李杰　王菖　牛軼峰　王祥科

摘要：分析目前無人機系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)課程體系對智能決策問題的教學設計與實踐的不足，提出以智能感知、自主控制、任務規(guī)劃為教學重點，通過無人機競賽培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，幫助學生深入理解無人機系統(tǒng)智能決策的基本理論，從而實現(xiàn)培養(yǎng)新型高素質(zhì)無人機專業(yè)技術(shù)人才的目標。

關(guān)鍵詞：無人機系統(tǒng)；智能決策；自主控制；智能體系；任務規(guī)劃；課程設計

0引言

無人機具有較強的機動性和較好的可操控性，能輔助人類在惡劣和危險的環(huán)境中執(zhí)行復雜的任務。近年來，無人機系統(tǒng)迅速發(fā)展并廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、災難搜救、反恐偵察等眾多領域。無人機系統(tǒng)研究的一個關(guān)鍵問題是如何發(fā)展高度智能化的軟件系統(tǒng)，提高無人機在動態(tài)復雜環(huán)境中自主決策的能力。目前，眾多高校開設的無人機專業(yè)課程主要研究無人機的硬件平臺、通信與測控、指揮控制、綜合保障和實踐等方面，然而對于無人機系統(tǒng)的智能決策問題研究尚不深入。

1無人機系統(tǒng)決策的內(nèi)涵

1.1無人機自主控制系統(tǒng)概述

無人機自主控制系統(tǒng)是無人機實現(xiàn)自主飛行管理與自主任務管理的機載系統(tǒng)，如圖1所示，它涵蓋了機器人“觀測一判斷一決策一行動（observer-orient-decision-action，OODA）”的各個環(huán)節(jié)。

無人機自主控制能力是衡量無人機智能自主水平的一項重要能力。表1基于OODA分別對無人機自主控制能力進行了描述，其中，“判斷”與“決策”部分評價的是無人機對戰(zhàn)場態(tài)勢的評估能力和對任務或行為的決策與規(guī)劃能力，是衡量無人機自主決策能力的最重要指標，也是無人機決策課程設計與實踐的核心。

1.2無人機自主決策子系統(tǒng)概述

自主決策模塊位于智能無人機系統(tǒng)的頂層，它如同人類神經(jīng)系統(tǒng)執(zhí)行決策行為，產(chǎn)生計劃并處理不確定性。自主決策模塊主要包括頂層任務決策、頂層任務規(guī)劃、底層行為決策和底層路徑規(guī)劃。頂層任務決策用于任務策略的在線生成；頂層任務規(guī)劃用于任務計劃的在線制定；底層行為決策用于運動行為的在線序貫決策；底層路徑規(guī)劃用于導航計劃的在線生成，這些內(nèi)容的教學與實踐將貫穿課程的教學與實踐過程。

2人工智能在無人機系統(tǒng)決策中的發(fā)展以及作用與地位

人工智能從孕育之初到現(xiàn)在，經(jīng)歷了“三起兩落”，如圖2所示。人工智能的發(fā)展也不斷促進無人機自主決策能力的發(fā)展，甚至可以說，人工智能的發(fā)展決定無人機自主決策水平的高低。早期，無人機決策大多依托產(chǎn)生式規(guī)則或謂詞邏輯技術(shù)，主要針對確定性行為決策；20世紀六七十年代，知識表達引入到有人機輔助決策支持系統(tǒng)的設計與研發(fā)中，也逐步遷移到無人機智能自主系統(tǒng)中；隨著概率統(tǒng)計的引入，基于貝葉斯的不確定推理決策方法得到大力發(fā)展；專家系統(tǒng)依據(jù)專家經(jīng)驗生成策略，用于解決離散事件不確定性，形成了一系列無人機智能自主決策成功案例；近年來，機器學習、多智能體理論的熱潮將無人機智能水平推到了一個前所未有的高度，使無人機具備知識沉淀、知識挖掘、智能發(fā)育的能力，并將單無人機執(zhí)行ISR任務拓展到多無人機協(xié)同遂行多任務領域。無論經(jīng)典人工智能方法還是人工智能新思路，都是無人機智能自主決策的重要基礎，在無人機系統(tǒng)智能決策課程教學與實踐中具有舉足輕重的地位。

3無人機智能決策課程教學總體設計

國防科技大學依托控制學科和儀器學科在自動化專業(yè)試辦開設了“無人機工程”專業(yè)方向，培養(yǎng)掌握無人機工程相關(guān)領域基礎理論和基本知識的學員，使其具有從事無人機系統(tǒng)及相關(guān)裝備的分析、設計、研制、維護和管理等方面的實際工作能力和初步科學研究能力。

3.1教學目的與課程設計總體思路

設置無人機智能決策課程的目的是使本專業(yè)學生快速了解無人機決策系統(tǒng)組成、熟悉決策系統(tǒng)工作原理、掌握決策理論與實現(xiàn)方法。課程設計的總體思路是設置課堂教學和動手實踐兩個主要環(huán)節(jié)，課堂教學環(huán)節(jié)主要通過教師講授的方式，基于無人機自主控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，介紹無人機決策系統(tǒng)的基本概念；實踐環(huán)節(jié)則是在學生已經(jīng)掌握智能決策算法基本原理和流程的基礎之上，讓學生參與到?jīng)Q策系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)中來。

3.2課程教學主要內(nèi)容

無人機智能決策是課程教學的核心內(nèi)容，主要覆蓋貝葉斯推理理論、最優(yōu)化理論、智能搜索等基本決策理論和方法，主要講解如何將其運用于無人機智能感知、任務規(guī)劃的建模和優(yōu)化方法，比如基于貝葉斯的不確定推理、基于啟發(fā)式人工智能搜索算法的路徑規(guī)劃等。內(nèi)容安排包括問題描述、基本原理、算法過程、輸入輸出設計、結(jié)果分析等；人機智能融合決策是課程的拓展部分，主要涵蓋人機智能融合原理、腦機接口原理、融合決策機制等理論和方法，主要講解如何將其運用于人在回路輔助的無人機智能自主決策、混合主動規(guī)劃的接口設計與融合決策方法，比如基于腦機接口的人機智能融合決策、混合主動任務規(guī)劃等；拓展內(nèi)容安排包括資料查新、接口設計、融合機制設計、融合算法實現(xiàn)、結(jié)果分析等。

4無人機智能決策教學實踐環(huán)節(jié)設計

4.1課程實踐環(huán)節(jié)的必要性

4.1.1無人機系統(tǒng)智能決策課程對實踐的需求

實踐教學是高等學校教育非常重要的教學環(huán)節(jié)，是提高人才分析問題與解決問題的重要途徑。無人機系統(tǒng)智能決策是一門實踐性很強的課程，一是由于無人機系統(tǒng)是一門交叉性的學科，主要涉及空氣動力學、無人機平臺設計與制造、圖像處理與智能感知、導航系統(tǒng)原理、無人機飛行控制、人工智能、機器學習、任務規(guī)劃與分配、無人機系統(tǒng)體系保障技術(shù)等許多學科，所以該學科具有知識點多、涉及面廣、理論性強，需要學生具備較好的邏輯思維能力和數(shù)理基礎等特點，因此，必須通過實踐才能加深對無人機系統(tǒng)知識的理解；二是智能決策技術(shù)不斷走向?qū)嵱茫?0世紀80年代隨著人工智能基礎科學的研究，智能決策作為一門新興學科出現(xiàn)在國際科學舞臺上，智能決策技術(shù)早期以研究經(jīng)典的智力游戲問題和仿真實驗來證明理論等為主流，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和國際信息化進程的提高，智能系統(tǒng)和智能計算等也逐漸成為學者們的研究熱點。從加強學生的實踐能力出發(fā)，考慮到課程的建設需要，需要加強無人機系統(tǒng)智能決策課程的實踐教學內(nèi)容。

4.1.2無人機系統(tǒng)智能決策課程對實踐的要求

根據(jù)智能決策的特點，進行實踐教學需要達到以下幾個目的：一是加強學生對基礎知識的理解，對智能決策基本方法的掌握；二是加強學生將智能決策知識與方法用于解決實際問題的能力；三是增強學生對智能決策研究領域的興趣，培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。

智能決策的實踐教學工作必須以高質(zhì)量的科研內(nèi)容為基礎。通過瞄準國際前沿、集成創(chuàng)新和引進消化吸收、提升原始創(chuàng)新以及再創(chuàng)新能力，從而建設創(chuàng)新平臺和創(chuàng)新團隊，以高水平科學研究支撐高質(zhì)量的高等教育。此外，智能決策的實踐教學還要考慮因材施教，驗證關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。目前學生的學習任務較重且水平參差不齊，在設計實踐環(huán)節(jié)時，要把握如何能在較短的時間內(nèi)讓學生得到最大程度的能力鍛煉。在這種情況下，教師必須進行充分的準備，事先搭好通用的硬件平臺和軟件框架，以減輕學生不必要的負擔，營造良好的氛圍，將學生的主要精力集中在創(chuàng)新實踐上，這樣才能提高實踐教學的效率。因此，課程借鑒了無人機領域最具影響力的國際微小型飛行器賽會（IMAV）的比賽規(guī)則，結(jié)合智能決策的研究熱點和當前承擔的學術(shù)科研任務，引入無人機競賽作為智能決策教學實踐的平臺。

4.2基于無人機系統(tǒng)智能決策的課程實踐方案

在智能決策課程開始之際，教師向?qū)W生明確課程實踐方案，即通過無人機競賽的形式考核學生解決實際問題的能力。通過舉辦無人機競賽，可以激發(fā)學生的學習熱情和創(chuàng)新動力，達到寓教于樂的目的。學生帶著思考主動學習理論知識，而不是為了應付考試被動學習；教師應當按照學生的綜合能力合理組隊，從而達到能力互補和團隊協(xié)作。

無人機競賽面向本校無人機工程專業(yè)方向的本科生，根據(jù)智能決策課程的需要，共設置3個科目。

第一個科目是自穩(wěn)飛行，無人機需在3分鐘內(nèi)完成從出發(fā)點到指定目標點的飛行，要求單次滯空時間不少于30秒；本科目考查的是學生對無人機自主飛控基礎知識的掌握。第二個科目是避障偵察，無人機需以盡可能快的速度穿越一排障礙門，并識別地面上的物品；障礙門的可通行區(qū)域各不相同，無人機需通過機載單目相機識別可通行區(qū)域，并自主規(guī)劃路徑；本科目考查的是學生對智能識別和任務規(guī)劃基礎知識的掌握。第三個科目是特級飛行，包括手拋無人機平穩(wěn)飛行、8字飛行、伴隨飛行等；本科目考查的是學生的創(chuàng)造力。比賽采用百分制，3個科目按照難度系數(shù)和重要程度評分占比分別為30%、50%和20%。

如圖3所示，課題組提供比賽使用的無人機硬件和飛控軟件平臺并指導學生拼裝無人機及使用軟件。學生需在課程學習的過程中制定智能決策的算法設計及代碼實現(xiàn)計劃，并嚴格按照時間節(jié)點實現(xiàn)目標；每個小組的成員必須說明自己在團隊中的貢獻，從而作為教師打分的依據(jù)。

5結(jié)語

將智能決策教學和無人機競賽進行有機結(jié)合，在智能決策任務規(guī)劃課程的教學中，通過智能感知、自主控制、算法的實踐環(huán)節(jié)服務于無人機系統(tǒng)的自主行為決策，從而不但幫助學生深入理解智能決策的基本概念和理論，而且使學生了解目前的科技前沿，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，最終提高智能決策課程的教學質(zhì)量。經(jīng)過幾年的教學實踐，取得了較好的效果。很多學生表示通過課程學習加深了對理論知識的理解，認為相關(guān)技術(shù)可以指導他們以后的工作，相關(guān)解決問題的方法為以后解決工作中的實際問題提供了思路。同時，很多學生表達出對無人機系統(tǒng)的濃厚興趣，表示會進一步關(guān)心無人機系統(tǒng)的發(fā)展，并投身到相關(guān)的研究工作中去。

（編輯：郭田珍）