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陈雯柏
, 吴细宝, 许晓飞
北京信息科技大学 自动化学院, 北京 100192
CHEN Wenbai, WU Xibao, XU Xiaofei
中图分类号: G642.4
文献标识码: A
文章编号: 1006-7167(2017)05-0228-04
收稿日期: 2016-05-20
网络出版日期: 2017-05-20
版权声明: 2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介:陈雯柏(1975-),男,四川广安人,博士,副教授,中国人工智能学会理事、机器人文化艺术专业委员会副主任委员、青年工作委员会副主任委员,,北京信息科技大学自动化学院副院长,从事人工神经网络、智能机器人方面的教学与科研。Tel.:010-82427155;E-mail:chenwb@bistu.edu.cn
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摘要
为提高工科自动化类相关专业学生的工程“综合、实践”能力,基于工程型人才的素质与能力要求,提出以机器人足球竞赛为平台的多学科工程综合与创新实践教学方案。首先介绍了机器人足球竞赛的相关背景,然后从本科阶段工科教育模拟“解决复杂工程问题”的角度,构建了符合“构思、设计、实施、运行”理念的基于机器人足球比赛系统的工程训练方案,最后对系统方案中关键技术与训练内容进行了详细分析与讨论。机器人足球工程训练活动的开展,有利于本科学生的工程能力、创新实践能力的提高。
关键词：
Abstract
In order to improve practice ability and compound quality of students majored in automation,a multidisciplinary engineering comprehensive and innovative teaching scheme based on robot soccer competition platform is proposed. Firstly, the background of robot soccer competition is introduced, then engineering training plan which matches the concept of CDIO based on robot soccer competition system is built to improve the ability of “solving complex engineering problems” for undergraduates. Finally, The key technologies and the training Content in the scheme are analyzed and discussed in detail. Practice shows that the robot soccer training activities are benefit to improve undergraduate students' engineering innovation and practice ability.
Keywords：
为推进工程教育改革,促进教育界与工业界之联系,2006年教育部正式启动了工程教育专业认证试点工作[1-2]。2008年5月,“中国CDIO工程教育模式研究与实践”课题组,开始组织开展CDIO工程教育模式的研究与探索。2010年6月,教育部启动“卓越工程师教育培养计划”重大改革。2012年,“中国工程教育认证协会”获得教育部支持,按照华盛顿协议要求,开展工程教育认证工作[3-4]。相关改革工作正是解决学生的工程实际训练较少的实际问题,提高工程教育人才培养质量[5-8]。
机器人足球赛涉及传感、通讯、人工智能、机器人学等诸多领域前沿技术,是高技术的对抗赛[9-10]。本文基于工程型人才的素质与能力要求,从模拟“解决复杂工程问题”的角度,设计并构建了符合“构思、设计、实施、运行”理念的基于机器人足球比赛系统的多学科工程综合与创新实践教学方案。
华盛顿协议对工程类本科生的能力要求主要有以下几方面[7]:①在系统、工艺和机器的设计、操作和改进过程中,能够应用数学、自然科学和工程技术知识。②发现并解决复杂工程问题。③了解并解决环境、经济和社会与工程相关的问题。④具有有效沟通能力。⑤能够接受终身学习并促进职业发展。⑥遵守工程职业道德。⑦能够在当今社会中发挥作用。2013年在韩国举行的国际工程大会上,我国加入《华盛顿协议》。2015年,中国工程教育专业认证协会发布了《工程教育专业认证标准》对学生提出的基本要求[8]。
1.2.1 “复杂工程问题”特征
参照《华盛顿协议》要求,详细界定“复杂工程问题”必须具备下述特征①,同时具备下述特征②~⑦的部分或全部[8,11-12]:①基于深入原理。必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决。②协同攻关。需求涉及多方面的技术与工程因素,并可能相互有一定冲突。③建模求解。需要通过建立合适的抽象模型才能解决,在建模过程中需要体现出创造性。④需新方法和现代工具不是仅靠常用方法就可以完全解决的。⑤不确定与创新思维。问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中。⑥利益冲突。问题相关各方利益不完全一致。⑦综合性。具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题。
1.2.2 “解决复杂工程问题”与工程属性“综合、实践、创新”的关系
工程教育专业认证的毕业要求是对原有“科学教育”烙印的课程体系提出了挑战,融合理论课程与试验课程以及实践环节是必然趋势。本科阶段工科教育要求以模拟“解决复杂工程问题”为载体,根据成果反向设计理念,按照核心能力,以现代实际、成熟的复杂工程问题研发过程典型化为载体,转化为系统化、可操作的教学过程,其重点是“综合、实践”。“创新源于实践”,培养工程“综合、实践”能力是本科阶段毕业生具有创新意识的基础。
1992年,加拿大大不列颠哥伦比亚大学An Mackworth教授首次提出机器人足球的概念,旨在通过机器人足球比赛,为人工智能和智能科学与技术的发展提供一个具有挑战性的课题。表1、表2分别列出了目前最为主流的两大机器人世界杯比赛的机器人足球比赛项目信息。图1所示为足球机器人比赛场景示意图。
表1 FIRA比赛项目的设置
| 项目 | 名称 | 机器人 | 场地 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 尺寸/cm | 队员数 | 尺寸/m | 球 | ||
| NaroSot | 超微机器人足球 | 4×4×5 | 5 | 1.3×0.9 | 乒乓球 |
| AMiRESot | 自主微型机器人足球 | 11×11 | 1 | 1.3×0.9 | 高尔夫球 |
| AndroSot | 仿人形机器人足球 | 3 | 2.2×1.8 | 高尔夫球 | |
| MiroSot | 微机器人足球 | 7.5×7.5×7.5 | 3 5 7 11 | 1.5×1.3 2.2×1.8 2.8×2.2 4×2.8 | 高尔夫球 |
| RoboSot | 小型机器人足球 | 15×15×30 | 3 | 曲棍球 | |
表2 RoboCup比赛项目的设置
| 项目 | 类别 | 机器人 | 场地 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 尺寸/cm | 队员数 | 尺寸/m | 球 | ||
| 类人组 | 小型组 中型组 大型组 | 30~60 100~120 130~160 | 不多于3人 不多于2人 | 6×4 | 网球 沙滩手球 |
| 中型组 | 30×30~50×50 | 2~4 | 8×6~18×12 | 5号足球 | |
| 小型组 | 直径<18 | 5 | 高尔夫球 | ||
| 标准平台组 | NAO机器人 | 5 | 6×9 | 曲棍球 | |
MiroSot比赛系统的硬件平台具体可分为机器人小车、视觉、决策和无线通讯4个子系统[13-14]。
机器人足球目标任务是通过视觉系统获得小球坐标、小车编号、位姿等信息,通过决策系统得到小车动作任务,最后由通信系统发出小车控制指令。可见,机器人足球是涉及机械、模式识别、信号处理、电路设计等多方面理论技术的多学科综合,是一个理想的解决复杂工程问题的训练平台。基于MiroSot机器人足球比赛系统的工程综合与创新实践训练方案见图2。
由图2可见,系统涉及了人工智能、机器人学、通信、传感、精密机械等诸多领域的前沿技术。训练方案基于“构思、设计、实施、运行”理念,从构思、设计、实施到运行环环相扣,紧密联系,充分做到了让学生“学中做、学中思、做中学、做中思”。这种CDIO以构思、设计、实施及运作全过程为载体培养的工程能力,不仅包含个人的学术知识,还包含终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力[15-16]。
(1) 必须运用深入的工程原理经过分析才可能得到解决。根据机器人足球的目标任务,摄像头需要获取场上实时情况,决策系统需要分析得到机器人的运动指令,机器人需要通过追球、带球,进而完成进球任务。
① 机械与电路方面。进球不仅与决策算法有关还与小车的性能有着很大的关系,在机械结构以及小车动力系统上的改进有利于赢得比赛。信号的收发、机器人的运动控制都必须有电路为支撑。
② 位姿识别方面。小车编号及位姿识别、对方小车位姿识别以及小球位置的识别,精准的位姿识别是比赛的前提。
③ 控制与决策方面。为实现指定的目标,运用路径规划得到小车的运动控制指令,路径规划必须清楚认识场地实时组合特征才能设计合理的控制方案。决策算法在精准识别的基础上,分析场上态势得到各个小车动作目标。
④ 使用现代工具方面。机器人足球竞赛是一个跨学科的工程设计竞赛,需要团队掌握多种电路设计、图像处理、程序开发等多种现代工具。
(2) 需要涉及多方面的技术、工程和其他因素,并可能相互有一定冲突。
① 综合性。比赛系统涉及模式识别、信号处理、路径规划、电路设计等多方面的理论技术,具体需要考虑比赛场地光学环境竞对识别算法的影响、稳定性、适应性等多方面的技术、工程和其它因素。
② 冲突性。精准识别与系统实时性,运动速度和稳定性等问题均有一定冲突。
(3) 需要建立合适的抽象模型才能解决,在建模过程中需要体现创造性。小车位姿识别的过程中,也有明显的建模问题,模式识别问题等;系统决策也是在建模的基础上完成的;运动控制过程本身就是一个基于模型的控制过程。
(4) 不是仅靠常用方法就可以解决的。在识别过程中,由于场地光线的影响没有通用的图像预处理参数能够适应所有情况,必须在比赛前大量采样场地数据才能降低误识别率。好的决策算法能够大大提高系统效率,是赢得比赛的关键因素。但决策算法是在分析场上态势,根据人的先验知识得到的,并没有通用的解决办法。
(5) 问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中。线性系统是理想条件下的控制问题。而对于机器人小车的控制,存在各种类型的非线性。图像处理需要解决如何适应环境光线变化等问题。这些都需要能够灵活应用相关基本知识原理,阅读大量学术文献予以考虑。
(6) 具有较高的综合性,包含多个相互关联的子问题。机器人小车系统是控制单元、速度检测单元、电机驱动单元等不同单元的关联综合,各个单元的协调配合是精确控制小车的前提,需要在系统设计时全面考虑相互关联的子问题。
如图3所示,MiroSot足球机器人小车采用两轮差动式运动控制结构,几何尺寸为7.5 cm×7.5 cm×7.5 cm,电机采用Series 2224U006SR,质量小于550 g。在MiroSot系统中,机器人的基本动作主要包括跑位到定点、转到定角、原地转动等。从控制的角度来看就是不断减小机器人当前位置、角度与目标位置、角度的差值,从而使机器人快速地完成任务。
运动系统的设计包括CPU控制单元、电机速度检测单元与电机驱动单元等模块,完成的运动系统控制电路板如图4所示。
通信系统结构如图5所示,主机通信程序向无线数据发射器给出机器人左右轮速度指令,无线数据接收器解码获得左右轮速度等机器人运动控制数据。通信系统采用广播方式,每个控制周期内发射一帧数据,各机器人根据自身编号读取数据帧的不同字段,获得运动指令。
足球机器人视觉系统主要有图像获取、预处理和图像处理3部分,如图6所示。
图像处理包括图像分割和目标识别,它是整个视觉系统的核心。足球机器人视觉系统通过识别机器人顶部不同色标(由队标、队员标组成)来实现双方机器人与球的识别。识别过程包括:目标采样与颜色分析、图像分割等步骤[13-14]。识别出己方队员后进一步进行处理得到各机器人的编号以及位姿信息。色标与各足球机器人一一对应,用来区分不同足球机器人;位姿识别通过计算队标与初始设定坐标轴之间的夹角来实现。
MiroSot视觉处理算法流程如图7所示。
根据双方机器人位姿信息、球的信息,决策系统需要分析攻防态势,然后进行任务分解、角色分配,给出机器人的运动参数。系统层次结构可分为协调层、运动规划层与基本动作层。协调层着眼于机器人之间的协调组织,运动规划层重在将协调层意图分解为各个机器人的目标。决策系统需要考虑球的位置、运动方向及机器人的位置、姿态4个关键因素。
机器人足球的工程训练方案符合“构思、设计、实施、运行”理念。项目的完成需要多名学生组成跨学科的团队并进行协作,需要同学们就最终目标的达成进行有效沟通和交流。如参加国际比赛,还要求在跨文化背景下进行沟通和交流。学生通过竞赛享受到自主学习的快乐,具有持之以恒为学习和适应发展的能力。基于机器人足球的工程训练方案的开展有利于应用型创新人才的培养,有利于本科学生的工程能力、创新实践能力的提高。
The authors have declared that no competing interests exist.
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面向创新创业教育深化工程教育改革 [J]. |
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发展高等工程教育,推动国家创新体系建设——在第七次全国高等工程教育学术研讨会上的书面发言 [J].DOI:10.3969/j.issn.1001-4233.2006.05.001 URL [本文引用: 1] 摘要
首先，我代表教育部对第七次全国高等工程教育学术研讨会的召开表示热烈祝贺。作为教育部分管高等教育的负责人，我非常希望能和同志们一起研讨高等工程教育的改革和发展问题。借此机会，我谈三点看法。
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“卓越工程师教育培养计划”通用标准研制 [J]. |
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众创背景下的中国高校创新创业教育 [J].DOI:10.16298/j.cnki.1004-3667.2016.01.11 URL [本文引用: 1] 摘要
深化高等学校创新创业教育,既是国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的迫切需要,也是众创时代下推进高等教育综合改革、加强高校人才培养的关键举措.
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论工程教育的科学主导与工程回归 [J].
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面向工程教育专业认证,加强工程训练中心建设 [J]. |
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中国特色的工程训练教学模式与内容思考 [J]. |
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基于分层结构模型的机器人足球决策系统设计 [J].DOI:10.3321/j.issn:0367-6234.2005.07.023 URL [本文引用: 1] 摘要
提出了一种基于全局视觉的分层结构模型的机器人足球策略系统,能够适应比赛中机器人数目的变更.介绍了这种分层结构模型的设计以及在机器人足球系统中的应用.通过实际比赛,验证了模型的效率和实用性.
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机器人足球比赛研究 [J].DOI:10.3321/j.issn:1002-0446.2003.04.019 URL Magsci [本文引用: 1] 摘要
机器人足球比赛是一个有趣且复杂的人工智能的新兴研究领域 ,它试图利用一个将各种理论、算法和Agent体系结构集成在一起的任务来促进机器人学和人工智能研究的发展 .论述了机器人足球比赛的目标、意义、所涉及的关键技术以及一些主要的应用方面 ,同时指出了机器人足球比赛今后的发展方向 .希望引起研究人员对机器人足球比赛的重视 ,以便促进机器人足球比赛在我国的发展 .
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面向专业认证的工程训练模式与创新体系构建 [J].DOI:10.3969/j.issn.1672-5913.2014.19.013 URL [本文引用: 1] 摘要
为促进专业认证与评估工作,提出自动化相关专业的一种系列化、分层次、循序渐进的工程训练模式,介绍相关工程训练方案及一系列基于智能车—机器人—物联网 平台的工程案例,目的是构建以工程训练开放项目为内容,以学科竞赛为动力支撑,工程产品型毕设为效果检验,以参与教师科研工程项目与学生自主创新—创业实 践为补充的自动化类相关专业的工程训练创新实践体系.
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基于视觉的足球机器人系统 [J]. |
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MiroSot 足球机器人系统的构成分析 [J].
MiroSot系统是近几年发 展起来的一个多智能体系统平台,是机器人研究的热点.MiroSot涉及人工智能、自动控制、机器人视觉、无线通信等众多研究领域.详细论述了 MiroSot系统的整体结构及其所包含的视觉、决策、通信和机器人小车等4个子系统.结合研究实践阐述了目前国内外MiroSot系统的研究现状和今后 的发展方向.
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基于CDIO的实验项目开发与实践 [J].DOI:10.3969/j.issn.1002-4956.2010.02.037 URL [本文引用: 1] 摘要
阐述了工程教育模式CDIO的基本概念,提出了基于CDIO教学模式的生产线设计及平衡自主创新综合实验项目的开发和实践,并对实验项目涉及的要求作了阐述.该实验项目打破了传统实验教学模式,教师和学生在实验教学中扮演的角色发生较大改变,要求学生自主设计和完成实验内容,实现被动接受教育到学生自主创新、设计和实施的转变.实施结果表明取得很好效果.
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CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究 [J].DOI:10.3969/j.issn.1002-4956.2012.11.047 URL [本文引用: 1] 摘要
以CDIO工程教育理念指导单片机原理及应用课程的教学,在授 课、实验、作业和考试环节,以学生为主体、以教师为主导、以实践为主线开展微型项目驱动教学.将课程知识点融入若干个微型项目中,以CDIO工程教育模式 指导学生循序渐进地完成项目.通过项目引导学生以玩的心态学单片机,在学中做,在做中学.实践证明,CDIO模式的微型项目驱动教学法有利于学生理解和掌 握课程要求的知识,培养分析问题和解决问题的能力,提高实践动手技能,挖掘创造潜能,提高综合素质.
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