； 2.根据节能要求，设计运动效率更高的车模	1. 作业评估: 2.设计报告
传感器技术（扩展）	0.传感器基本原理 1. 光电传感器 2.图像传感器 3.电磁传感器	1. 移动平台上的光电传感器电路 2.超声波传感器 3.电磁定位技术	8	1.设计局部避障方案并给出实验结果	1.作业评估； 2.口头报告
电力电子（扩展）	1.功率电子与电力转换基本概念 2.无线电能传输技术 3.节能电路设计	1.LCC电能补偿设计，实现电能有效变换	4	1.根据实际无线电发送模块，设计接收电路（原理图）	1.作业评估; 2.调研节能产品
机器学习（扩展）	1.机器学习与基本概念 2.嵌入式平台如何利用机器学习	1.学习PaddlePaddle平台 2.在Raspberry部署基本机器学习算法	8	1.布置基本机器视觉中关于水果与动物分类	1. 作业评估； 2.口头报告

3.课程进度安排

时间	课程内容	课后要求	作业
第一周第1次课程	1.课程概况 2.实验平台介绍 3.智能车竞赛简介 4.Python语言简介	1.学习Python编程语言
第一周第2次课程	1.智能车模平台结构 2.驱动模块与接口 3.基本运动控制	1.学习PID基本算法； 2.练习PID调节算法实现	Python软件编程练习
第二周第1次课程	1.Pi Pico 模块； 2.Raspberry模块, 3.其他更多的MicroPython模块	1.通过模块官方网站，学习模块更多性能与开发过程
第二周第2次课程	1.主控平台与车模驱动接口 2.车模中其他传感器	1.控制平台做基本运动；前行，后退，转弯等	1.控制平台基本实验 2.控制平台与车模驱动之间联系; 3.车模基本运动
第三周第1次课程	1.机器视觉基本原理 2.OpenCV简介 3.典型算法	1.学习Python OpenCV函数调用; 学习在嵌入式平台上实现算法
第三周第2次课程	1.AprilTag定位原理	1.学习AprilTag生成算法；2.学习AprilTag程序实现	1. 识别基本环境元素(点、线、区域分割) 2.AprilTag识别算法
第四周第1次课程	1.嵌入式开发技术 2.环境感知传感器; 3.单片机电源管理	针对项目中可能用到的传感器自学 1.光电传感器 2.超声波传感器 3.通讯模块
第四周第2次课程	课程讨论: 根据控制平台的特点讨论最终课程项目的主题、内容、以及实现方案	1.对于自行要求的方案进行设计规划	1.针对自己的项目给出设计方案，讨论问题的调研、定义、基本方案与进度、风险分析等等。
第五周第1次课程	1. 电力电子； 2.电能转换技术； 3.无线电能传送	1.学习信标系统的基本原理; 2.练习信标系统操作方案
第五周第2次课程	1.电磁定位技术	1.测试电磁感应模块与主控板的联系 2.自行学习和设计电磁定位算法	1.测试智能车模基本运动功能比如：面向信标定向运动； 2.测试车模避障功能；
第六周第1次课程	这部分属于扩展内容，可以根据自己方案来听讲： 1.机器学习简介 2.如何在Raspberry平台部署机器视觉算法	可以选择下面任务任意一个: 1.进一步学习PaddlePaddle平台使用方法； 2.进一步优化自己任务的工程算法
第六周第2次课程	工业外形设计	1.熟悉设计软件 2.熟悉快速成型工艺	1.给出外形设计方案 2.论证设计合理性
第七周第1次课程	工业外形设计	1.对车模运行平稳、灵活性进行优化 2.对车模运行节能进行优化	待定
第七周第2次课程	课程讨论：同学们根据自行方案进行汇报。	根据课程讨论的结果进行改进；进行现场布置和调试	1.准备课程最终演示 2.准备汇报PPT 3.准备最终的技术报告
第八周第1次课程	成果展示：将项目进行现场演示；对于设计内容进行汇报
第八周第2次课程	课程交流	待定	待定

^{▲ 第一次课程在三才堂的611教室}

▌03 课程内容设计

这部分内容主要参见： 2021春季学期-创新设计与实践-高级下

相对于每周的课程，备课信息如下：

2021春季学期-创新设计与实践-Lesson1
2021春季学期-创新设计与实践-Lesson2
2021春季学期-创新设计与实践-Lesson3
2021春季学期-创新设计与实践-Lesson4

▌相关资料

2021春季学期教学记录
2021春季学期-创新设计与实践-高级下
2021春季学期-创新设计与实践-课程结构设计
Raspberry PI 官方网站
Raspberry 网站中文官方网站
Raspberry 论坛
树莓派中文设计网站
基于树莓派的智能小车
两款带有WiFI的MicroPython模块：ESP32，ESP8266
ESP32模块的MicroPython的基本实验
ESP8266的一些MicroPython基础实验
pyBoard Mini从安装到简单测试
基于PI Pico一些基础实验
安装 Thonny 软件环境开发PI Pico
RASPBERRY PI PICO 开发板基础测试
2021春季学期-创新与实践-硬件平台硬件
树莓派小车python操作流程–龙邱科技

■ 相关文献链接:

2021春季学期-创新设计与实践-高级下
CDIE-2021春季课程内容设计 | 火场逆行
培养未来工程人才的南科大实践 - 记录

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