摘要：智能機(jī)器人課程是智能科學(xué)與技術(shù)這一本科專業(yè)的核心專業(yè)課之一。文章從開(kāi)展機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度出發(fā)，探討如何利用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生加深對(duì)智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)制、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及對(duì)傳感、控制與智能決策方法的理解，提高其創(chuàng)新能力。這在本科生早期快速理解智能機(jī)器人基本原理方面，起到卓有成效的推動(dòng)作用。
　　關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)
　　
　　智能科學(xué)技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容可以劃分為智能科學(xué)、智能技術(shù)、智能工程3個(gè)層次[1]。智能機(jī)器人是貫穿這3個(gè)層次的一種典型智能系統(tǒng)，是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)的重要對(duì)象。我校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)將智能機(jī)器人設(shè)為重要的專業(yè)課之一，融合了該專業(yè)教學(xué)過(guò)程中的多門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課的知識(shí)。對(duì)該課程知識(shí)的理解與掌握必須實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支撐，這是由于機(jī)器人本身是一種復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，而“智能”則是通過(guò)運(yùn)行于嵌入式控制器或嵌入式處理器上的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只有在實(shí)踐中才能真正掌握智能機(jī)器人的基本原理、信息處理以及控制與決策方法。本文將從開(kāi)展機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)的角度，探索開(kāi)展智能機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路與新方法。
　　1智能機(jī)器人課程簡(jiǎn)介
　　在我校智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科教學(xué)培養(yǎng)方案中，智能機(jī)器人是該專業(yè)高年級(jí)學(xué)生的一門(mén)重要專業(yè)課程，設(shè)置在第七學(xué)期。
　　智能機(jī)器人主要是指以生產(chǎn)、生活中的實(shí)際機(jī)械設(shè)備為載體，以計(jì)算機(jī)和嵌入式處理器/控制器為信息處理單元，能夠體現(xiàn)一定自主性和智能特征的機(jī)器人系統(tǒng)。智能機(jī)器人涉及到剛體動(dòng)力學(xué)、反饋控制、傳感器與信號(hào)處理、執(zhí)行器與電力電子、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)以及智能信息處理和智能控制等多領(lǐng)域知識(shí)，是多學(xué)科的綜合。機(jī)器人的種類(lèi)眾多，包括機(jī)械臂、移動(dòng)機(jī)器人、類(lèi)人機(jī)器人等不同形態(tài)的機(jī)器人。由于課程學(xué)時(shí)有限，面面俱到是不現(xiàn)實(shí)的，因此我專業(yè)的智能機(jī)器人課程以移動(dòng)機(jī)器人作為重點(diǎn)講授的對(duì)象。
　　課程以Siegwart和Nourbakhsh所著的《Introduction to Autonomous Mobile Robots》一書(shū)的中文版[2]為教材，以蔡自興教授的《機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》[3]為主要參考書(shū)，講授內(nèi)容以自主移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)為框架，包括剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳感器與測(cè)量、地圖與定位、執(zhí)行器與運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航。其中，剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)部分主要使學(xué)生掌握輪式機(jī)器人的具有非完整約束的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；傳感器與測(cè)量、執(zhí)行器與運(yùn)動(dòng)控制部分分別使學(xué)生了解移動(dòng)機(jī)器人的各種傳感器(里程計(jì)、超聲波傳感器、激光測(cè)距儀和視覺(jué)傳感器)的測(cè)量原理和直流電機(jī)的PWM閉環(huán)調(diào)速機(jī)制；而地圖與定位部分主要使學(xué)生掌握傳感器融合的基本原理以及如何解決位姿估計(jì)問(wèn)題；路徑規(guī)劃與導(dǎo)航部分主要使學(xué)生掌握局部路徑規(guī)劃(例如，人工勢(shì)能場(chǎng)方法)以及全局路徑規(guī)劃(包括軌跡生成與跟蹤控制)兩種不同的導(dǎo)航方式。
　　課程的最終目的是讓學(xué)生理解移動(dòng)機(jī)器人的智能是如何體現(xiàn)的，并且讓學(xué)生掌握移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)集成技術(shù)，使其具備設(shè)計(jì)定位與導(dǎo)航算法并編程實(shí)現(xiàn)的能力。
　　2仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性
　　由于智能機(jī)器人作為一種復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，集成了測(cè)量、控制、計(jì)算和通信等技術(shù)，因而智能機(jī)器人課程具有多學(xué)科交叉的特征，這對(duì)學(xué)生的綜合能力提出挑戰(zhàn)，為學(xué)生真正理解智能機(jī)器人的工作原理帶來(lái)困難。學(xué)生必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)，親自動(dòng)手組建移動(dòng)機(jī)器人并為其編程，才能將課堂教學(xué)傳授的理論知識(shí)融會(huì)貫通，并做出一定程度上的創(chuàng)新性工作。即創(chuàng)新教育必須建立在動(dòng)手實(shí)踐的基礎(chǔ)上。
　　工欲善其事，必先利其器。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在智能機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是關(guān)鍵的一環(huán)。雖然無(wú)法替代在真實(shí)機(jī)器人上的實(shí)驗(yàn)，但卻是必要的。這是因?yàn)椋褐悄軝C(jī)器人控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，決定了直接在真實(shí)機(jī)器人上設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的控制系統(tǒng)軟件不是簡(jiǎn)單易行的工作，而仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的控制算法設(shè)計(jì)節(jié)省時(shí)間。
　　運(yùn)行一次實(shí)驗(yàn)所需成本較高，而且要擔(dān)負(fù)硬件隨時(shí)可能損壞的風(fēng)險(xiǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕p小設(shè)計(jì)算法初期的軟件不成熟所帶來(lái)的硬件損壞的幾率。
　　移動(dòng)機(jī)器人具有活動(dòng)空間大的特點(diǎn)，改變實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地較困難，而這在實(shí)際操作中是比較困難而且耗費(fèi)精力的事情。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜢`活改變智能機(jī)器人的工作空間。
　　總之，教師可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，形象地向?qū)W生展示移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、測(cè)量與控制原理；學(xué)生可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。
　　3智能機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)的工具選擇
　　好的仿真工具不僅能夠降低實(shí)驗(yàn)成本，而且能大大提高實(shí)驗(yàn)效率，靈活的配置能夠自定義不同的移動(dòng)機(jī)器人和工作場(chǎng)景，既能夠使學(xué)生熟悉多種不同的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，又能夠?qū)W(xué)生的精力主要集中在控制策略的學(xué)習(xí)和算法實(shí)現(xiàn)上。這對(duì)于本科階段初次接觸機(jī)器人的學(xué)生而言，更利于其快速掌握智能機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)。
　　目前，存在多種移動(dòng)機(jī)器人仿真工具，常用的例如：Webots[4]、Microsoft Robotics Studio[5]和Player/ Stage/Gazebo(P/S/G)[6]。前兩者主要運(yùn)行在Windows這一商業(yè)化的操作系統(tǒng)中，而P/S/G運(yùn)行于開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)上。在高校中，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用的移動(dòng)機(jī)器人仿真工具應(yīng)具有源碼開(kāi)放、靈活易用的特征，因此選擇Player/Stage/Gazebo軟件。
　　Player/Stage/Gazebo軟件由美國(guó)南加州理工大學(xué)交互實(shí)驗(yàn)室發(fā)起，后作為開(kāi)源項(xiàng)目轉(zhuǎn)至Sourceforge上。其中，Stage是一個(gè)2D的多機(jī)器人仿真器，提供了超聲、激光等多種傳感器模型；Gazebo是一個(gè)3D的多機(jī)器人仿真器，能夠仿真大量機(jī)器人、傳感器和物體；Player是機(jī)器人設(shè)備接口，是連接控制器與被控設(shè)備(傳感器、執(zhí)行器)的通信中間件。用戶編寫(xiě)的控制程序可在本地或異地通過(guò)Player獲得傳感器數(shù)據(jù)以及發(fā)送驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制量。Player既能夠與仿真機(jī)器人連接，也能夠與真實(shí)機(jī)器人連接，具有極大的靈活性。
　　該軟件不僅在國(guó)外很多高校的機(jī)器人課程中作為教學(xué)用的仿真工具，也是國(guó)際上移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域中使用非常廣泛的工具之一。選用該工具，除了可方便學(xué)生在個(gè)人電腦上完成實(shí)驗(yàn)，更使學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段或以后從事移動(dòng)機(jī)器人研究工作時(shí)與國(guó)際接軌。
　　4開(kāi)展智能機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式與內(nèi)容
　　4.1仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式
　　1) 課堂演示提高學(xué)生興趣。
　　智能機(jī)器人所涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)、濾波與控制方法較為抽象，對(duì)于工科院校的學(xué)生而言略有難度。如果只是機(jī)械的推導(dǎo)公式，很容易打擊學(xué)生的自信心。在課堂上，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的演示，現(xiàn)場(chǎng)向?qū)W生展示如何將理論化的公式轉(zhuǎn)化為程序代碼的形式，進(jìn)而控制模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，完成設(shè)定的任務(wù)。讓單調(diào)的數(shù)學(xué)語(yǔ)言形象化，從而讓學(xué)生體會(huì)到理論的真實(shí)含義，提高學(xué)習(xí)興趣。
　　2) 仿真實(shí)驗(yàn)即為作業(yè)。
　　智能機(jī)器人課程被定位是一門(mén)實(shí)用性工程技術(shù)類(lèi)課程，每一項(xiàng)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)都要通過(guò)以課后作業(yè)的方式讓學(xué)生練習(xí)。我們突破傳統(tǒng)的計(jì)算題式作業(yè)的方式，通過(guò)安排課后仿真實(shí)驗(yàn)作業(yè)，讓學(xué)生親自動(dòng)手在個(gè)人電腦上完成移動(dòng)機(jī)器人的組建、定位與導(dǎo)航算法的設(shè)計(jì)與編程。留給學(xué)生更大的自由度去完成一個(gè)類(lèi)似于項(xiàng)目的作業(yè)，從而激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。
　　3) 以學(xué)生競(jìng)賽的方式開(kāi)展實(shí)踐課。
　　在課堂教學(xué)結(jié)束后，開(kāi)展綜合性的實(shí)踐課，借助仿真工具，設(shè)定一個(gè)有規(guī)則、有目標(biāo)的機(jī)器人競(jìng)賽場(chǎng)景。由學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，全面利用已學(xué)過(guò)的機(jī)器人組成原理、測(cè)量與控制算法，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，分組競(jìng)賽。以競(jìng)賽的機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生提出創(chuàng)新的想法和思路，并鍛煉其將新想法與新思路付諸實(shí)踐的能力，從而提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的綜合素質(zhì)。
　　
　　4.2仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)
　　Player/Stage/Gazebo仿真軟件具有很高的靈活性。在機(jī)器人仿真器中不僅能夠仿真各種形態(tài)的機(jī)器人，而且能夠自由建立機(jī)器人的工作環(huán)境(二維的或三維的)，也能夠仿真各種傳感器，例如在Stage中能夠仿真超聲波傳感器與激光測(cè)距儀，在Gazebo中能夠仿真視覺(jué)傳感器。學(xué)生借助player中的接口函數(shù)，在Linux系統(tǒng)中使用C/C++語(yǔ)言編程，便能夠定制自己的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，學(xué)習(xí)、驗(yàn)證各種智能方法。目前，智能機(jī)器人課程的仿真實(shí)驗(yàn)主要包括Player/ Stage/Gazebo的安裝與使用方法、移動(dòng)機(jī)器人的虛擬構(gòu)建及工作空間設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)、基于里程計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人定位、基于超聲波傳感器的環(huán)境測(cè)量、VFH導(dǎo)航方法設(shè)計(jì)、基于人工勢(shì)能場(chǎng)的導(dǎo)航方法設(shè)計(jì)、智能車(chē)的走迷宮競(jìng)賽(開(kāi)放式的競(jìng)賽題目)。
　　5結(jié)語(yǔ)
　　智能機(jī)器人課程是一門(mén)理論與實(shí)踐并重的課程，涉及到多個(gè)學(xué)科知識(shí)的交叉。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是真實(shí)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，特別適合于本科生在初學(xué)機(jī)器人基本理論時(shí)進(jìn)行原理性的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與算法驗(yàn)證。它通過(guò)多種形式的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，啟迪學(xué)生思想，激發(fā)主動(dòng)的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立思考、樂(lè)于創(chuàng)新的真素質(zhì)。智能機(jī)器人課程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索，豐富了這一課程的教學(xué)手段。在未來(lái)，通過(guò)對(duì)仿真工具的改造，可實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的無(wú)縫對(duì)接。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]盧桂章. 無(wú)處不在的智能技術(shù)[J]. 計(jì)算