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行业前沿|“新工科”培养模式下自动化专业在无人智能体实践教学的探索
来源:尖兵之翼 | 作者:飞思实验室 | 发布时间: 2022-09-26 | 797 次浏览 | 分享到:
行业前沿|“新工科”培养模式下自动化专业在无人智能体实践教学的探索……


引 言

近年来,随着我国产业的迅猛发展,迫切需要高等院校从发展“新工科”的战略高度开展专业建设,大力推动传统工科专业的创新发展,培养新型拔尖人才,主动适应全球高等工程教育的发展。

 

“新工科”建设的核心在于专业的交叉与综合,这要求各高校在传统工科专业的基础上探索新领域和发展新专业,构建一套交叉融合的课程体系,形成以创新能力、工程实践能力为导向的培养模式,培养具有智能制造、互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术领域的工程技术人才。因此,高等院校在专业建设过程中,应结合传统工科专业建设的发展现状,探索“新工科”专业建设的创新与实践,培养具有创新创业意识的新型人才,全面提高学生解决复杂工程问题的能力。

自动化专业是涉及到信息技术、控制技术、计算机技术、电子技术等学科。研究内容从控制理论、工业控制系统到信息物理融合系统,以及计算机视觉、人工智能、自动驾驶、数据挖掘等。主要学习电子技术、计算机技术、网络技术、软件技术、控制技术等知识,是一个多学科交叉的专业。当前随着产业的发展,自动化正在向智能化、网络化、系统化、信息化、综合化和绿色化方向发展。传统自动化专业主要包括运动控制系统和过程控制系统,远不能满足新经济发展和智能制造领域的需求,急需按新工科要求改造和升级传统自动化专业,建设新型自动化专业。多数高校在专业人才培养方案中新增机器人技术、人工智能技术、嵌入式技术等相关课程内容。

北京卓翼智能飞思实验室基于高校人才培养需求及公司完善的无人机产品体系,为高校提供“实验课程+科技竞赛+科研创新”的人才培养服务,倡导教学的新理念、新模式,有利于自动化专业培养无人智能体方向的人才,与高校共同探索自动化专业的发展方向。

 01 实验课程 

对当前自动化专业实验还存在一些问题:其一,实验课程多数是由相应的理论课教师指导完成,各个课程之间缺少衔接,尤其是课程内容方面;其二,实验对象、内容单一,教学内容与实际应用联系不紧密,实验课结束后,绝大部分学生对于如何设计控制器、控制系统是如何工作的、如何改变系统的特性等常见工程性问题仍旧一无所知。

为了培养学生理论联系实际的综合能力,使学生在校期间能够受到良好的工程实践锻炼,具有一定分析、研究、解决问题能力和实际设计、操作能力,必须改革实验教学手段,增设应用性非常强的设计型教学环节,不断补充和完善教学内容。结合自动化专业的设立,在原有课程的基础上新增实践课程。以培养学生实际动手能力,设计难度逐级提高的实验项目,从培养学生的基础实验技能开始,逐步锻炼学生解决实际工程问题的能力。

实验课程是以倡导学生自主性学习为目的,需要精选实验内容,增加基础性实验、分析性实验和设计性实验,给学生发展个性、开拓思维留有一定的空间。实验项目要包括基础实验、分析实验和设计实验,以学生为主体,充分发挥学生的主观能动性,教师在项目中做好辅助和指导。学生在明确具体的实验目标后,可以和教师共同讨论,使用新的方案进行实验。在实验中,发挥学生的创造性,扩展思维活动空间,提高学生的学习兴趣。

无人机教学实验平台

无人机的发展已经有了几十年的历史,随着近几年来的科技发展,无人机技术日渐成熟,也更加受到了人们的重视。目前最常见的是四旋翼无人机,通过对四个旋翼转速的调节,就可以实现平动、垂直起降以及俯仰、滚转、偏航等复杂的运动形式,是非常适合自动化专业进行学习和实践的载体,在控制策略方面使用最广泛的就是PID控制策略。四旋翼无人机系统由于其独特的结构设计,是一种非线性的系统,由运动原理可知,改变一个物理量的参数就有可能对其他参数产生较大的影响,因此提高了控制的难度。在无人机的控制上,一般包括位置控制、速度控制和姿态控制。

无人机作为“空中机器人”,也可作为机器人技术、人工智能技术的教学载体,通过搭载机载计算单元、激光雷达、双目相机等传感器,可以实现智能飞行。同时通过分布式协同控制,也可进行集群智能协同飞行,也是当前的热点研究领域。无人机的各项优点还可以作为通用教学平台,有助于进行对飞行控制、航迹规划、机器视觉、编队控制、任务分配、通信组网、SLAM等进行教学及实践,能够支持学生进行“机械组装-自动控制-自主飞行”等实验项目,是非常适合自动化专业及其他相关专业教学的实践平台。

卓翼智能实验课程教学是从“仿真实验”到“实飞实验”的教学过程,并在整个学习过程中,根据不同阶段开设基础实验、分析实验和设计实验增加理论知识与实践的结合。首先将控制算法在仿真平台进行充分验证,再通过自动代码生成技术,将代码移植到真机进行实飞实验。从而将仿真与实飞结合起来,逐步提升学生实践能力。

 01 仿真实验平台

RflySim仿真系统是专为无人系统飞控开发、大规模集群协同、人工智能视觉等前沿研究领域、研发的一套高可信度的无人控制系统开发、测试与评估平台。基于RflySim的开发通常包括以下五个阶段:建模阶段、控制器设计阶段、软件在环仿真阶段、硬件在环仿真阶段和实飞测试阶段。通过MATLAB/Simulink的自动代码生成技术,控制器能够被方便地自动下载到硬件中,用于HIL仿真和实际飞行测试。平台提供飞控仿真、集群仿真、视觉仿真,支持多旋翼、固定翼、无人车等多种构型的智能体。