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.