课程体系介绍

2025-06-12

“智能挖掘机教育套件”课程体系


前言

在智能制造与工程机械智能化转型浪潮中,职业教育亟需打破“设备昂贵、技术脱节、实训虚化”的困局。本套件以1:10真实液压挖掘机为载体,融合 工业级控制器、多传感器集群、AI开发接口与开源软件生态,打造“机械-控制-智能”三位一体的教学闭环。学生可在 7大模块、120+课时 的体系化课程中,完成从基础电路焊接、工业协议解析到机器视觉、集群调度的全栈实践,为工程机械智能化升级储备跨领域技术人才。


课程模块详述

模块0:基础操作与安全规范(18课时、前置必修)

课程 内容要点 实训设计 安全防护
0.1 遥控设备认知 ・摇杆通道映射原理(X/Y模式切换)
・SBUS协议解析
・遥控信号失效应急策略
・拆解遥控器观察内部电路
・示波器测量摇杆PWM波形
・配置独立急停开关
・电子围栏安全区设置
0.2 基础动作训练 ・挖机行走/转向微操
・挖斗开合力度控制
・复合动作协调性训练(如边移动边举臂)
・“S形绕桩”避障训练
・“硬币堆叠”精度挑战
・液压响应延迟补偿调参
・物理防护栏+红外防撞系统
・机身倾角>15°自动停机
0.3 任务场景实操 ・物料转运路径规划
・精准挖掘深度控制(激光测距反馈)
・边坡平整作业技巧
・1:50比例沙盘场景训练
(模拟工地/矿山/抢险环境)
・双人协同搬运作业
・自动限幅(动作幅度90%强制锁定)
・油温超限预警停机
0.4 应急故障处置 ・信号干扰排除
・电机堵转检测与保护
・液压系统异常泄压处理
・故障模拟器注入16种异常场景
(如履带卡死/油管爆裂/电磁干扰)
・三级急停机制:
遥控器→机身按键→教师端APP

模块1:工程机械原理与硬件基础(24课时)

课程 内容要点 实操项目
1.1 机械结构认知 液压系统工作原理、动臂油缸选型、履带动力传输 拆装挖掘机液压阀组,测绘油路图
1.2 嵌入式核心开发 STM32H743外设开发(UART/CAN/PWM)、HAL库移植 实现挖斗开合角度PID控制
1.3 工业通信实战 CANopen协议解析、MODBUS-RTU数据帧设计 通过CAN总线读取发动机转速传感器数据
1.4 故障诊断实训 压力传感器标定、液压泄露仿真、短路保护机制 诊断油压异常波动故障(配套故障注入箱)

模块2:智能感知与自动控制(36课时)

课程 内容要点 实操项目
2.1 多传感器融合 激光雷达SLAM建图、IMU姿态解算、超声波避障 构建挖掘机工作环境3D点云地图
2.2 机器视觉应用 OpenCV挖斗边缘检测、YOLOv5目标识别 识别散落砖块并自动拾取(精度≥90%)
2.3 运动控制算法 机械臂逆运动学求解、轨迹规划插补算法 实现“自动挖沟-回填-平整”连续动作
2.4 物联网(IoT) 4G模块TCP透传、MQTT云平台数据上报 手机APP远程监控发动机温度与油耗

模块3:上位系统开发与行业应用(42课时)

课程 内容要点 实操项目
3.1 Qt上位机开发 串口数据可视化、Qt设计控制面板 开发挖机动作监控软件(实时显示关节角度/油压),软件打点后自动运行
3.2 ROS系统集成 构建挖掘机URDF模型、MoveIt!运动规划 在Gazebo中仿真自动装载作业
3.3 多机协同调度 基于拍卖算法的任务分配、UWB精确定位 3台挖机协作完成“工地物料转运”
3.4 行业案例复现 智慧矿山调度逻辑、自动施工精度校准 复现露天矿分层开采路径规划

模块4:高阶开发与认证实践(18课时)

课程 内容要点 认证对接
4.1 AI优化实战 强化学习调参(PPO算法)、挖机动作能耗优化 中国人工智能学会(CAAI)认证考点
4.2 工业安全规范 EN 474-1机械安全标准、急停电路设计 德国TÜV机电安全工程师基础能力认证
4.3 毕业作品开发 开源硬件扩展(如加装机械爪)、定制化功能开发 对接“互联网+”大学生创新创业大赛

课程体系整合说明

将遥控操作作为基础必修模块置于课程起点,形成 “人工操作 → 半自动辅助 → 全自主智能” 的进阶路线:

  1. 先导训练(0模块):建立手感与安全意识 → 2周
  2. 核心进阶(模块1-3):遥控采集数据驱动后续自动化开发 → 例如模块2、3使用0.3训练的轨迹数据训练PID参数
  3. 高阶融合(模块4):遥控操作与自主控制模式自由切换 → 毕业项目支持手动接管AI决策

课程配套资源

  1. 开源工具包
    • GitHub代码库
    • 3D打印图纸:传感器支架/履带防护罩/扩展接口板
    • 教学案例库:12个典型故障诊断场景+解决方案
  2. 专用仿真遥控器(兼容真机操作模式):
    • 6通道工业摇杆 + 4.3寸屏显(实时显示油压/电量/倾角)
    • 支持蓝牙连接至学生编写的训练APP
  3. 安全实训沙盘
    • 磁性边界可快速重构场景(用RFID触发不同地形参数)
    • 渗水层模拟雨天打滑工况
  4. VR应急演练系统
    • 头显设备模拟挖机侧翻、高压电靠近等危险场景处置流程

教学价值亮点

  1. 对标工业4.0:覆盖ISO 15143(自动化施工系统)标准实训
  2. 岗课赛证融合:衔接“智能控制系统集成应用”1+X证书考点
  3. 成本革命:比工业实训设备成本降低85%,维护难度下降70%
  4. 师资赋能:提供教师培训手册(含微课视频+实验指导书)

教育场景示例
学生通过视觉识别定位砖堆路径规划自动抓取CAN总线控制液压阀云平台记录作业效率,完整实践“感知-决策-执行-优化”的工业AI闭环。