專創(chuàng)融合背景下機(jī)器人專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究
——以《機(jī)器人導(dǎo)航與運(yùn)動規(guī)劃》為例

◇成都大學(xué) 毛 潤 代華鳳

在專創(chuàng)融合背景下，為了滿足智能制造產(chǎn)業(yè)升級對機(jī)器人專業(yè)人才的需求，本文開展了專創(chuàng)融合背景下機(jī)器人專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究。當(dāng)前機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容松散、單一，無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。基于專創(chuàng)融合的人才培養(yǎng)思路，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，結(jié)合成都大學(xué)辦學(xué)條件，按照任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，設(shè)置了體現(xiàn)科學(xué)性和研究性的機(jī)器人導(dǎo)航與運(yùn)動規(guī)劃專題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含從底層控制到上層規(guī)劃的整體實(shí)現(xiàn)，對于學(xué)生雙創(chuàng)能力的培養(yǎng)起到很好的促進(jìn)作用。

黨的十九大明確提出高等教育要實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵式發(fā)展，深化產(chǎn)教融合[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要抓手，對于學(xué)生熟練掌握相關(guān)專業(yè)知識起到很好的促進(jìn)作用[2]。傳統(tǒng)機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生一般按照實(shí)驗(yàn)手冊編寫各種類型的運(yùn)動規(guī)劃算法，這樣學(xué)生很難掌握機(jī)器人的底層運(yùn)行機(jī)理。另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一，沒有與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，這樣培養(yǎng)的學(xué)生無法適應(yīng)當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)需求。專創(chuàng)融合的本質(zhì)是將雙創(chuàng)教育融入到專業(yè)課程當(dāng)中[3]，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。《機(jī)器人導(dǎo)航與運(yùn)動規(guī)劃》這門課程是機(jī)器人工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)及控制、機(jī)器人定位技術(shù)、路徑規(guī)劃算法等。該課程與自動控制理論、嵌入式系統(tǒng)、C語言等課程密切相關(guān)，實(shí)踐性和應(yīng)用性非常強(qiáng)。根據(jù)我校的辦學(xué)定位，為了更好服務(wù)地方人才需求，因此課程內(nèi)容不僅要包含機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃相關(guān)內(nèi)容，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，使得學(xué)生畢業(yè)后能適應(yīng)智能制造產(chǎn)業(yè)升級的發(fā)展需求，并能解決機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的一些實(shí)際問題。

1 專創(chuàng)融合背景

專創(chuàng)融合的本質(zhì)是將雙創(chuàng)教育融入到專業(yè)課程當(dāng)中[3-5]，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。移動機(jī)器人導(dǎo)航與運(yùn)動規(guī)劃這門課程設(shè)置了32學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課，包含全向輪小車運(yùn)動學(xué)建模、3D建圖導(dǎo)航和運(yùn)動規(guī)劃三個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這三個項(xiàng)目包含了移動機(jī)器人從底層控制到上層規(guī)劃的整體實(shí)現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上具有連貫性，學(xué)生能夠通過學(xué)習(xí)，完全掌握移動機(jī)器人的整個開發(fā)流程。另外，全向輪小車廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、物流設(shè)備、倉儲、生產(chǎn)流水線、大型超市等眾多行業(yè)，選擇其作為實(shí)驗(yàn)對象，培養(yǎng)出的學(xué)生能夠很好適應(yīng)當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)需求[4-5]。

2 綜合型實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

為了培養(yǎng)學(xué)生的“雙創(chuàng)”意識與能力，在機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入建構(gòu)主義教學(xué)理念和任務(wù)驅(qū)動等以學(xué)生為中心的主動探索性教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了模塊化的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

2.1 全向輪小車運(yùn)動學(xué)建模

機(jī)全向輪小車由三個或以上麥克納姆輪按照一定的排列方式組成的移動平臺具有平面內(nèi)三個自由度，可以獨(dú)立的前后、左右移動和原地旋轉(zhuǎn)[6]。可在不改變自身位姿的情況下向任意方向移動。其廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、物流設(shè)備、倉儲、生產(chǎn)流水線、大型超市等眾多行業(yè)。對全向輪小車運(yùn)動學(xué)建模是控制的第一步，在建模之前，為了簡化運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)模型，做出以下幾種理想化假設(shè)：①全向輪不打滑；②電機(jī)軸線中心與底盤重心重合；③各輪之間角度為120°。通過簡單的速度分解，可知：

2.2 3D建圖導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

全向輪小車3D建圖導(dǎo)航功能主要是通過視覺slam結(jié)合激光slam的方式來實(shí)現(xiàn)的，視覺建圖與激光雷達(dá)建圖并行，最終由rtabmap進(jìn)行整合[7]。如圖1所示，建圖效果在rviz中的呈現(xiàn)就是既有2D平面地圖，又有立體圖像效果，因此該功能所呈現(xiàn)的效果為3D效果。RTAB-MAP采用離散貝葉斯過濾器來估計(jì)形成閉環(huán)的概率，將新的定位點(diǎn)與存儲在工作內(nèi)存中的定位點(diǎn)進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新舊定位點(diǎn)之間有一定概率形成閉環(huán)時，新舊定位點(diǎn)就鏈接到一起。其中涉及兩個步驟，一個是取回：當(dāng)閉環(huán)概率最高的那個定位點(diǎn)的鄰接定位點(diǎn)不在工作內(nèi)存時，從靜態(tài)內(nèi)存取出放回工作內(nèi)存；二是轉(zhuǎn)移：當(dāng)閉環(huán)檢測的處理時間超過閾值，在最低權(quán)重的定位點(diǎn)中，存儲時間最長的將被轉(zhuǎn)移到靜態(tài)內(nèi)存中去。

圖1 全向輪小車3D建圖

2.3 運(yùn)動規(guī)劃算法實(shí)驗(yàn)

運(yùn)動規(guī)劃的目的是根據(jù)實(shí)時地圖環(huán)境，規(guī)劃出一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑。本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)兩種經(jīng)典的運(yùn)動規(guī)劃算法Dijkstra算法[8]和 A*算法[9]。如圖2所示，Dijkstra算法是從一個頂點(diǎn)到其余各頂點(diǎn)的最短路徑算法，解決的是有權(quán)圖中的最短路徑問題，采用貪心算法的策略，每次遍歷到起始點(diǎn)距離最近且未訪問過的頂點(diǎn)的鄰接節(jié)點(diǎn)，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止。

圖2 運(yùn)動規(guī)劃算法效果對比

A*算法是一種靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路徑最有效的直接搜索方法，也是解決許多搜索問題的有效算法。首先把搜尋區(qū)域簡化為一組可以量化的節(jié)點(diǎn)后，下一步要做的便是查找最短路徑。在A*中從起點(diǎn)開始，檢查其相鄰的方格，然后向四周擴(kuò)展，直至找到目標(biāo)。A*算法與Dijkstra算法的不同之處在于A*算法是一個“啟發(fā)式”算法，它已經(jīng)有了一些先驗(yàn)知識。它不僅關(guān)注已走過的路徑，還會對未走過的點(diǎn)或狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。因此A*算法相比Dijkstra而言調(diào)整了進(jìn)行廣度有限搜索的順序，少搜索了那些“不太可能經(jīng)過的點(diǎn)”，更快地找到目標(biāo)點(diǎn)的最短路徑。

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生提前通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解兩種算法思想。然后理論上分析兩種算法的時間復(fù)雜度，并通過實(shí)踐對比兩種算法效果，能夠深入了解機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的工作原理。

3 實(shí)驗(yàn)效果評價

機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與導(dǎo)航綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱伺囵B(yǎng)學(xué)生“雙創(chuàng)”能力，熟悉機(jī)器人從底層控制到上層規(guī)劃的整體設(shè)計(jì)能力。教師將學(xué)生分為3人一組的實(shí)驗(yàn)小組，每個小組在實(shí)驗(yàn)之前需提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，小組內(nèi)部交流并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)前，需將實(shí)驗(yàn)方案提交給教師進(jìn)行審核，判斷實(shí)驗(yàn)方案的可行性，并對實(shí)驗(yàn)方案提出修改意見。實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段，以學(xué)生為主體，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與解決實(shí)際問題的能力。各小組實(shí)驗(yàn)過程中，通過分工合作完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)器人相關(guān)功能和性能，并如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和參數(shù)。實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段，要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，對比不同算法不同參數(shù)的實(shí)際表現(xiàn)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)成績由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績（30%）和實(shí)驗(yàn)報告成績（70%）兩部分構(gòu)成。學(xué)生通過這一系列完成的機(jī)器人項(xiàng)目的過程中，掌握了解決問題的方法，同時對“雙創(chuàng)”能力的提高起到了促進(jìn)作用。依托這個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，多名學(xué)生組隊(duì)參加了中國機(jī)器人及人工智能大賽、中國高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽，并取得了優(yōu)異的成績。