基于OBE的移動機器人控制虛擬仿真實驗建設

武曉莉 周樂 介婧 劉薇

摘 要 虛擬仿真實驗是實驗教學改革的有效途徑。智能倉儲移動機器人控制是智能控制的典型應用，在OBE理念指導下將其開發(fā)為虛擬仿真實驗。該虛擬仿真實驗包括6個實驗模塊，15個實驗步驟。豐富的實驗內(nèi)容能激發(fā)學生的學習興趣，有助于開展自主探究式學習。實驗主題的選取契合行業(yè)發(fā)展需求，符合專業(yè)培養(yǎng)目標;實驗內(nèi)容的設計能有效支撐所屬智能控制課程支持的畢業(yè)要求;實驗實施過程強調(diào)了知識學習、能力培養(yǎng)、素質(zhì)培養(yǎng)三位一體。

關鍵詞 虛擬仿真實驗;OBE;移動機器人;智能控制;智能倉儲

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.32.009

Construction of Virtual Simulation Experiment of Mobile Robot

Control Based on OBE Concept

WU Xiaoli， ZHOU Le， JIE Jing， LIU Wei

（School of Automation and Electrical Engineering， Zhejiang University of Science and Technology，

Zhejiang， Hangzhou 310023）

Abstract Virtual simulation experiment is an effective way for the experimental teaching reform. Intelligent warehouse mobile robot control is a typical application of intelligent control， which is developed as a virtual simulation experiment under the guidance of the OBE concept. The virtual simulation experiment includes 6 modules and 15 steps. Abundant experimental content can stimulate students' interest， and is helpful for self-inquiry learning. The selection of the experiment theme meets the needs of the industry development and the educational objectives; the design of the experiment content can effectively support the graduation requirements supported by the intelligent control course; the experiment implementation process emphasizes the trinity of knowledge learning， ability training， and quality cultivation.

Keywords virtual simulation experiment; OBE; mobile robot; intelligent control; intelligent warehousing

引言

教育部《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》和2018年《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》，明確提出建設示范性虛擬仿真實驗教學項目，推動高校積極探索線上線下教學相結合的實驗教學新模式，重點解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難、高成本、大型綜合訓練等問題。[1]2019年教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》，提出實施一流本科課程“雙萬計劃”，其中要認定的五類課程就包括虛擬仿真實驗教學一流課程。[2]開展虛擬仿真實驗教學項目建設，可以拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平，特別是對疫情期間“停課不停學”的線上實驗教學可提供有效保障。

盡管自動化專業(yè)類的虛擬仿真實驗教學項目2020年才在教育部的規(guī)劃中被首次列入，我校自動化專業(yè)及早認識到虛擬仿真實驗的重要意義，開展了相關建設工作，于2019年設計開發(fā)了智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗，并獲批浙江省“十三五”高校虛擬仿真實驗教學項目。該實驗屬于智能控制課程的課內(nèi)實驗。移動機器人，又稱為AGV（Automated Guided Vehicle），其進行自主分揀投遞貨物的控制技術是目前智能倉儲高效運行的核心技術內(nèi)容，也是智能控制理論及方法的一個典型應用場景。本實驗教學項目以菜鳥速遞某管理區(qū)總部的智能倉儲AGV分揀投遞系統(tǒng)為模擬原型，結合專業(yè)培養(yǎng)發(fā)展方向，融合智能控制課程內(nèi)容，面向?qū)W生開發(fā)了虛擬仿真實驗。

在該虛擬仿真實驗設計開發(fā)和持續(xù)建設過程中，始終秉承OBE（Outcome-based Education）的教學理念。OBE，即產(chǎn)出導向教育，亦稱成果導向教育、目標導向教育、能力導向教育或需求導向教育，是工程教育專業(yè)認證的三大理念之一，指教學設計和教學實施都以學生通過教育過程所取得的學習成果為目標。[3]OBE遵循反向設計、正向?qū)嵤┑脑瓌t，以最終學習成果目標為導向，反向進行課程設計，開展教學活動。[4]智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗從實驗主題選取、內(nèi)容設計到教學實施都貫徹了OBE的理念。

1 虛擬仿真實驗建設背景及必要性

1.1 背景需求

我校為應用型高校，地處物流業(yè)發(fā)達的地區(qū)。近年隨著智能物流、智能倉儲的大發(fā)展，國內(nèi)移動機器人產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出高速增長態(tài)勢，[5，6]人才需求量巨大。移動機器人控制技術已成為控制與人工智能學科交叉的研究前沿和應用熱點。以需求為導向，在工程教育專業(yè)認證標準框架下，我校自動化專業(yè)修訂了更符合學校定位、適應社會經(jīng)濟發(fā)展需要的培養(yǎng)目標，主要定位于為移動機器人、工業(yè)自動化等重要領域培養(yǎng)人才。

根據(jù)OBE的反向設計原則，依據(jù)培養(yǎng)目標設定畢業(yè)要求進而設置課程，需要課程體系涵蓋控制理論、人工智能、機器人等領域知識。本虛擬仿真實驗所屬的智能控制課程，是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，其課程內(nèi)容與人工智能學科知識交叉性強。在虛擬仿真實驗建設之初，經(jīng)過走訪校友和機器人生產(chǎn)企業(yè)、進行調(diào)研和對比分析，最終選取了結合智能倉儲分揀投遞應用的移動機器人控制作為仿真對象，主要依據(jù)就是該主題內(nèi)容依托的真實項目背景，體現(xiàn)了區(qū)域特色與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，契合當下信息、物流和機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。實驗主題的選取體現(xiàn)了OBE的理念。

1.2 虛擬仿真的必要性

智能倉儲分揀投遞系統(tǒng)的場地動輒上千平方米，幾十甚至幾百臺AGV，不算輔助的大型設備，單每臺AGV的價格就達萬元。真實項目所需的場地大、設備多且貴。現(xiàn)場一般不對外開放，學生要進入現(xiàn)場進行學習會干擾系統(tǒng)工作，安全隱患大，因此只能遠觀，無法在現(xiàn)場進行各種實驗驗證。并且真實項目設備硬件固定，升級換代難，多用于觀察認知，很難在其系統(tǒng)上調(diào)試各種智能控制方法。

在傳統(tǒng)的智能控制課程教學中，實驗環(huán)節(jié)一般采用MATLAB編程進行算法實現(xiàn)、調(diào)試和驗證，形式較枯燥，實驗題材有局限。受經(jīng)費和場地等現(xiàn)實條件所限，對于移動機器人僅能提供少量實體用于認知學習，難以構建多AGV協(xié)同運行的應用場景及其所需的硬件設備，缺乏實物感和現(xiàn)場感。而虛擬仿真實驗在三維虛擬空間完成場景搭建及設備建模，還原度高，再現(xiàn)性好，有利于更好地激發(fā)學生學習興趣;開發(fā)好后可無限次重復實驗，運行費用低;實驗靈活度高，可設置不同模型及參數(shù)，獲得不同仿真結果，便于深入理解和對比分析各種智能控制方法;軟件擴展性好，可根據(jù)需求與時俱進更新實驗內(nèi)容。因此，建設虛擬仿真形式的新型智能控制實驗勢在必行。

2 虛擬仿真實驗內(nèi)容設計與開發(fā)

智能倉儲環(huán)境下的移動機器人分揀投遞是個大系統(tǒng)，在設計虛擬仿真實驗內(nèi)容時，可選的原始素材很多。如何對諸多素材進行精選取舍、加工創(chuàng)造，使實驗展現(xiàn)豐富有特色的內(nèi)容、滿足課程需求、獲得良好的教學效果，需要有正確的教學理念指引。根據(jù)OBE的反向設計原則，鑒于實驗所屬課程支撐的畢業(yè)要求指標點重點在于對自動化領域復雜工程問題進行分析和研究，因此實驗內(nèi)容的設計需要能呈現(xiàn)出依據(jù)工程科學原理進行問題分析、方法設計、數(shù)據(jù)解釋及獲得有效結論的過程。為此，將移動機器人控制所需的工程科學原理（即智能控制課程中的模糊控制、專家系統(tǒng)、智能優(yōu)化等方法[7]）與實驗內(nèi)容有機融合，并對實驗步驟進行設計，突出了分析研究求解問題的過程。經(jīng)過反復調(diào)整，最終設計了系統(tǒng)學習、AGV運動控制、AGV智能路徑規(guī)劃、多AGV協(xié)同調(diào)度、故障與處理、考核與評價六大實驗模塊，15個實驗步驟，具體在下文展開介紹。

實驗軟件的開發(fā)環(huán)境是基于Unity 3D、Maya和Visual Studio平臺，仿真軟件為本校與第三方公司合作開發(fā)，由學校和公司共同提供上線服務和維護，學校具有完全自主知識產(chǎn)權。開發(fā)好的實驗軟件保存在云端，教師、學生無須安裝任何插件就可以通過常規(guī)瀏覽器基于Web訪問方式使用本實驗項目。開發(fā)的虛擬仿真實驗場景與AGV設備透視圖和運行路徑見圖1。

2.1 系統(tǒng)學習模塊

本模塊包括智能倉儲場景學習、AGV結構學習及裝配、AGV功能演示三個步驟。

在場景學習中，實驗者以3D場景漫游的方式，對實驗中采用的智能物流分揀系統(tǒng)中的各項主要設備及功能進行快速了解，包括傳送帶、上料機、下料口、收料網(wǎng)、地標二維碼、AGV。

在AGV結構裝配中，實驗者結合移動機器人實物，對實驗中用到的設備內(nèi)部結構和模塊功能進行知識再現(xiàn)，并在3D場景中完成裝配一臺AGV。

在AGV功能演示中，實驗者以3D方式觀察和熟悉AGV的各項功能，包括行走轉(zhuǎn)向、二維碼導航、投遞包裹、自動充電。

2.2 AGV運動控制模塊

本模塊包括AGV循跡模糊控制、避障運動控制兩個步驟。

在循跡模糊控制中，實驗者需要針對AGV運行中由于滾輪磨損失衡等常見原因造成的循跡偏移問題，設計模糊控制參數(shù)及規(guī)則，以完成AGV運行中自動糾偏，使其能按設定路徑正常循跡運行。

在避障運動控制中，實驗者需要針對AGV運行中常見的避讓其他正常行駛的AGV現(xiàn)象，設計模糊控制參數(shù)及規(guī)則，以完成AGV運行中自動避障的功能。

2.3 AGV智能路徑規(guī)劃模塊

本模塊包括靜態(tài)路徑規(guī)劃參數(shù)配置、路徑規(guī)劃算法對比分析、AGV實時路徑規(guī)劃三個步驟。

在靜態(tài)路徑規(guī)劃參數(shù)配置中，實驗者需要針對AGV及攜帶的包裹任務，自由設置不同上料機位和投料口，并自由選取兩種路徑規(guī)劃算法中的一種進行路徑規(guī)劃，設置該算法的參數(shù)，包括距離公式選擇、平滑度權重參數(shù)、AGV運行速度參數(shù)等。

在路徑規(guī)劃算法對比分析中，實驗者需要采用第二種路徑規(guī)劃算法進行路徑規(guī)劃。設置該算法的參數(shù)。為保證算法可比性，默認第二種算法的各項參數(shù)選擇與第一種算法相同。實驗者需要對兩種路徑規(guī)劃算法的效果進行比較和分析。

在AGV實時路徑規(guī)劃中，實驗者需要針對AGV運行途中有可能遇到持久的障礙物，比如掉落的包裹等情況，自主設置持久障礙物出現(xiàn)的位置，以測試AGV在該情況下避障后重新進行自主路徑規(guī)劃的表現(xiàn)。

2.4 多AGV協(xié)同調(diào)度模塊

本模塊包括協(xié)同調(diào)度場景配置、多AGV協(xié)同運行、多AGV人工調(diào)度、多AGV智能調(diào)度四個步驟。

在協(xié)同調(diào)度場景配置中，實驗者需要針對多個包裹任務、多AGV分揀投遞協(xié)同工作的場景進行自由配置。配置參數(shù)包括：包裹的目標投放點坐標信息、上料機位選擇、包裹分配數(shù)量、AGV分配方式。配置結果直接影響后續(xù)仿真運行結果。

在多AGV協(xié)同運行中，實驗者需要針對前一步驟設置好的包裹分揀任務及設備配置，運行多AGV進行協(xié)同工作，考核指標為完成任務的時間代價性能指標。如果性能指標不理想，需要返回前述步驟進行重新參數(shù)配置，并再次觀察運行效果。

在多AGV人工調(diào)度中，實驗者需要針對同樣的分揀任務及設備配置，進行運行中的人工調(diào)度，即人工自由選擇重新安排和設置已完成當前上料機位任務的AGV的工作參數(shù)，使其去支援其他尚未完成任務的上料機位。實驗者需要觀察在當前人工調(diào)度策略下完成任務的時間代價性能指標的改善情況。如改善情況不理想，可以重新進行人工調(diào)度。

在多AGV智能調(diào)度中，實驗者需要針對同樣的分揀任務及設備配置，進行運行中的智能調(diào)度，即根據(jù)算法智能安排和設置已完成當前上料機位任務的AGV的參數(shù)，使其去支援其他沒有完成任務的上料機位。并統(tǒng)計協(xié)同運行、人工調(diào)度、智能調(diào)度三種模式下的時間代價性能指標進行對比分析。

2.5 故障與處理模塊

本模塊中設計了智能倉儲多AGV分揀系統(tǒng)中常見的幾種故障，包括多臺AGV鎖死、行駛過程中電池報警、包裹丟失等，需要實驗者對突發(fā)故障進行及時鑒別分析及處理，避免雪崩效應，保障系統(tǒng)流暢運行。

2.6 考核與評價

本模塊包括測試考核、確認實驗結果生成實驗記錄、成績反饋及建議。設計有與本實驗有關的智能控制算法知識測試，實驗者完成測試，并確認之前的各項實驗結果數(shù)據(jù)后點擊提交，系統(tǒng)將自動生成實驗記錄。其中確認實驗結果時，如認為之前某些步驟的實驗結果不理想可返回重做。退出實驗系統(tǒng)前設置有收集實驗者的反饋建議環(huán)節(jié)。教師根據(jù)考核量規(guī)表和實驗過程數(shù)據(jù)記錄及學生的實驗分析報告，給出考核成績并反饋給學生，提示實驗中的錯誤或可提升之處。

3 虛擬仿真實驗教學實施

基于OBE理念的教學強調(diào)學生學到了什么而不是教師教了什么，為此在虛擬仿真實驗正向教學實施中，構建了知識 能力 素質(zhì)三位一體的教學模式，以保證實驗教學能達成課程目標進而能支持畢業(yè)要求。

知識學習層面：通過虛擬仿真實驗，學生可掌握智能倉儲分揀系統(tǒng)以及自主移動機器人的設備、結構和功能等基本知識，并通過實驗中多種智能控制方法在AGV運動控制、路徑規(guī)劃及協(xié)同工作中的運用，掌握各種相關智能控制方法的原理和應用。

能力培養(yǎng)層面：通過實驗中對多種智能控制方法的不同參數(shù)及模型的自由設置和搭建，獲得不同的仿真效果，這種多因素影響沒有唯一解的復雜工程問題，可促使學生進行反復實驗對比和分析，實現(xiàn)以學生為中心的自主探究式學習，使學生對智能控制的實際應用，從傳統(tǒng)認知教學的“感”，上升到“悟”的階段。實驗過程能有效培養(yǎng)學生對實際問題進行抽象和求解、對數(shù)據(jù)進行整理和分析、對影響因素進行解釋、優(yōu)選設計方案并獲得有效結論的能力。

素質(zhì)培養(yǎng)層面：本虛擬仿真實驗的開設，在前期學校所在地的知名機器人企業(yè)項目現(xiàn)場認知實習基礎上進行，并結合AGV實物進行結構學習，虛實結合，雙管齊下，深化學生對我國自動化工程領域趨勢和熱點特別是機器人產(chǎn)業(yè)的了解，強化學生對“中國智造”和“工匠精神”的認知，厚植愛國情懷，增強學生的社會責任感。

目前該虛擬仿真實驗系統(tǒng)已實施運行兩年，在教學過程中，通過內(nèi)容豐富的虛擬仿真實驗改變了傳統(tǒng)單一的實驗方式，激發(fā)了學生的自主學習興趣，學生實驗時間地點更自由，愿意花更多的時間進行探究式學習，能更充分地發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能;虛擬仿真實驗與實物現(xiàn)場認識實習虛實結合相互補充，形成認識實習—理論課—虛擬仿真實驗的學習鏈，有效助力培養(yǎng)學生運用理論知識分析和研究自動化領域復雜工程問題的能力。

4 結論

為改革實驗教學，選取菜鳥速遞某管理區(qū)總部的智能倉儲移動機器人分揀投遞系統(tǒng)開發(fā)為虛擬仿真實驗。以三維仿真的方式，模擬實際現(xiàn)場環(huán)境和設備運行狀態(tài)，提供模型及控制參數(shù)選擇，供學生對此智能控制典型應用場景展開問題分析、方法設計和方案研究。OBE理念貫穿了虛擬仿真實驗的建設過程，確保了虛擬仿真實驗支撐課程目標畢業(yè)要求、符合專業(yè)培養(yǎng)方向定位。

通訊作者：武曉莉

基金項目：2019年浙江省“十三五”高校虛擬仿真實驗教學項目：智能倉儲移動機器人控制虛擬仿真實驗教學項目;浙江省高等教育“十三五”第二批教學改革研究項目（JG20190310，JG20190315）

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