群體智能機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)建設(shè)

李智 師海云

摘要：隨著新工科建設(shè)的不斷推進(jìn)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、數(shù)字化思維和跨界整合能力的人才變得迫切，各院校急需加快工程教育改革創(chuàng)新的腳步。為加強(qiáng)學(xué)校雙一流建設(shè)，本文依托于群體智能機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合電子信息、自動(dòng)控制和人工智能等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，提出群體智能機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)建設(shè)，采用翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式，鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生完成課程實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、理論仿真和綜合設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)具有獨(dú)立解決問題的復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工程教育；群體智能；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0275-02

加快深化工程教育改革、建設(shè)新工科是立足我國戰(zhàn)略發(fā)展需求、國際競爭趨勢(shì)和立德樹人時(shí)代要求提出的深刻命題，關(guān)系國家未來和民族振興[1]。以《華盛頓協(xié)議》為導(dǎo)向，結(jié)合我國工程教育特色所修改的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015）版》中明確提出了工程教育中畢業(yè)要求需要達(dá)到的12個(gè)指標(biāo)[2]，其中對(duì)解決復(fù)雜工程問題所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)能力提出了更為具體的要求，具體表現(xiàn)在工程知識(shí)的應(yīng)用、解決方案的設(shè)計(jì)與開發(fā)和團(tuán)隊(duì)背景下的合作等。群體智能機(jī)器人的研究是一個(gè)新興的研究方向，科技部部長萬鋼指出，“下一步，要面向人工智能發(fā)展新形勢(shì)，特別是在深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)、跨界融合信息技術(shù)、人機(jī)協(xié)同操作和控制、群體智能和開放研究方面下力氣”，由此可以看出，基于群體智能研究群體機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)具有理論和應(yīng)用兩個(gè)方面重要意義的課題。因此，研究智能機(jī)器人群體技術(shù)，開展相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生能力和未來就業(yè)有重要意義。智能機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、控制科學(xué)與工程、信息融合、通信、導(dǎo)航、人工智能等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體，智能機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用對(duì)于從事電子信息相關(guān)專業(yè)的學(xué)生有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

一、課程設(shè)計(jì)的必要性

群體智能系統(tǒng)的特性與規(guī)律是一個(gè)具有理論和應(yīng)用兩個(gè)方面重要意義的課題，它的研究與發(fā)展將為人工智能領(lǐng)域帶來新的活力，提供了解決問題的全新的角度和方法。作為高等院校信息化專業(yè)的學(xué)生很有必要了解這一方法，了解群體智能系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)律和應(yīng)用前景。

二、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.基于多主體仿真平臺(tái)的BOID模型實(shí)現(xiàn)?；诙嘀黧w仿真平臺(tái)對(duì)BOID模型進(jìn)行建模抽象，首先明確簡單個(gè)體的基本行為，分離、聚合和一致行為?；谏鲜鲂袨椋紫榷x單個(gè)體的感知半徑和視角，選取感知范圍內(nèi)的離自身距離最小的個(gè)體執(zhí)行分離準(zhǔn)則，通過獲取參照個(gè)體方向，當(dāng)前個(gè)體通過轉(zhuǎn)向的形式沿相反方向運(yùn)動(dòng)，從而完成分離操作，基于式（1）計(jì)算群體平均方向從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一致操作，匯聚行為基于式（2）進(jìn)行求解和實(shí)施。

通過以上公式得到匯聚方向，個(gè)體根據(jù)自身方向和匯聚點(diǎn)方向進(jìn)行調(diào)整，完成匯聚規(guī)則。

2.基于多主體仿真平臺(tái)的VICSEK模型實(shí)現(xiàn)。該模型基于如下位置變換（3）和速度變換（4）表達(dá)式進(jìn)行協(xié)同一致實(shí)驗(yàn)。

3.集群目標(biāo)搜索技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)。通過給定一個(gè)光源目標(biāo)，基于多主體平臺(tái)完成對(duì)目標(biāo)的協(xié)作搜索，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，并給出實(shí)際仿真效果圖。參照效果圖如下所示：

4.群體技術(shù)約束下的智能機(jī)器人擴(kuò)展開發(fā)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?；谏鲜龇抡婺Ｐ停O(shè)計(jì)實(shí)際智能機(jī)器人，從傳感器選取、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件模塊實(shí)現(xiàn)等方面自行設(shè)計(jì)解決方案，并進(jìn)行相應(yīng)的論證，完成設(shè)計(jì)報(bào)告，經(jīng)過老師和同學(xué)之間的討論確定方案可行性，最后以可行性方案進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)智能機(jī)器人，基于可行性方案進(jìn)行分工合作，完成2—3個(gè)智能機(jī)器人的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，最后完成基于光源目標(biāo)的協(xié)同搜索實(shí)驗(yàn)，給出最終設(shè)計(jì)報(bào)告等相關(guān)資料。

三、可行性分析

理論仿真部分涉及方法模型和支撐平臺(tái)兩部分，其中方法模型采用經(jīng)典模型BOID、VICSEK進(jìn)行模型支撐，對(duì)于兩種模型的建模研究，國內(nèi)外已經(jīng)比較成熟，因此方法模型上從技術(shù)上來說可行；其次是支撐平臺(tái)，目前對(duì)于多主體平臺(tái)的仿真工具層出不窮，主要有NETLOGO、REPAST、MASON、SWARM等，仿真工具各具特點(diǎn)，雖然所使用的建模語言不完全一樣，但學(xué)習(xí)資料豐富，語言簡單操作難度小，形象直觀，因此從支撐平臺(tái)和操作上來說技術(shù)可行。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作上涉及智能機(jī)器人的擴(kuò)展，搜索算法的實(shí)現(xiàn)，其中智能機(jī)器人已司空見慣，對(duì)智能機(jī)器人進(jìn)行擴(kuò)展，主要涉及對(duì)主控芯片進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展，包括通信部分、傳感器部分等，雖然內(nèi)容相對(duì)較多，但是對(duì)于當(dāng)代高校電子信息專業(yè)學(xué)生來說難度不大。其次是搜索算法，國內(nèi)外已有不少研究，依托四川大學(xué)圖書館和互聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，所涉及的技術(shù)能夠在一定時(shí)限內(nèi)掌握完成，因此該部分技術(shù)上可行。針對(duì)該項(xiàng)目已經(jīng)開展如下工作：（1）基于NETLOGO的BOID模型仿真。（2）基于NETLOGO的VICSEK模型仿真。（3）基于光源的目標(biāo)協(xié)同搜索（單目標(biāo)、多目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、突發(fā)目標(biāo)）。（4）基于ZIGBEE的多智能車控制系統(tǒng)。因此從技術(shù)上該方案可行。

四、結(jié)語

本文以工程教育認(rèn)證為背景，群體智能機(jī)器人為依托，提出群體智能機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)建設(shè)方案，所提出的教學(xué)方案能夠從工程知識(shí)、問題分析、方案設(shè)計(jì)和執(zhí)行、團(tuán)隊(duì)合作等多方面培養(yǎng)學(xué)生的能力和素養(yǎng)，積極貫徹工程教育改革精神，實(shí)施理論與實(shí)踐相結(jié)合的全過程參與教學(xué)模式，采用先進(jìn)的技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)專業(yè)素質(zhì)的拓展。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017，（3）.

[2]中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育認(rèn)證一點(diǎn)通[M].北京：教育科學(xué)出版社，2015.