實驗教學中移動機器人虛擬仿真平臺的實踐應用研究

　　摘要：針對智能機器人課程教學中理論與實踐脫節的問題,從實驗平臺構建、教學方法等方面提出了將虛擬仿真與實體機器人實驗相結合的實驗技術與教學方法。首先研制適用于課程教學的移動機器人虛擬仿真實驗平臺,該平臺具有接口通用、易于上手、配置靈活、界面直觀等特點,能夠進行機器人建模、運動避障、軌跡跟蹤、決策控制及導航規劃等方面的仿真實驗,故而特別適用于課堂教學的實驗實踐。通過通信接口的適配,該虛擬仿真平臺具有操控實體機器人的能力,從而實現了虛實結合的實驗教學技術并應用到課程教學中。依托該平臺,采用任務驅動的教學方式,進行課上課下相結合的智能機器人課程的理論教學與實驗教學,有效地培養了學生的理論知識、項目經驗以及工程應用能力。

　　本文源自實驗技術與管理,2020,37(08):145-148.《實驗技術與管理》(月刊)創刊于1963年，是教育部委托清華大學承辦的、面向全國各級各類高等學校的、含有社會科學和自然科學的綜合技術性期刊。獲獎情況：首屆《CAJ-CD規范》執行優秀期刊獎;獲兩屆中國高校優秀科技期刊獎。

　　近年來，機器人技術在工業制造、運輸物流、醫療服務、安全安防等領域得到廣泛應用，機器人技術相關的人才需求也隨之上升[1,2]。智能機器人相關的教育是培養信息技術、智能技術及工程技術類人才的有效手段，已成為國際教育界關注的熱點[3,4,5]。如何結合高校人才培養的特點，培養出既符合地方經濟發展，又具有創新精神和工程能力的高素質工程技術人才，是當前高校人才培養模式改革中亟需探索的課題[6,7]。

　　機器人課程對計算機、電子、機械、控制、人工智能等領域均有涉及。因此，機器人課程具有一定的難度，對學生的系統集成能力與綜合運用能力有較高要求，需要學生通過實驗實踐將理論知識、實踐經驗和工程應用有機地統一起來。實驗實踐教學在學生自主工程能力的培養中占有重要位置。機器人課程除了講授理論知識外，更應該注重培養學生的動手實踐，使學生將理論與應用相互結合、融會貫通。除了基于實體機器人的操作實踐外，虛擬仿真技術也是機器人教學過程中的一個重要工具，可以使學生在理想的環境下針對特定的知識點進行學習探索，而無須考慮實際機器人與實際環境的復雜性，進而拓展學生對機器人相關知識點理解與掌握的深度與廣度[8,9,10,11,12]。

　　本文以移動機器人技術的實驗教學為例，結合企業對人才的需求，將虛擬仿真技術與實體機器人相結合來設計實驗教學方法。采用“任務驅動的自主學習”方式，依托自主研發的虛擬仿真實驗平臺，運用課上課下相結合的智能機器人教學方式，進行機器人課程的理論與實驗教學，以培養學生的理論知識、項目經驗以及工程應用能力。

　　1、虛擬仿真技術的重要性與存在的不足

　　“智能移動機器人”類實驗課程的內容主要包括機器人建模、運動規劃、軌跡跟蹤、決策控制等[13]。然而，由于實際機器人的復雜性、經濟性及其運動空間的動態性、危險性，導致學生難以在短時間內掌握實體機器人的操控，也難以在短期內進行大量的實驗。同時，由于課程教學的時限性，在課堂上沒有很多時間讓學生去熟悉仿真平臺的使用，因而需要一種易于上手的適用于課程教學的機器人虛擬仿真實驗系統來輔助課堂教學，通過仿真實驗使學生加深對基本原理的理解與掌握，提高學生的創新和實踐能力，同時也解決了硬件機器人少、傳感器不完備以及無法進行復雜實驗等問題。適用于課堂教學的仿真實驗平臺應具有以下特征：易于上手、圖形化界面、通用的移動機器人模型、通用的操作接口。

　　目前，雖然許多實驗室與研究機構已開發了多種機器人虛擬仿真軟件[14,15,16,17]，但是針對課程教學而言，這些軟件存在以下問題：軟件復雜，學生上手慢，不利于課程教學的推進;將虛擬機器人抽象成一個節點，不能體現移動機器人的運動特征;僅針對特定的機器人系統，通用性不足。

　　針對課程教學對于機器人虛擬仿真軟件的特殊要求和現有仿真軟件的不足，本教研組自主研發了一套適用于課堂教學與滿足實驗實踐要求的移動機器人虛擬仿真系統。該虛擬仿真平臺可以為機器人研究者、學習者以及愛好者提供機器人領域的學習與研究實驗平臺，可以用來進行自主導航、運動避障、路徑規劃、智能算法等方面的仿真驗證。由于該仿真實驗平臺具有多傳感器仿真、結構簡單、接口通用、易于上手、配置靈活、界面直觀等特點，故而特別適用于課堂教學與實驗分析。

　　2、移動機器人虛擬仿真平臺的設計

　　2.1 虛擬仿真平臺的體系結構

　　移動機器人虛擬仿真平臺的系統總體結構如圖1所示。學生通過通用機器人API接口編程與仿真平臺進行交互，從而將學生與實際的傳感器、執行器分離。傳感器適配器將用戶接口與仿真環境或真實環境分離，將采集到的數據進行適當的處理后提交給用戶使用，使得控制邏輯程序可在2個運行環境中切換。傳感器用來與真實環境或虛擬環境交互，以獲取距離、位置、狀態等信息。執行器傳感器做了與傳感器適配器類似的工作，執行器響應用戶控制程序產生的指令，改變機器人的行為。通信層封裝了對外通信的接口，進行消息包的解析打包分配，采用適配技術，通過用戶代碼來操控實體機器人。仿真器為整個系統提供了仿真實驗功能。本虛擬仿真平臺采用了客戶端-服務端(client-server)體系結構，可將仿真器看作服務端(server)、虛擬機器人看作客戶端(client)，它們之間采用TCP/IP基本通信協議進行連接。多個虛擬機器人可運行在同一仿真器中，因此虛擬仿真平臺具備了多機器人仿真的能力。

　　圖1機器人虛擬仿真平臺的總體結構

　　2.2 機器人虛擬仿真器的設計實現

　　機器人虛擬仿真器提供了虛擬的環境和虛擬的機器人，模擬機器人與環境之間的各種交互過程。它模擬虛擬環境中的所有物體(墻、障礙物、機器人等)，計算仿真傳感器狀態數據，管理與虛擬機器人控制系統的所有鏈接，規劃多個機器人的同步問題。虛擬機器人仿真器是個多線程的應用程序，它不僅管理并計算仿真過程還進行著與客戶端的通信。仿真器通過圖形用戶界面(GUI)來直觀地顯示仿真過程。整個仿真器的系統結構如圖2所示。

　　圖2虛擬機器人仿真器的設計實現

　　虛擬機器人仿真器的執行過程大體如下：每一個控制客戶端在仿真器中創建一個對應的虛擬機器人，同時建立鏈接;指令請求通過仿真器的通信模塊傳遞給對應的虛擬機器人，虛擬機器人將該請求任務交付給任務調度模塊執行，并將執行的結果反饋給客戶端，同時在圖形用戶界面(GUI)中實時展現執行結果。

　　2.3 虛擬仿真平臺的仿真模塊

　　虛擬仿真平臺是個模塊化的仿真系統，主要包括地圖模塊、傳感器模塊、運動模塊和仿真任務調度模塊。

　　地圖模塊為機器人仿真提供了虛擬環境，其主要功能是環境的表示、存儲、編輯以及解析。在機器人虛擬仿真平臺啟動階段，調用地圖模塊來為虛擬機器人的運行提供虛擬環境。目前，該模塊主要描述了墻體、靜態障礙物、動態障礙物以及目標物等。

　　移動機器人是由多種傳感器組合而成的，常見的傳感器有：聲納、激光測距儀、位姿傳感器、里程計、碰撞傳感器、速度計以及圖像采集器等。由于本仿真平臺為2D圖形仿真，因此暫不支持圖像采集器的仿真。目前已實現的虛擬傳感器有：編碼器、里程計、碰撞傳感器、速度計、虛擬羅盤、聲納傳感器以及激光測距儀等。激光測距儀以常用的SICKLMS200型號為原型，完全模擬了SICKLMS200型激光測距儀的配置參數與通信數據結構。

　　運動模塊是機器人虛擬仿真平臺的核心模塊。運動模塊和運動學計算模塊封裝了機器人運動過程的細節，使客戶端只需通過API接口把設定線速度和角速度的運動任務請求發送給服務端。

　　任務調度模塊是機器人虛擬仿真平臺的內核。調度模塊實現了一個任務調度隊列，該隊列與批處理任務調度隊列或打印調度隊列相類似。在機器人虛擬仿真平臺中，任何請求都被認為是任務，按執行時間或優先級排列在任務調度隊列中。執行時間優先于優先級，每個任務按順序依次執行。

　　3、混合虛擬仿真與實體機器人的實驗教學

　　將該平臺運用到智能移動機器人的教學中。圖3為移動機器人虛擬仿真平臺的運行界面，圖4為某次仿真運行的數據分析。從圖3和4可見，該平臺具有清晰直觀的仿真界面和仿真數據輸出，能夠對仿真運行進行數據分析，學生能夠直觀地了解到移動機器人運動學模型、運動控制與規劃導航等相關知識點的仿真運行情況，進而對自己編寫的控制邏輯進行驗證分析。

　　圖3移動機器人虛擬仿真平臺運行界面與運行狀態

　　圖4某次仿真運行的機器人運動數據分析

　　在教學實驗的過程中，采用了“任務驅動的自主學習”方式，依托仿真與實驗平臺，通過虛實結合的教學方法進行課程的實驗教學。每個任務涉及課程的若干知識點，并包含若干學習模塊。根據學習模塊的功能要求，學生在課后學習相關知識，在仿真平臺上進行動手實踐能力的學習與強化訓練。學生在學習過程中能夠帶著問題主動地去探索和研究，然后教師在課堂教學中，重點講解各模塊的難點并解決學生遇到的實際問題，學生通過編程在仿真系統中實現任務所指示的功能，拓展學生對機器人相關知識理解的深度與廣度，調動學生學習的積極性。由于本研究所開發的移動機器人虛擬仿真平臺具有通用的控制接口，目前已實現將該平臺與MobileRobots公司生產的P3-DX和PowerBot機器人進行接口對接，使得學生可以將仿真平臺驗證過的控制算法用來控制實體機器人，如圖5所示。這有效地調動了學生對控制方法及機器人學的學習積極性，取得了良好的教學效果。

　　圖5學生通過虛擬仿真平臺編寫程序操控P3-DX機器人

　　4、結語

　　本文針對“智能移動機器人”類課程實驗教學需求，開發了移動機器人虛擬仿真平臺，具有以下特點：

　　(1)實用性。本文研制了簡單易用、充滿趣味、成本低廉的移動機器人虛擬仿真平臺。該平臺易于學生在課上課下進行實驗實踐，能夠有效地調動學生的積極性、增強學生的動手實踐能力。在仿真實驗過程中，學生會遇到各種各樣的問題，通過深入的思考，學生可以提高對智能機器人知識的學習質量，同時也鍛煉了解決問題的能力。該虛擬仿真實驗平臺為智能機器人課程實驗教學提供了新的方法與思路，更好地輔助了課堂教學。

　　(2)系統性。該移動機器人虛擬仿真平臺涵蓋了移動機器人教學所涉及的運動學模型、傳感器模型、運動控制、軌跡跟蹤、規劃導航、避障決策等多方面的知識點，有效地引導學生在實踐過程中掌握智能機器人的基本原理、基本模型、信息處理、決策控制等，從而為學生今后的工程實踐打下了堅實的基礎。

　　(3)綜合性。“智能移動機器人”涉及通信、計算、控制、傳感等多學科交叉，是一門綜合性較強的課程，也是實踐與理論緊密關聯的課程，對制造業產業升級具有重要意義。該移動機器人虛擬仿真平臺作為高校實驗教學的實踐平臺，不但可以用于“智能移動機器人”及“微型機器人與C51應用”課程的教學，也可以用于系統建模、控制理論、人工智能等方面的教學研究，為本科生和研究生提供科研創新平臺。

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