"卓越之星"模块化机器人
“卓越之星”模块化机器人是面向机器人工程、人工智能、机电类、自动化类、电子信息类等工科专业的专业核心课实验、综合实验和创新竞赛的平台。“卓越之星”以模块化组件作为机器人组织结构形式，使用全栈自研的感知模块、控制模块、驱动模块、计算模块、通讯模块等，满足新工科相关专业的专业核心课程的实验教学需求。提供了完善的配套资料，具有上手简单、全面开源、扩展性强、资源丰富，覆盖实验教学广泛的特点。
（1）产品特点
● 功能和内容全面，适用于多个工科专业
包含多种结构组件、动力模块、传感器模块与计算单元、控制单元，在全自研机器人核心软件系统的支撑下，除了可实现基本的组装、驱动、运动控制等功能外，还具有自主决策、自主定位、自主导航与路径规划、自主目标识别等功能。重点支持机器人工程、人工智能、机电类、自动化类等工科专业的专业核心课实验、专业综合实验、毕业设计等，支持各类科技创新与竞赛，支持研究生的科研课题。
● 与行业应用场景充分结合
提供丰富的构型库，如家庭服务机器人、商业服务机器人、工业服务机器人、协作机器人、农业机器人、特种机器人等标准构型，并配套了与构型一致，贴合构型行业应用的综合实践案例与实验指导书。
● 上手简单，便于调试
真正做到“零门槛”，产品内置上位机调试软件与专用硬件调试器设备，对机器人的调试变得非常简单，没有机器人相关技术基础的学生也可以依照调试指南快速上手。
● 全开源，自由扩展
结构上预留了大量的标准接口，可以使用各种设备设计加工新的结构件，实现结构的自由扩展；预置算法和应用软件全部开源，且提供ROS和Python的调用接口，用户不必重复造轮子；执行总控支持嵌入式单片机编程与控制调试，采用总线式通讯方式，用户可以将控制器单独连接电脑，针对每一个接口进行单独开发与调试。
● 前沿算法封装，支持创新与拔高
内置算法库包含一系列先进的SLAM、路径规划、感知与避障、目标检测与识别等算法，并进行了封装便于调用，方便用户在此基础上提高自己的智能化算法设计水平，进行更有挑战性的创新。
（2）核心控制
● 核心处理器与软件平台
核心控制器安装Linux操作系统，配置ROS机器人系统，可完成各种机器人构型的软件与算法功能。可直连相机进行图像处理，进行多种人工智能视觉应用开发、ROS机器人功能开发。提供大量自研的机器人核心算法，包括环境感知与定位、机器视觉、人工智能、人机交互、自然语言处理、导航与规控、避障与脱困等，对算法进行了封装并预留了基于C++和Python两种语言的SDK，方便实验教学过程中进行编程调用。
● 执行总控模块
执行总控模块是“卓越之星”的小脑，是一款基于单片机的机器人嵌入式控制器。采用GD32F450系列的MCU，Cortex-M4内核主频200MHz，板载丰富的接口，通过串口与系统主机通讯，配置了液晶显示屏、按键等，方便用户快速调试程序。配置丰富的传感器接口，可将超声、TOF、碰撞等传感器连接在控制器上。配置机器人数字舵机接口，可直接驱动多个数字舵机。配置电机接口，可驱动多路电机。嵌入式控制器和电源板结合在一起，可以为多种外设供电。执行总控模块接口如下：
①预留DAP_Link接口，用于烧录程序；
②控制器和主机通信接口，用于上位机获取控制器参数以及控制电机、舵机等；
③4个舵机接口；
④4个电机接口；
⑤2个单总线传感器接口；
⑥1个传感器拓展板接口；
⑦调试工具接口；
⑧2个USB 5V供电接口；
⑨主控制器12V供电接口；
执行总控模块还可外挂传感器接口板，支持更多传感器扩展功能，提供4路碰撞传感器接口，12路ADC传感器接口。
● 硬件调试器
硬件调试器可对单个舵机进行调试控制、ID修改、参数查看。可对电机进行调试、参数查看。可直连传感器对传感器数据进行信息查看。可以连接嵌入式控制器。对机器人底盘进行运动测试，保障机器人良好的运行状态。
（3）动力模块
● 数字舵机
“卓越之星”机器人关节采用自研数字舵机，数字舵机通过TTL总线与执行总控模块连接，并可以使用硬件调试器单独进行调试。舵机为数字式控制/反馈，堵转扭矩25kgt.cm，最多可连接254个节点。
● 底盘电机
“卓越之星”运动动力采用直流电机，直流电机自带独立驱动，可以使用执行总控模块或硬件调试器单独驱动调参。使用485总线通信模式，支持速度和电流双闭环控制模式，极大提高了控制精度和抗干扰能力。可配合麦克纳姆轮、全向轮、橡胶轮等多种轮子使用。
● 电池模组
“卓越之星”电池模组容量10000mAh，配有智能BMS（电源管理模块），带电量显示功能和充电显示功能。
（4）传感器
“卓越之星”配置多种传感器，满足各类机器人应用场景对感知的需求。
（5）结构件
“卓越之星”包含丰富的结构件，包含5052铝合金材质和Q235碳素结构钢材质的多种金属结构件，采用国标标准件连接，可以搭建多种底盘形态，如四轮全向、两轮差速、三轮全向等。搭配舵机可搭建多个自由度的单机械臂和双机械臂等，同时配有云台组件、机械爪组件、射击组件、全向轮、麦克纳姆轮、橡胶轮等，用户可根据需求构建各种机器人。
（6）典型构型
预置了丰富的构型库，支持搭建多种主流的机器人形态，配有对应的构型搭建指南、综合实践案例等实验指导书。
（7）软件功能示例
课程设置示例
课程名称：以机器人为载体的自动控制原理实验、以机器人为载体的理论力学实验、机器人结构设计、机器人电子电路设计、电机应用开发实验、嵌入式单片机系统实验、以模块化机器人为载体的机电一体化系统设计、机器人学基础、Linux操作系统、机器人操作系统、机器人感知传感技术、机器视觉与人工智能、机器人人机交互、机器人定位与导航、智能机器人综合实践等。
开课年级：大二-大四
基于”卓越之星”平台的实验课程体系丰富完善，可支持相关新工科专业的专业核心课实验、综合实践、创新竞赛、毕设等，课程内容涵盖了机器人系统设计的各个方面。
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以机器人为载体的自动控制原理实验（8学时） |
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|---|---|---|---|
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课次 |
课程内容 |
学时 |
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第1次 |
控制系统的稳定性分析 |
2 |
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第2次 |
PID控制实验 |
2 |
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第3次 |
状态反馈控制实验 |
2 |
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第4次 |
MPC控制实验 |
2 |
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以机器人为载体的理论力学实验（8学时） |
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|
课次 |
课程内容 |
学时 |
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|
第1次 |
验证牛顿运动定律 |
2 |
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|
第2次 |
动量与冲量实验 |
2 |
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|
第3次 |
角动量与机器人旋转 |
2 |
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|
第4次 |
能量转换与机器人效率 |
2 |
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|
机器人结构设计（12课时） |
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|
课次 |
课程内容 |
学时 |
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|
第1次 |
机器人材料选择与处理 |
2 |
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|
第2次 |
机器人主体结构设计 |
2 |
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|
第3次 |
机器人结构装配与调试 |
2 |
|
|
第4次 |
机器人结构设计项目实践 |
6 |
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|
机器人电子电路设计（16课时） |
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|
课次 |
课程内容 |
学时 |
|
|
第1次 |
基本电子元件与电路认知 |
2 |
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|
第2次 |
放大与滤波电路设计 |
2 |
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|
第3次 |
机器人电源电路设计 |
2 |
|
|
第4次 |
微控制器接口电路设计 |
6 |
|
|
第5次 |
电机驱动电路设计 |
2 |
|
|
第6次 |
综合电路设计与实践 |
6 |
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|
电机应用开发实验（8课时） |
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|
课次 |
课程内容 |
学时 |
|
|
第1次 |
电机种类与特性认识 |
1 |
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|
第2次 |
单片机定时器详解 |
1 |
|
|
第3次 |
直流有刷电机 |
1 |
|
|
第4次 |
舵机控制 |
1 |
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|
第5次 |
编码器 |
1 |
|
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第6次 |
电机控制系统 |
1 |
|
|
第7次 |
直流电机速度环控制实现 |
1 |
|
|
第8次 |
综合电机驱动与控制实验 |
1 |
|
|
嵌入式单片机系统实验（32学时） |
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|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
嵌入式系统硬件平台认识 |
1 |
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|
第2次 |
C语言逻辑运算 |
1 |
|
|
第3次 |
LED实验 |
2 |
|
|
第4次 |
定时器中断实验 |
2 |
|
|
第5次 |
按键实验 |
2 |
|
|
第6次 |
串口收发实验 |
2 |
|
|
第7次 |
IIC通信实验 |
2 |
|
|
第8次 |
SPI通信实验 |
2 |
|
|
第9次 |
ADC通信实验 |
2 |
|
|
第10次 |
液晶屏实验 |
2 |
|
|
第11次 |
总线式传感器读取实验 |
2 |
|
|
第12次 |
总线式舵机驱动实验 |
2 |
|
|
第13次 |
电机驱动控制实验 |
2 |
|
|
第14次 |
底盘驱动控制实验 |
2 |
|
|
第15次 |
嵌入式系统综合设计 |
6 |
|
|
以模块化机器人为载体的机电一体化系统设计（24学时） |
|||
|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
绪论 |
2 |
|
|
第2次 |
机电一体化设计基础 |
4 |
|
|
第3次 |
模块化机器人设计原理 |
6 |
|
|
第4次 |
模块化机器人构型应用分析 |
4 |
|
|
第5次 |
机电一体化系统设计实践 |
8 |
|
|
机器人学基础（8学时） |
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|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
机械臂搭建与舵机控制 |
2 |
|
|
第2次 |
正运动学 |
2 |
|
|
第3次 |
逆运动学 |
2 |
|
|
第4次 |
传感器抓取实验 |
2 |
|
|
Linux操作系统（16学时） |
|||
|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
Linux基础 |
2 |
|
|
第2次 |
Linux进程 |
2 |
|
|
第3次 |
Linux信号 |
2 |
|
|
第4次 |
Linux管道 |
2 |
|
|
第5次 |
Linux线程 |
2 |
|
|
第6次 |
Linux串口通信 |
2 |
|
|
第7次 |
Linux网络通讯 |
2 |
|
|
第8次 |
Linux综合实验 |
2 |
|
|
机器人操作系统（16学时） |
|||
|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
机器人操作系统 |
2 |
|
|
第2次 |
主题与消息 |
2 |
|
|
第3次 |
服务 |
2 |
|
|
第4次 |
参数 |
2 |
|
|
第5次 |
动作 |
2 |
|
|
第6次 |
调试与日志 |
2 |
|
|
第7次 |
动态参数 |
2 |
|
|
第8次 |
ROS应用 |
2 |
|
|
机器视觉与人工智能（24学时） |
|||
|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
图像基本操作 |
2 |
|
|
第2次 |
图像基础 |
2 |
|
|
第3次 |
图像处理 |
2 |
|
|
第4次 |
特征提取 |
2 |
|
|
第5次 |
特征匹配 |
2 |
|
|
第6次 |
目标检测1 |
2 |
|
|
第7次 |
目标检测2 |
2 |
|
|
第8次 |
目标检测3 |
2 |
|
|
第9次 |
目标跟踪 |
2 |
|
|
第10次 |
相机标定 |
2 |
|
|
第11次 |
二维码检测 |
2 |
|
|
第12次 |
深度学习的目标检测 |
2 |
|
|
机器人人机交互（16学时） |
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|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
图形界面 |
2 |
|
|
第2次 |
语音听写ASR |
2 |
|
|
第3次 |
自然语言处理NLP |
2 |
|
|
第4次 |
智能对话1 |
2 |
|
|
第5次 |
智能对话2 |
2 |
|
|
第6次 |
语音控制机器人运动 |
2 |
|
|
第7次 |
语音控制机器人工作 |
2 |
|
|
第8次 |
机器人手势/表情识别交互 |
2 |
|
|
机器人感知传感技术（16学时） |
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|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
惯性测量单元 |
2 |
|
|
第2次 |
温/湿/气传感器实验 |
2 |
|
|
第3次 |
碰撞传感器 |
2 |
|
|
第4次 |
视觉传感器 |
2 |
|
|
第5次 |
超声/TOF传感器 |
2 |
|
|
第6次 |
激光雷达 |
2 |
|
|
第7次 |
深度相机 |
2 |
|
|
第8次 |
里程计 |
2 |
|
|
机器人定位与导航（30学时） |
|||
|
课次 |
课程名称 |
课时 |
|
|
第1次 |
运动模型 |
2 |
|
|
第2次 |
坐标系统 |
2 |
|
|
第3次 |
机器人位姿估计 |
2 |
|
|
第4次 |
SLAM系统 |
2 |
|
|
第5次 |
基于贝叶斯滤波的SLAM |
2 |
|
|
第6次 |
基于图优化的SLAM |
2 |
|
|
第7次 |
机器人导航系统 |
2 |
|
|
第8次 |
机器人激光雷达障碍检测 |
2 |
|
|
第9次 |
机器人点云障碍检测 |
2 |
|
|
第10次 |
机器人防跌落检测 |
2 |
|
|
第11次 |
代价地图 |
2 |
|
|
第12次 |
Dijkstra路径规划算法 |
2 |
|
|
第13次 |
A*路径规划算法 |
2 |
|
|
第14次 |
轨迹跟踪算法 |
2 |
|
|
第15次 |
基于传感器脱困算法 |
2 |
|
|
智能机器人综合实践（64学时） |
|||
|
项目一 |
智能机器人无序分拣系统设计 |
64 |
|
|
项目二 |
智能安防机器人系统设计 |
64 |
|
|
项目三 |
智能清洁机器人系统设计 |
64 |
|
|
项目五 |
家庭服务机器人设计与应用 |
64 |
|
|
项目六 |
智能移动机器人自主射击 |
64 |
|
|
项目七 |
智能搬运/配送机器人系统设计 |
64 |
|
|
项目八 |
智能立体清洁机器人设计 |
64 |
|