“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：
- 先导训练（0模块）：建立手感与安全意识 → 2周
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 对标工业4.0：覆盖ISO 15143（自动化施工系统）标准实训
- 岗课赛证融合：衔接“智能控制系统集成应用”1+X证书考点
- 成本革命：比工业实训设备成本降低85%，维护难度下降70%
- 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。