摘要：本文以多智能體協(xié)同控制平臺的構(gòu)建為基礎(chǔ)，結(jié)合高校本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程改革與建設(shè)為背景，探討多智能體模塊實(shí)踐課程的實(shí)施方案和教學(xué)模式。平臺的搭建涉及到無人機(jī)、智能車、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)實(shí)時定位系統(tǒng)等硬件的配置，以及Simulink虛擬仿真、實(shí)時控制系統(tǒng)開發(fā)等軟件平臺，可以為機(jī)械工程、自動化、人工智能等相關(guān)專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)提供實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。在實(shí)踐平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上，分層次遞進(jìn)式開展教學(xué)，設(shè)計(jì)了可以滿足從認(rèn)知到通識再到創(chuàng)新及工程等不同階段學(xué)時要求的實(shí)踐課程，課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)的開展以興趣為引導(dǎo)，前沿技術(shù)為支撐，通過虛實(shí)結(jié)合、項(xiàng)目式教學(xué)、賽教結(jié)合等方式實(shí)施，目標(biāo)為學(xué)生開拓視野、培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力、服務(wù)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

關(guān)鍵詞：多智能體系統(tǒng)；無人機(jī)；虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1概述

多智能體系統(tǒng)是具有一定感知和通信能力的智能車、無人機(jī)等組成的集合，彼此相互通訊和協(xié)調(diào)，從而完成特定目標(biāo)、技能和規(guī)劃的系統(tǒng)。目前多智能體系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、物流、應(yīng)急救援、軍事等領(lǐng)域，我國在無人機(jī)和智能車相關(guān)產(chǎn)業(yè)國際市場份額常年位居全球第一，在無人智能領(lǐng)域已掌握了多項(xiàng)核心技術(shù)，如自主控制、導(dǎo)航、避障、精確定位、協(xié)同控制有較為成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展多智能體技術(shù)符合國家發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略需求，對未來人類社會、經(jīng)濟(jì)、民生以及軍事領(lǐng)域發(fā)展形態(tài)影響至關(guān)重要[1]。

高校在人才培養(yǎng)和課程改革上大力推廣認(rèn)知教育、通識課程以及提倡將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿人才培養(yǎng)全過程，這些都需要實(shí)踐平臺建設(shè)、課程體系建設(shè)為支撐。而多智能體系統(tǒng)是機(jī)械、自動化、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人工程、人工智能等多個學(xué)科的交叉，屬于全球科技競爭制高地和前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，可以以智能體協(xié)同控制系統(tǒng)為典型建設(shè)綜合性的實(shí)踐平臺，服務(wù)于新工科專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)，為學(xué)生實(shí)踐提供教學(xué)環(huán)境，也可兼顧科研團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新研究。由于多智能體所涉及的知識體系的遞進(jìn)性、技術(shù)的綜合性以及拓展性，制定符合現(xiàn)階段人才培養(yǎng)發(fā)展與學(xué)生知識結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律的課程體系，實(shí)現(xiàn)視野、思維到創(chuàng)新能力的全覆蓋。

本文將介紹多智能體協(xié)同創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，搭建基于室內(nèi)多旋翼無人機(jī)和智能車為智能控制的實(shí)驗(yàn)平臺。結(jié)合能力培養(yǎng)要求，探討課程體系建設(shè)。設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目、賽教結(jié)合項(xiàng)目[2]，并開展多智能體創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，著力培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。

2.多智能體系統(tǒng)實(shí)踐平臺的構(gòu)建

東南大學(xué)機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心結(jié)合自身在智能網(wǎng)聯(lián)車輛關(guān)鍵技術(shù)方面的研究以及大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽競賽參加智能車與無人機(jī)賽項(xiàng)中的積累，與北京靈思創(chuàng)奇科技有限公司共同建設(shè)了多智能體協(xié)同控制平臺。

2.1總體架構(gòu)及硬件組成

多智能體協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)平臺主要由實(shí)時定位系統(tǒng)、四旋翼無人機(jī)、智能車單元以及無線通訊網(wǎng)絡(luò)組成。

系統(tǒng)硬件主要包括如下：

（1）實(shí)時定位系統(tǒng)，基于空間多機(jī)位紅外光學(xué)攝像完成無人機(jī)、智能車的圖形采集，在開發(fā)主機(jī)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析獲得無人機(jī)、智能車精確的位置和姿態(tài)信息，包含三維空間坐標(biāo)、速度、加速度等基礎(chǔ)運(yùn)動信息。

系統(tǒng)模型的建模是在多智能體模塊上設(shè)置反光標(biāo)識點(diǎn)（Marker），基于光學(xué)三維定位系統(tǒng)進(jìn)行連接建立剛體模型。光學(xué)鏡頭進(jìn)行三維空間位置的精確捕捉，可得到不同時間計(jì)量單位上各反光標(biāo)識點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)（X，Y，Z），通過進(jìn)一步處理和運(yùn)算可得到目標(biāo)物體精確位置及姿態(tài)等三維數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視和運(yùn)行管理。

（2）智能車模塊，智能車采用樹莓派主控單元加PX4控制器的架構(gòu)，PX4控制器作為智能車的行走驅(qū)動，結(jié)合麥克納姆輪式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全向移動和靈活的轉(zhuǎn)向。樹莓派主控完成室內(nèi)編隊(duì)、路徑規(guī)劃控制，通過通訊接口拓展紅外、壓力、角度等測量等，可使小車實(shí)現(xiàn)夾持、搬運(yùn)等作業(yè)。

（3）四旋翼無人機(jī)

無人機(jī)是多智能體的核心部件，平臺配備了開源式的四旋翼無人機(jī)，無人機(jī)由機(jī)架、動力系統(tǒng)和控制導(dǎo)航系統(tǒng)組成。機(jī)架包括機(jī)臂、機(jī)身、腳架、保護(hù)罩和其他支撐部件等；動力系統(tǒng)主要包括電源模塊（電池和電源模塊電路）、電機(jī)及電調(diào)、螺旋槳等；控制系統(tǒng)包括樹莓派控制板、導(dǎo)航傳感器板（IMU）、攝像頭、PX4飛控和地面站等[3]。和智能車采用相同的固件的架構(gòu)，PX4飛控將基本的姿態(tài)和傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給樹莓派，樹莓派完成控制計(jì)算后將電機(jī)控制指令發(fā)送給PX4飛控，完成四旋翼的基本控制。樹莓派可以連接視覺或其他傳感器，完成相應(yīng)的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。

（4）通訊模塊，主要由無線路由器、地面站（master節(jié)點(diǎn)樹莓派）、機(jī)載樹莓派UDP通信模塊組成。多智能體的機(jī)載樹莓派無線通信模塊設(shè)置獨(dú)立的IP地址，通過WiFi連接，地面站通過無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)服務(wù)器開發(fā)主機(jī)連接，用于獲取無人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)和地面站的控制指令，經(jīng)運(yùn)算后將信息發(fā)送至多智能體機(jī)載樹莓派。

2.2平臺軟件構(gòu)成

（1）軟件架構(gòu)

多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)采用一臺高性能臺式服務(wù)器作為開發(fā)主機(jī)，部署用于圖像處理、定位跟蹤、算法開發(fā)、模型編譯下載以及進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視分析的軟件，其中算法開發(fā)主要基于上位機(jī)MATLAB/Simulink軟件平臺實(shí)現(xiàn)，結(jié)合靈思創(chuàng)奇提供的實(shí)時控制軟件，實(shí)現(xiàn)代碼生成、編譯和部署。開發(fā)主機(jī)也可作為Windows實(shí)時目標(biāo)機(jī)，運(yùn)行Simulink生成的WindowsTarget目標(biāo)代碼。目標(biāo)機(jī)管理模塊是Simulink主機(jī)和多智能體機(jī)載電腦目標(biāo)機(jī)之間的橋梁，主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼下載功能、目標(biāo)代碼加載到內(nèi)存功能和仿真控制臺功能，最終通過無線通信完成對若干無人機(jī)、智能車的集群協(xié)同控制。

（2）實(shí)時控制開發(fā)軟件

實(shí)時控制開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)樹莓派機(jī)載電腦處理器軟件和PX4飛控板軟件的功能開發(fā)，其中機(jī)載電腦主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、決策以及傳感器數(shù)據(jù)處理，PX4飛控板主要實(shí)現(xiàn)飛行控制驅(qū)動功能，兩個處理器之間基于Mavlink通信協(xié)議通過高速UART接口通信，與MATLAB/Simulink兼容，能夠基于MATLAB/Simulink進(jìn)行控制器開放式硬件在環(huán)設(shè)計(jì)。

機(jī)載電腦處理器軟件包括操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動模塊和目標(biāo)機(jī)管理模塊。其中操作系統(tǒng)支持Ubuntu16.04，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度等功能，提供軟件基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境；硬件驅(qū)動模塊包括PWM、SPI、I2C、AD等，可通過Simulink模型中對應(yīng)的模塊完成底層硬件驅(qū)動的調(diào)用；應(yīng)用層包括Simulink實(shí)時代碼和PX4開源協(xié)議棧，Simulink實(shí)時代碼可通過UORB通訊機(jī)制完成與飛控協(xié)議棧之間的交互，可編譯原協(xié)議棧中姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)融合、導(dǎo)航等控制算法。

（3）上位機(jī)MATLAB/Simulink仿真工具

Matlab提供了航空宇航模塊（AerospaceBlockset）用于無人機(jī)、航空航天飛行器結(jié)構(gòu)和飛行控制系統(tǒng)的建模、集成與實(shí)時仿真，并與開源實(shí)飛硬件接口一致，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完整的控制系統(tǒng)開發(fā)。

3.課程設(shè)計(jì)

在多智能體協(xié)同控制平臺搭建完成的基礎(chǔ)上開展實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐課程設(shè)計(jì)按照“夯實(shí)基礎(chǔ)、能力提升、創(chuàng)新發(fā)展”三層遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系，滿足分層次、階梯式能力培養(yǎng)的需求?？v觀高校的實(shí)踐課程模式一般包括四個階段：大一階段的基礎(chǔ)認(rèn)知實(shí)踐課程，大二階段的專業(yè)素養(yǎng)養(yǎng)成實(shí)踐課程，大三階段的專業(yè)知識深度綜合實(shí)踐課程，大四階段創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合實(shí)踐。多智能體系統(tǒng)作為集前沿科技為一體、學(xué)科交叉以及課程知識綜合的平臺，開設(shè)的實(shí)踐課程可以滿足從認(rèn)知到通識再到創(chuàng)新及工程等不同階段學(xué)時要求。設(shè)計(jì)層次分明、教學(xué)目的明確的多智能體實(shí)踐課程體系，持續(xù)升級和優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)策略和實(shí)踐要素，可以激發(fā)教與學(xué)主體參與積極性，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，全面提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)[4]。

3.1認(rèn)知課程設(shè)計(jì)

設(shè)置認(rèn)知實(shí)踐課程的目的就是幫助學(xué)生初步認(rèn)識專業(yè)和行業(yè)，明確專業(yè)性質(zhì)、職業(yè)領(lǐng)域、核心能力、職業(yè)環(huán)境等。高校大力推廣的新生引導(dǎo)課程《工業(yè)系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)踐》，多智能體系統(tǒng)作為子模塊在認(rèn)知課程可以安排4學(xué)時，授課對象為大學(xué)一年級新生，側(cè)重對多智能體系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)，吸引學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的全局視野，旨在產(chǎn)生良好專業(yè)認(rèn)知和技術(shù)認(rèn)知。尤其對于工科類專業(yè)學(xué)生能夠深刻感悟和理解多智能體、無人機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性和前沿性，認(rèn)識到多智能體協(xié)同研究方向的重要性。

3.2通識課程設(shè)計(jì)

通識課程以融通不同課程的知識、培養(yǎng)通識人才為目的發(fā)展大學(xué)生的全面素質(zhì)，通識類課程一般設(shè)置為32學(xué)時，面向大學(xué)二年級學(xué)生，課程設(shè)置在專業(yè)分流后，在牢固掌握公共基礎(chǔ)課程的前提上開設(shè)。課程側(cè)重應(yīng)用層面，兼顧部分開發(fā)的要求，為職業(yè)素養(yǎng)養(yǎng)成階段的實(shí)踐課程。

課程中增加多智能體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)方面的教學(xué)和訓(xùn)練，致力于讓學(xué)生獨(dú)立自主開SMwFjQeVpt5swPaCPWOrOQ==發(fā)設(shè)計(jì)制造無人機(jī)結(jié)構(gòu)，比如對多旋翼無人機(jī)的運(yùn)動模型、飛行方式、動力系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，同時基于單片機(jī)或靈思創(chuàng)奇所提供的系統(tǒng)平臺對主體控制模型的軟硬件控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，如通訊、傳感系統(tǒng)、飛行控制等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，以及對姿態(tài)控制、高度和位置等控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。協(xié)同控制方向上，實(shí)踐內(nèi)容根據(jù)無人機(jī)、智能車以及多智能體協(xié)同控制三個方向進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)，如多機(jī)編隊(duì)飛行實(shí)驗(yàn)包含進(jìn)行編隊(duì)隊(duì)形的設(shè)計(jì)、編隊(duì)隊(duì)形的保持、編隊(duì)隊(duì)形變換等實(shí)驗(yàn)；多車編隊(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)包括基于激光SLAM定位的多車編隊(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及基于地面標(biāo)記目標(biāo)物的多車編隊(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；多智能體協(xié)同編隊(duì)實(shí)驗(yàn)包括基于攝像捕捉定位的多車、多機(jī)編隊(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，基于期望目標(biāo)任務(wù)的多車、多機(jī)編隊(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3創(chuàng)新綜合實(shí)踐

創(chuàng)新綜合實(shí)踐階段為64學(xué)時，授課對象為大學(xué)三年級學(xué)生，創(chuàng)新綜合階段是以通識課程理論實(shí)踐內(nèi)容為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)中融合控制工程基礎(chǔ)、工程測試技術(shù)、電機(jī)與驅(qū)動控制、傳感器技術(shù)與應(yīng)用、單片機(jī)原理及應(yīng)用等高年級專業(yè)課程的內(nèi)容，通過多智能體平臺實(shí)踐加深同學(xué)們對相關(guān)課程理論知識的理解和課程知識的綜合[5]。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)無人機(jī)和智能車軟硬件開發(fā)，如硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，Linux開發(fā)環(huán)境搭建，軟件架構(gòu)分析，源代碼編譯。掌握多智能體系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，提高學(xué)生綜合能力以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動提升提供更好的支撐。

課程需要分配一定的課時作為綜合實(shí)踐或競賽項(xiàng)目，其中綜合實(shí)踐項(xiàng)目對學(xué)生專業(yè)知識和工程能力具有很高的鍛煉價值，課程組結(jié)合多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，精心設(shè)計(jì)了無人機(jī)控制系統(tǒng)的搭建及多智能體協(xié)同控制平臺的搭建的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合實(shí)踐中需要學(xué)生在Simulink中完成整個系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)，包含：①傳感器數(shù)據(jù)獲?、诳刂颇Ｊ焦芾砼c指令數(shù)據(jù)處理③導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理④安全檢查⑤位置控制器⑥姿態(tài)控制器和動力分配混控器⑦姿態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)視⑧地面站監(jiān)視。

3.4工程階段

工程階段以工程問題為導(dǎo)向，全面提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。該階段課程實(shí)施周期為三個月，授課對象為大三、大四學(xué)生，要求學(xué)生作為技術(shù)主力全流程跟企業(yè)聯(lián)合完成1-2個不同的應(yīng)用項(xiàng)目（立項(xiàng)-開發(fā)-交接）、SRTP（大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目）、畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目、或者作為技術(shù)主力參加挑戰(zhàn)杯競賽等等，最終驗(yàn)收需要學(xué)生提交論文或?qū)＠巍?/p>

工程階段的項(xiàng)目圍繞多智能體協(xié)同控制的研究熱點(diǎn)方向，以及現(xiàn)實(shí)中或未來多智能體應(yīng)用場景，以科研縱向、企業(yè)需求導(dǎo)向等進(jìn)行立項(xiàng)，現(xiàn)階段已開展的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題和SRTP項(xiàng)目主要以多智能體之間通過信息交互及協(xié)同工作的控制算法驗(yàn)證研究為主。

工程階段的最終目標(biāo)為調(diào)動本科生從事科研創(chuàng)新的興趣和積極性，通過此階段的訓(xùn)練激發(fā)其參加無人系統(tǒng)智能控制相關(guān)的科創(chuàng)項(xiàng)目、撰寫高水平科研論文并參加國內(nèi)外智能無人系統(tǒng)高水平學(xué)術(shù)會議等，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固無人機(jī)、人工智能、智能控制領(lǐng)域的知識儲備，未來能夠繼續(xù)深造智能無人系統(tǒng)與智能控制研究方向的碩士、博士，或者從事智能無人系統(tǒng)產(chǎn)學(xué)研方面的工作，從而培養(yǎng)智能無人領(lǐng)域的技術(shù)人才。同時工程階段結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)增加成本控制、工程管理等方面的內(nèi)容，服務(wù)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

結(jié)語

東南大學(xué)機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心建立了多智能體協(xié)同控制實(shí)踐平臺，同時對課程體系建設(shè)、教學(xué)模式進(jìn)行了探索，形成了集認(rèn)知教育、通識教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育及科研服務(wù)于一體的功能定位。實(shí)踐平臺融合了多智能體協(xié)同控制的關(guān)鍵無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路開發(fā)、電機(jī)與驅(qū)動控制、傳感器技術(shù)、虛擬仿真、人工智能、智能控制等多項(xiàng)技術(shù)。滿足專業(yè)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)和新工科復(fù)合型人才素質(zhì)的提升，以循序漸進(jìn)的方式、多維度設(shè)計(jì)教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng);也可作為科研轉(zhuǎn)化服務(wù)平臺，以適應(yīng)了未來科技革命與產(chǎn)業(yè)變革需要。平臺在教學(xué)和科研發(fā)揮了極為重要的作用，具有一定的先進(jìn)性，為東南大學(xué)無人智能專業(yè)方向優(yōu)化教學(xué)模式奠定了良好的基礎(chǔ)，對理工類院校相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、課程體系建設(shè)也具有一定的參考價值。后期將根據(jù)教學(xué)效果、課程評教及競賽成果等對實(shí)踐課程的體系設(shè)計(jì)、項(xiàng)目式教學(xué)開發(fā)、實(shí)踐模塊和施教方式、人才培養(yǎng)方案等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)、完善和優(yōu)化。

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作者簡介：施吉祥（1983-），江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃?、特種加工、機(jī)器人技術(shù)。