多智能體協(xié)同控制平臺構(gòu)建與實踐課程設(shè)計

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踐課程的實施方案和教學模式。平臺的搭建涉及到無人機、智能車、無線通訊網(wǎng)絡、室內(nèi)實時定位系統(tǒng)等硬件的配置，以及Simulink虛擬仿真、實時控制系統(tǒng)開發(fā)等軟件平臺，可以為機械工程、自動化、人工智能等相關(guān)專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)提供實踐教學環(huán)境。在實踐平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上，分層次遞進式開展教學，設(shè)計了可以滿足從認知到通識再到創(chuàng)新及工程等不同階段學時要求的實踐課程，課程和實踐環(huán)節(jié)的開展以興趣為引導，前沿技術(shù)為支撐，通過虛實結(jié)合、項目式教學、賽教結(jié)合等方式實施，目標為學生開拓視野、培養(yǎng)學生綜合實踐能力、服務創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

關(guān)鍵詞：多智能體系統(tǒng)；無人機；虛擬仿真；實踐教學

中圖分類號：TP391文獻標識碼：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、技能和規(guī)劃的系統(tǒng)。目前多智能體系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、物流、應急救援、軍事等領(lǐng)域，我國在無人機和智能車相關(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)域已掌握了多項核心技術(shù)，如自主控制、導航、避障、精確定位、協(xié)同控制有較為成熟的技術(shù)和經(jīng)驗，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、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)是機械、自動化、計算機、機器人工程、人工智能等多個學科的交叉，屬于全球科技競爭制高地和前沿熱點領(lǐng)域，可以以智能體協(xié)同控制系統(tǒng)為典型建設(shè)綜合性的實踐平臺，服務于新工科專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)，為學生實踐提供教學環(huán)境，也可兼顧科研團隊的創(chuàng)新研究。由于多智能體所涉及的知識體系的遞進性、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)展與學生知識結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律的課程體系，實現(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)新實驗室的建設(shè)，搭建基于室內(nèi)多旋翼無人機和智能車為智能控制的實驗平臺。結(jié)合能力培養(yǎng)要求，探討課程體系建設(shè)。設(shè)計虛擬仿真教學項目、賽教結(jié)合項目[2]，并開展多智能體創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，著力培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才。

2.多智能體系統(tǒng)實踐平臺的構(gòu)建

東南大學機電綜合工程訓練中心結(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生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽競賽參加智能車與無人機賽項中的積累，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)同控制實驗平臺主要由實時定位系統(tǒng)、四旋翼無人機、智能車單元以及無線通訊網(wǎng)絡組成。

系統(tǒng)硬件主要包括如下：

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

系統(tǒng)模型的建模是在多智能體模塊上設(shè)置反光標識點（Marker），基于光學三維定位系統(tǒng)進行連接建立剛體模型。光學鏡頭進行三維空間位置的精確捕捉，可得到不同時間計量單位上各反光標識點的三維空間坐標（X，Y，Z），通過進一步處理和運算可得到目標物體精確位置及姿態(tài)等三維數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)監(jiān)視和運行管理。

（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，實現(xiàn)全向移動和靈活的轉(zhuǎn)向。樹莓派主控完成室內(nèi)編隊、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，可使小車實現(xiàn)夾持、搬運等作業(yè)。

（3）四旋翼無人機

無人機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，無人機由機架、動力系統(tǒng)和控制導航系統(tǒng)組成。機架包括機臂、機身、腳架、保護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）、電機及電調(diào)、螺旋槳等；控制系統(tǒng)包括樹莓派控制板、導航傳感器板（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，樹莓派完成控制計算后將電機控制指令發(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，完成相應的擴展實驗。

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

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器作為開發(fā)主機，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MATLAB/Simulink軟件平臺實現(xiàn)，結(jié)合靈思創(chuàng)奇提供的實時控制軟件，實現(xiàn)代碼生成、編譯和部署。開發(fā)主機也可作為Windows實時目標機，運行Simulink生成的WindowsTarget目標代碼。目標機管理模塊是Simulink主機和多智能體機載電腦目標機之間的橋梁，主要實現(xiàn)目標代碼下載功能、目標代碼加載到內(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、智能車的集群協(xié)同控制。

（2）實時控制開發(fā)軟件

實時控制開發(fā)軟件實現(xiàn)樹莓派機載電腦處理器軟件和PX4飛控板軟件的功能開發(fā)，其中機載電腦主要實現(xiàn)任務規(guī)劃、決策以及傳感器數(shù)據(jù)處理，PX4飛控板主要實現(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進行控制器開放式硬件在環(huán)設(shè)計。

機載電腦處理器軟件包括操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動模塊和目標機管理模塊。其中操作系統(tǒng)支持Ubuntu16.04，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存管理、任務調(diào)度等功能，提供軟件基礎(chǔ)運行環(huán)境；硬件驅(qū)動模塊包括PWM、SPI、I2C、AD等，可通過Simulink模型中對應的模塊完成底層硬件驅(qū)動的調(diào)用；應用層包括Simulink實時代碼和PX4開源協(xié)議棧，Simulink實時代碼可通過UORB通訊機制完成與飛控協(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、導航等控制算法。

（3）上位機MATLAB/Simulink仿真工具

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

3.課程設(shè)計

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

3.1認知課程設(shè)計

設(shè)置認知實踐課程的目的就是幫助學生初步認識專業(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課程《工業(yè)系統(tǒng)認知實踐》，多智能體系統(tǒng)作為子模塊在認知課程可以安排4學時，授課對象為大學一年級新生，側(cè)重對多智能體系統(tǒng)進行體驗，吸引學生的興趣，培養(yǎng)學生的全局視野，旨在產(chǎn)生良好專業(yè)認知和技術(shù)認知。尤其對于工科類專業(yè)學生能夠深刻感悟和理解多智能體、無人機技術(shù)的先進性和前沿性，認識到多智能體協(xié)同研究方向的重要性。

3.2通識課程設(shè)計

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)展大學生的全面素質(zhì)，通識類課程一般設(shè)置為32學時，面向大學二年級學生，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)成階段的實踐課程。

課程中增加多智能體控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)方面的教學和訓練，致力于讓學生獨立自主開SMwFjQeVpt5swPaCPWOrOQ==發(fā)設(shè)計制造無人機結(jié)構(gòu)，比如對多旋翼無人機的運動模型、飛行方式、動力系統(tǒng)等進行設(shè)計和選型，同時基于單片機或靈思創(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行設(shè)計，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行設(shè)計。協(xié)同控制方向上，實踐內(nèi)容根據(jù)無人機、智能車以及多智能體協(xié)同控制三個方向進行實踐項目設(shè)計，如多機編隊飛行實驗包含進行編隊隊形的設(shè)計、編隊隊形的保持、編隊隊形變換等實驗；多車編隊運行實驗包括基于激光SLAM定位的多車編隊運行實驗以及基于地面標記目標物的多車編隊運行實驗；多智能體協(xié)同編隊實驗包括基于攝像捕捉定位的多車、多機編隊運行實驗，基于期望目標任務的多車、多機編隊運行實驗。

3.3創(chuàng)新綜合實踐

創(chuàng)新綜合實踐階段為64學時，授課對象為大學三年級學生，創(chuàng)新綜合階段是以通識課程理論實踐內(nèi)容為基礎(chǔ)，在實驗中融合控制工程基礎(chǔ)、工程測試技術(shù)、電機與驅(qū)動控制、傳感器技術(shù)與應用、單片機原理及應用等高年級專業(yè)課程的內(nèi)容，通過多智能體平臺實踐加深同學們對相關(guān)課程理論知識的理解和課程知識的綜合[5]。重點強調(diào)無人機和智能車軟硬件開發(fā)，如硬件架構(gòu)設(shè)計，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踐或競賽項目，其中綜合實踐項目對學生專業(yè)知識和工程能力具有很高的鍛煉價值，課程組結(jié)合多年的工程實踐經(jīng)驗，精心設(shè)計了無人機控制系統(tǒng)的搭建及多智能體協(xié)同控制平臺的搭建的實驗項目，綜合實踐中需要學生在Simulink中完成整個系統(tǒng)模型的設(shè)計，包含：①傳感器數(shù)據(jù)獲取②控制模式管理與指令數(shù)據(jù)處理③導航數(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向，全面提升學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力。該階段課程實施周期為三個月，授課對象為大三、大四學生，要求學生作為技術(shù)主力全流程跟企業(yè)聯(lián)合完成1-2個不同的應用項目（立項-開發(fā)-交接）、SRTP（大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目）、畢業(yè)設(shè)計項目、或者作為技術(shù)主力參加挑戰(zhàn)杯競賽等等，最終驗收需要學生提交論文或?qū)＠巍?/p>

工程階段的項目圍繞多智能體協(xié)同控制的研究熱點方向，以及現(xiàn)實中或未來多智能體應用場景，以科研縱向、企業(yè)需求導向等進行立項，現(xiàn)階段已開展的畢業(yè)設(shè)計課題和SRTP項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證研究為主。

工程階段的最終目標為調(diào)動本科生從事科研創(chuàng)新的興趣和積極性，通過此階段的訓練激發(fā)其參加無人系統(tǒng)智能控制相關(guān)的科創(chuàng)項目、撰寫高水平科研論文并參加國內(nèi)外智能無人系統(tǒng)高水平學術(shù)會議等，使學生進一步鞏固無人機、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)合項目開發(fā)增加成本控制、工程管理等方面的內(nèi)容，服務于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

結(jié)語

東南大學機電綜合工程訓練中心建立了多智能體協(xié)同控制實踐平臺，同時對課程體系建設(shè)、教學模式進行了探索，形成了集認知教育、通識教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育及科研服務于一體的功能定位。實踐平臺融合了多智能體協(xié)同控制的關(guān)鍵無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件電路開發(fā)、電機與驅(qū)動控制、傳感器技術(shù)、虛擬仿真、人工智能、智能控制等多項技術(shù)。滿足專業(yè)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)和新工科復合型人才素質(zhì)的提升，以循序漸進的方式、多維度設(shè)計教學，強化實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng);也可作為科研轉(zhuǎn)化服務平臺，以適應了未來科技革命與產(chǎn)業(yè)變革需要。平臺在教學和科研發(fā)揮了極為重要的作用，具有一定的先進性，為東南大學無人智能專業(yè)方向優(yōu)化教學模式奠定了良好的基礎(chǔ)，對理工類院校相關(guān)專業(yè)實驗室的建設(shè)、課程體系建設(shè)也具有一定的參考價值。后期將根據(jù)教學效果、課程評教及競賽成果等對實踐課程的體系設(shè)計、項目式教學開發(fā)、實踐模塊和施教方式、人才培養(yǎng)方案等方面還需要進一步改進、完善和優(yōu)化。

參考文獻：

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[2]艾明耀，陳智勇，萬舒良.遙感科學與技術(shù)專業(yè)無人機數(shù)字測圖實踐教學設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2021，40（10）：172-175.

[3]孫利佳，漆強.新工科背景下跨學科四旋翼無人機實踐平臺的設(shè)計[J].實驗科學與技術(shù)，2022，20（2）：122-126.

[4]王智軍.高校通識選修課的認知教育與實踐教學[J].赤峰學院學報（自然科學版）.2018，34（1）：144-145

[5]邢娜，李永科，李愛華.信息化條件下無人機專業(yè)實踐類課程教學[J].中國冶金教育.2022（4）：71-73.

作者簡介：施吉祥（1983-），江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，工程師，主要研究方向為智能制造、特種加工、機器人技術(shù)。