案例：
DHT

案例：
ESP32

《机器人控制器设计与编程》课程大纲

课程编号：16300182｜学分：2｜开课学期：7｜讲课20学时，实验12学时
课程类型：专业选修（限选）｜考核形式：考查｜适用专业：机器人工程
先修课程：《高等数学A(1)(2)》《线性代数》《电路》《复变函数与积分变换》《模拟电子技术》《数字电路与FPGA设计》《信号与系统分析》《单片机技术理论与实验》《电力拖动与运动控制》《电力电子技术》《大学物理》《机械基础》，补充先修拓展：人工智能基础、Python基础（可选）
开课学院：电气与自动化工程学院

一、课程说明

原课程定位为ESP32机器人控制器硬件设计、C语言编程、传感器、电机、无线通信的专业限选课。本次修订融入具身智能（Embodied Intelligence）核心思想：机器人完整的感知‑决策‑执行物理闭环，算法通过硬件与真实环境交互，环境反馈修正控制器行为；引入Wokwi浏览器在线仿真平台，实现“仿真预验证‑实物调试‑虚实对比”的教学链路，直接复用zhangrelay在Wokwi平台公开的步进电机、传感器、LCD/OLED、串口通信等开源工程模板，降低硬件损耗，支持课前预习、课后自主复现、远程协作调试。

本课程不再局限传统MCU硬件驱动，增加端侧轻量AI、大模型与控制器桥接、简单智能体开发内容，打通传统嵌入式控制器到具身智能机器人的技术过渡。课程兼顾硬件电路、底层编程、通信、控制算法，同时引入现代仿真工具、AI智能体思想，对接人形/移动机器人产业前沿。

课程教学内容分为8大模块：①ESP32控制器基础与Wokwi仿真环境；②ESP32基础函数与底层资源编程；③传感器感知系统（具身智能“感知”输入端）；④电机与执行机构控制（具身智能“执行”输出端）；⑤显示、无线通信与多设备交互；⑥新增：具身智能基础：感知‑决策‑执行闭环架构；⑦新增：ESP32端侧AI与大模型桥接实践；⑧机器人综合设计（具身智能小型智能体项目）。

教学模式升级：理论教学+Wokwi虚拟仿真预实验+实物硬件实验+小组项目式教学+案例竞赛+课程思政；仿真优先，实物验证，虚实对照。

二、课程教学目标

（一）立德树人（课程思政升级）

保留原有爱国主义、工匠精神、团队协作、创新意识、社会责任感培养；新增具身智能伦理、机器人安全规范、国产嵌入式与AI技术自主创新思政点。

1. 通过具身智能产业发展案例，认识我国机器人、端侧AI技术发展机遇与挑战，强化科技自立自强的家国情怀；
2. 通过仿真‑实物反复调试，强化工程工匠精神，理解机器人物理闭环调试的严谨性；
3. 在小组完成小型具身智能机器人项目中锻炼团队协作，理解智能机器人的安全伦理，树立机器人系统安全设计意识；
4. 引导学生关注人形机器人、服务机器人社会应用，建立工程技术人员的社会责任感。

（二）课程目标（原有4项目标扩展，对接毕业要求）

课程目标1：了解传统机器人控制器与具身智能机器人技术发展现状、产业趋势；掌握文献检索、现代信息技术，能够利用Wokwi仿真平台完成方案预验证与原型快速开发。
课程目标2（对应毕业要求1.4）：掌握机器人控制器硬件设计与编程原理；能够完成ESP32硬件电路选型、分析、设计，熟练底层C/C++编程；理解具身智能机器人感知层硬件系统架构。
课程目标3（对应毕业要求1.5）：熟悉控制器与本体、传感器、计算机、云端大模型的多方式通信；能够建立简单机器人系统数学模型，具备虚实结合的编程实践能力；掌握“感知‑决策‑执行”闭环的工程实现方法。
课程目标4（对应毕业要求3.3）：掌握控制器运动控制性能优化；能够完成单元、子系统软硬件设计；可以基于ESP32搭建简易具身智能智能体，完成元器件选型、功能分析、软硬件实现。
新增课程目标5：理解端侧MCU与大模型的大小脑分工架构，能够完成ESP32作为执行端对接轻量大模型，实现自然语言指令驱动机器人动作的简单工程案例。

三、教学内容及基本要求

模块1 机器人控制器基本知识和ESP32机器人入门（讲课2学时）

1. 教学内容
   机器人控制器基本概念；传统控制器与具身智能控制器的区别；ESP32硬件资源介绍；Wokwi仿真平台安装使用，导入zhangrelay公开案例模板，虚拟电路搭建、仿真运行、工程分享；ESP32 IDE开发环境；课程任务与学习路线。
2. 重点难点
   ESP32硬件构成；Wokwi仿真工程建立、电路虚拟连线；区分虚拟仿真与实物硬件差异；具身智能“感知‑决策‑执行”基础概念。
3. 教学要求
   掌握Wokwi平台基本操作，可导入、修改、运行开源参考工程；了解具身智能基本定义；掌握ESP32开发环境搭建。
4. 教学方式：讲授、探究式学习、仿真演示。

模块2 ESP32机器人的基本函数（讲课4学时）

1. 教学内容
   数字I/O、模拟I/O、高级I/O；时间函数；中断函数；串口通信；数学函数；字节位操作；Wokwi仿真验证IO、串口、中断案例，参考zhangrelay开源工程。
2. 重点难点：中断、串口通信函数使用；虚拟仿真下中断时序调试。
3. 教学要求：熟悉各类函数参数，可独立编写功能代码，仿真调试通过后再下载实物开发板。
4. 教学方式：讲授、基于问题教学、仿真演示。

模块3 ESP32机器人硬件资源及编程（讲课4学时）

1. 教学内容
   数字I/O、模拟I/O、PWM、串口通信、外部中断；先Wokwi仿真电路与代码，再实物硬件搭建测试。
2. 重点难点：端口电路、PWM、中断编程；仿真与实物之间的差异排查。
3. 教学要求：掌握硬件资源编程，能够在仿真环境完成预调试，再进行实物实验。
4. 教学方式：讲授，探究式，虚实对照。

实验一 LED灯控制（1学时）：Wokwi仿真预实验 + 实物硬件验证，复用开源blink案例模板。

模块4 ESP32机器人与传感器模块（讲课2学时，具身智能感知层）

1. 教学内容
   红外避障、温湿度DHT、烟雾MQ2、火焰、人体红外、超声波HC‑SR04；传感器作为具身智能机器人的感知器官；Wokwi虚拟传感器仿真；参考zhangrelay的DHTxx、MQ2开源仿真工程；硬件接线、数据读取、预处理。
2. 重点难点：传感器接线；多传感器数据读取；仿真传感器参数配置；感知数据噪声处理。
3. 教学要求：掌握传感器硬件连接与程序编写；理解传感器数据如何作为具身智能机器人的环境输入。

实验二 ESP32机器人与传感器模块（2学时）：先Wokwi仿真各个传感器，再实物测试；包含红外避障、温湿度、烟雾、火焰、人体红外、超声波。

模块5 ESP32机器人与电机控制模块（讲课2学时，具身智能执行层）

1. 教学内容
   直流电机、步进电机A4988、Dynamixel数字舵机原理与控制；PWM调速；Wokwi电机仿真，导入zhangrelay步进电机系列仿真工程；理解电机作为机器人执行器，接收决策输出完成物理动作。
2. 重点难点：电机驱动逻辑；步进电机转速位置控制；舵机角度控制；仿真‑实物参数差异。
3. 教学要求：掌握电机控制软硬件实现，理解执行机构在具身智能闭环中的作用。

实验三 直流电机控制（1学时）；实验四 步进电机控制（1学时）；实验五 Dynamixel数字舵机控制（1学时）。

模块6 ESP32机器人与显示、无线模块（讲课2学时）

1. 教学内容
   LCD1602、OLED显示模块；WiFi、蓝牙、MQTT无线通信；Wokwi无线仿真；显示模块反馈机器人感知结果；无线通信实现机器人与外部大脑（PC/大模型）的数据交互。复用zhangrelay lcd1602、ssd1306开源仿真案例。
2. 重点难点：显示模块I2C/SPI通信；WiFi蓝牙数据收发。
3. 教学要求：掌握显示、无线模块编程，实现机器人感知数据回传。

实验六 LCD液晶屏显示超声波测距值（1学时）；实验七 手机/上位机控制ESP32机器人传感器（1学时）。

✨模块7 新增：具身智能基础与端侧AI桥接（讲课2学时）

1. 教学内容
   （1）具身智能核心闭环：感知‑决策‑执行‑环境反馈；MCU“躯干手脚”与大模型“大脑”大小脑分离架构；端侧与云端分工；
   （2）ESP32通过WiFi/MQTT向上位机大模型（Ollama/Qwen）上传传感器感知数据，接收自然语言指令转化为电机/舵机动作指令；
   （3）简单语义指令解析、安全降级逻辑；机器人工程伦理、安全边界；
   （4）Wokwi仿真完成“传感器采集‑WiFi上传‑接收指令‑电机动作”完整链路仿真验证。
2. 重点难点：大小脑分工架构；感知数据向决策层传递；指令解析与安全保护逻辑。
3. 教学要求：理解具身智能闭环架构；可以完成ESP32与上位大模型简单通信对接，实现自然语言指令控制机器人执行动作。

模块8 机器人综合设计（讲课2学时）

1. 教学内容
   项目式综合开发流程：需求分析、硬件选型、Wokwi仿真原型开发、实物搭建、软件编写、调试、系统优化；小型具身智能智能体综合项目选题：智能避障小车、语音指令移动机器人、环境巡检机器人等；结合课程思政、竞赛案例。
2. 重点难点：多模块协同；感知‑决策‑执行闭环调试；仿真原型迁移到实物硬件。
3. 教学要求：小组完成完整小型机器人控制器设计，实现简单具身智能行为。

实验八 智能机器人综合设计（3学时）：①方案设计，Wokwi完成虚拟原型；②实物硬件搭建、编程调试；③测试分析总结，提交仿真工程链接+实物报告。

理论讲课合计：20学时；实验合计：12学时。

四、教学方式升级（在原有基础上增加）

1. 理论实践结合：理论讲解→Wokwi仿真预实验（零硬件损坏风险）→实物硬件实验，虚实对照，对比仿真与实物差异；直接引用 https://wokwi.com/makers/zhangrelay 开源案例作为课堂示例、预习模板。
2. 小组合作式教学：小组分工完成仿真原型、硬件接线、代码编写、文档报告。
3. 项目式教学：设置分级项目：基础驱动项目 → 多传感器融合项目 → 具身智能小型智能体项目。
4. 竞赛式教学：对接机器人竞赛、具身智能相关创新赛，鼓励学生把课程项目升级参赛。
5. 课程思政教学：融入国产嵌入式技术、机器人伦理、科技自立自强。
6. 新增仿真翻转课堂：课前学生在Wokwi完成仿真预习，课上重点解决实物硬件调试问题，仿真工程链接作为作业提交材料。

五、其他教学环节

1.实验项目一览表（更新版）

序号	实验项目名称	内容提要	学时	类型	分组人数	提交材料
实验一	LED灯控制	Wokwi仿真预调试，实物验证；掌握IO基础编程	1	验证性	2	Wokwi工程链接、实验报告
实验二	ESP32机器人与传感器模块	各类传感器仿真+实物测试，理解具身智能感知输入	2	验证性	2	仿真链接、数据记录、报告
实验三	直流电机控制	Wokwi电机仿真，实物驱动调试	1	验证性	2	仿真链接、报告
实验四	步进电机控制	导入zhangrelay步进电机Wokwi案例，修改参数、实物测试	1	验证性	2	仿真链接、报告
实验五	Dynamixel数字舵机控制	舵机仿真与实物调试，机器人关节执行单元	1	验证性	2	仿真链接、报告
实验六	LCD液晶屏显示超声波测距	感知数据可视化输出，仿真+实物对照	1	验证性	2	仿真链接、报告
实验七	手机/上位机控制ESP32机器人传感器	无线通信，数据上传下达，为具身智能大小脑桥接打基础	1	验证性	2	仿真链接、报告
实验八	机器人综合设计（具身智能小型智能体）	小组完成：Wokwi虚拟原型开发；实物搭建编程调试；实现感知‑决策‑执行简单闭环；测试总结	3	设计综合性	2‑3	Wokwi项目链接、完整实验报告、演示视频

实验说明更新：

1. 实验分为“仿真预实验环节”与“实物硬件环节”，仿真工程链接作为必须提交的过程材料，降低硬件烧毁风险，便于教师远程检查预习与代码逻辑；
2. 实验目标升级：不仅掌握模块驱动，同时建立具身智能感知‑决策‑执行闭环系统思维；
3. 综合设计实验鼓励实现简单的大模型桥接功能：自然语言下发指令，机器人读取传感器，执行电机动作。

六、考核方法（考查，总分100分）

总成绩构成：平时成绩20% + 实验成绩30% + 期末考查50%

1. 平时成绩（20%）
   • 平时测评10%：课堂表现、Wokwi仿真预习作业、仿真工程链接提交；
   • 阶段性学习报告10%：包含机器人控制器、具身智能相关文献调研，技术报告。
2. 实验成绩（30%）：实验操作、Wokwi仿真工程质量、实验报告；综合设计实验权重提高；评分标准增加仿真原型完整性、虚实对比分析、系统闭环思维。
3. 期末考查（50%）：开卷/大作业形式，可分为试卷+课程大项目；考核ESP32软硬件设计、通信、控制算法、具身智能系统架构、仿真‑实物联合开发方法。

课程目标考核方案更新

支撑毕业要求	课程目标序号	考核内容	考核形式	原始材料
	课程目标1	机器人控制器、具身智能技术文献检索；Wokwi仿真原型开发方法	学习报告、仿真作业	技术报告、Wokwi工程链接
1.4	课程目标2	ESP32控制器硬件设计、底层软件编程，具身智能感知层硬件系统	实验+期末考查	实验报告、仿真工程、试卷/大作业
1.5	课程目标3	控制器多方式通信；感知‑决策‑执行闭环建模与实践	实验+期末考查	实验报告、仿真工程、试卷/大作业
3.3	课程目标4	控制器性能优化；软硬件子系统设计实现	实验+期末考查	实验报告、仿真工程、试卷/大作业
新增	课程目标5	MCU‑大模型大小脑桥接；简易具身智能智能体开发	综合设计实验+期末大作业	综合项目报告、仿真工程链接、演示材料

七、课程修订说明

1. 本版本保留原大纲全部核心知识点，不删减ESP32硬件、传感器、电机、通信原有教学内容；在此基础上叠加具身智能技术视角，补充Wokwi虚实结合教学手段，复用zhangrelay在Wokwi平台公开的大量开源工程作为教学案例模板，降低教学硬件压力。
2. 定位：课程不追求完成复杂大模型训练，重点面向机器人工程本科生，聚焦嵌入式控制器如何作为具身智能机器人的“身体躯干”，理解“端侧MCU执行+大模型决策”的工程分工，完成可落地的小型工程实践。
3. 虚实结合教学：Wokwi仿真作为预习、原型验证手段，不能完全替代实物硬件实验；课程强调对比仿真理想模型与真实物理世界的差异，体会具身智能“物理闭环”的本质特点。