無人機(jī)系統(tǒng)智能決策課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李杰　王菖　牛軼峰　王祥科

摘要：分析目前無人機(jī)系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)課程體系對(duì)智能決策問題的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐的不足，提出以智能感知、自主控制、任務(wù)規(guī)劃為教學(xué)重點(diǎn)，通過無人機(jī)競(jìng)賽培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，幫助學(xué)生深入理解無人機(jī)系統(tǒng)智能決策的基本理論，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)新型高素質(zhì)無人機(jī)專業(yè)技術(shù)人才的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)系統(tǒng)；智能決策；自主控制；智能體系；任務(wù)規(guī)劃；課程設(shè)計(jì)

0引言

無人機(jī)具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和較好的可操控性，能輔助人類在惡劣和危險(xiǎn)的環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。近年來，無人機(jī)系統(tǒng)迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)難搜救、反恐偵察等眾多領(lǐng)域。無人機(jī)系統(tǒng)研究的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何發(fā)展高度智能化的軟件系統(tǒng)，提高無人機(jī)在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境中自主決策的能力。目前，眾多高校開設(shè)的無人機(jī)專業(yè)課程主要研究無人機(jī)的硬件平臺(tái)、通信與測(cè)控、指揮控制、綜合保障和實(shí)踐等方面，然而對(duì)于無人機(jī)系統(tǒng)的智能決策問題研究尚不深入。

1無人機(jī)系統(tǒng)決策的內(nèi)涵

1.1無人機(jī)自主控制系統(tǒng)概述

無人機(jī)自主控制系統(tǒng)是無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行管理與自主任務(wù)管理的機(jī)載系統(tǒng)，如圖1所示，它涵蓋了機(jī)器人“觀測(cè)一判斷一決策一行動(dòng)（observer-orient-decision-action，OODA）”的各個(gè)環(huán)節(jié)。

無人機(jī)自主控制能力是衡量無人機(jī)智能自主水平的一項(xiàng)重要能力。表1基于OODA分別對(duì)無人機(jī)自主控制能力進(jìn)行了描述，其中，“判斷”與“決策”部分評(píng)價(jià)的是無人機(jī)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的評(píng)估能力和對(duì)任務(wù)或行為的決策與規(guī)劃能力，是衡量無人機(jī)自主決策能力的最重要指標(biāo)，也是無人機(jī)決策課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐的核心。

1.2無人機(jī)自主決策子系統(tǒng)概述

自主決策模塊位于智能無人機(jī)系統(tǒng)的頂層，它如同人類神經(jīng)系統(tǒng)執(zhí)行決策行為，產(chǎn)生計(jì)劃并處理不確定性。自主決策模塊主要包括頂層任務(wù)決策、頂層任務(wù)規(guī)劃、底層行為決策和底層路徑規(guī)劃。頂層任務(wù)決策用于任務(wù)策略的在線生成；頂層任務(wù)規(guī)劃用于任務(wù)計(jì)劃的在線制定；底層行為決策用于運(yùn)動(dòng)行為的在線序貫決策；底層路徑規(guī)劃用于導(dǎo)航計(jì)劃的在線生成，這些內(nèi)容的教學(xué)與實(shí)踐將貫穿課程的教學(xué)與實(shí)踐過程。

2人工智能在無人機(jī)系統(tǒng)決策中的發(fā)展以及作用與地位

人工智能從孕育之初到現(xiàn)在，經(jīng)歷了“三起兩落”，如圖2所示。人工智能的發(fā)展也不斷促進(jìn)無人機(jī)自主決策能力的發(fā)展，甚至可以說，人工智能的發(fā)展決定無人機(jī)自主決策水平的高低。早期，無人機(jī)決策大多依托產(chǎn)生式規(guī)則或謂詞邏輯技術(shù)，主要針對(duì)確定性行為決策；20世紀(jì)六七十年代，知識(shí)表達(dá)引入到有人機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)中，也逐步遷移到無人機(jī)智能自主系統(tǒng)中；隨著概率統(tǒng)計(jì)的引入，基于貝葉斯的不確定推理決策方法得到大力發(fā)展；專家系統(tǒng)依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)生成策略，用于解決離散事件不確定性，形成了一系列無人機(jī)智能自主決策成功案例；近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)、多智能體理論的熱潮將無人機(jī)智能水平推到了一個(gè)前所未有的高度，使無人機(jī)具備知識(shí)沉淀、知識(shí)挖掘、智能發(fā)育的能力，并將單無人機(jī)執(zhí)行ISR任務(wù)拓展到多無人機(jī)協(xié)同遂行多任務(wù)領(lǐng)域。無論經(jīng)典人工智能方法還是人工智能新思路，都是無人機(jī)智能自主決策的重要基礎(chǔ)，在無人機(jī)系統(tǒng)智能決策課程教學(xué)與實(shí)踐中具有舉足輕重的地位。

3無人機(jī)智能決策課程教學(xué)總體設(shè)計(jì)

國防科技大學(xué)依托控制學(xué)科和儀器學(xué)科在自動(dòng)化專業(yè)試辦開設(shè)了“無人機(jī)工程”專業(yè)方向，培養(yǎng)掌握無人機(jī)工程相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)的學(xué)員，使其具有從事無人機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)裝備的分析、設(shè)計(jì)、研制、維護(hù)和管理等方面的實(shí)際工作能力和初步科學(xué)研究能力。

3.1教學(xué)目的與課程設(shè)計(jì)總體思路

設(shè)置無人機(jī)智能決策課程的目的是使本專業(yè)學(xué)生快速了解無人機(jī)決策系統(tǒng)組成、熟悉決策系統(tǒng)工作原理、掌握決策理論與實(shí)現(xiàn)方法。課程設(shè)計(jì)的總體思路是設(shè)置課堂教學(xué)和動(dòng)手實(shí)踐兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)主要通過教師講授的方式，基于無人機(jī)自主控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，介紹無人機(jī)決策系統(tǒng)的基本概念；實(shí)踐環(huán)節(jié)則是在學(xué)生已經(jīng)掌握智能決策算法基本原理和流程的基礎(chǔ)之上，讓學(xué)生參與到?jīng)Q策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中來。

3.2課程教學(xué)主要內(nèi)容

無人機(jī)智能決策是課程教學(xué)的核心內(nèi)容，主要覆蓋貝葉斯推理理論、最優(yōu)化理論、智能搜索等基本決策理論和方法，主要講解如何將其運(yùn)用于無人機(jī)智能感知、任務(wù)規(guī)劃的建模和優(yōu)化方法，比如基于貝葉斯的不確定推理、基于啟發(fā)式人工智能搜索算法的路徑規(guī)劃等。內(nèi)容安排包括問題描述、基本原理、算法過程、輸入輸出設(shè)計(jì)、結(jié)果分析等；人機(jī)智能融合決策是課程的拓展部分，主要涵蓋人機(jī)智能融合原理、腦機(jī)接口原理、融合決策機(jī)制等理論和方法，主要講解如何將其運(yùn)用于人在回路輔助的無人機(jī)智能自主決策、混合主動(dòng)規(guī)劃的接口設(shè)計(jì)與融合決策方法，比如基于腦機(jī)接口的人機(jī)智能融合決策、混合主動(dòng)任務(wù)規(guī)劃等；拓展內(nèi)容安排包括資料查新、接口設(shè)計(jì)、融合機(jī)制設(shè)計(jì)、融合算法實(shí)現(xiàn)、結(jié)果分析等。

4無人機(jī)智能決策教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的必要性

4.1.1無人機(jī)系統(tǒng)智能決策課程對(duì)實(shí)踐的需求

實(shí)踐教學(xué)是高等學(xué)校教育非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是提高人才分析問題與解決問題的重要途徑。無人機(jī)系統(tǒng)智能決策是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，一是由于無人機(jī)系統(tǒng)是一門交叉性的學(xué)科，主要涉及空氣動(dòng)力學(xué)、無人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)與制造、圖像處理與智能感知、導(dǎo)航系統(tǒng)原理、無人機(jī)飛行控制、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、任務(wù)規(guī)劃與分配、無人機(jī)系統(tǒng)體系保障技術(shù)等許多學(xué)科，所以該學(xué)科具有知識(shí)點(diǎn)多、涉及面廣、理論性強(qiáng)，需要學(xué)生具備較好的邏輯思維能力和數(shù)理基礎(chǔ)等特點(diǎn)，因此，必須通過實(shí)踐才能加深對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)知識(shí)的理解；二是智能決策技術(shù)不斷走向?qū)嵱茫?0世紀(jì)80年代隨著人工智能基礎(chǔ)科學(xué)的研究，智能決策作為一門新興學(xué)科出現(xiàn)在國際科學(xué)舞臺(tái)上，智能決策技術(shù)早期以研究經(jīng)典的智力游戲問題和仿真實(shí)驗(yàn)來證明理論等為主流，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和國際信息化進(jìn)程的提高，智能系統(tǒng)和智能計(jì)算等也逐漸成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。從加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力出發(fā)，考慮到課程的建設(shè)需要，需要加強(qiáng)無人機(jī)系統(tǒng)智能決策課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

4.1.2無人機(jī)系統(tǒng)智能決策課程對(duì)實(shí)踐的要求

根據(jù)智能決策的特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)需要達(dá)到以下幾個(gè)目的：一是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，對(duì)智能決策基本方法的掌握；二是加強(qiáng)學(xué)生將智能決策知識(shí)與方法用于解決實(shí)際問題的能力；三是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)智能決策研究領(lǐng)域的興趣，培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。

智能決策的實(shí)踐教學(xué)工作必須以高質(zhì)量的科研內(nèi)容為基礎(chǔ)。通過瞄準(zhǔn)國際前沿、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收、提升原始創(chuàng)新以及再創(chuàng)新能力，從而建設(shè)創(chuàng)新平臺(tái)和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，以高水平科學(xué)研究支撐高質(zhì)量的高等教育。此外，智能決策的實(shí)踐教學(xué)還要考慮因材施教，驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。目前學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)較重且水平參差不齊，在設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)，要把握如何能在較短的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生得到最大程度的能力鍛煉。在這種情況下，教師必須進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，事先搭好通用的硬件平臺(tái)和軟件框架，以減輕學(xué)生不必要的負(fù)擔(dān)，營(yíng)造良好的氛圍，將學(xué)生的主要精力集中在創(chuàng)新實(shí)踐上，這樣才能提高實(shí)踐教學(xué)的效率。因此，課程借鑒了無人機(jī)領(lǐng)域最具影響力的國際微小型飛行器賽會(huì)（IMAV）的比賽規(guī)則，結(jié)合智能決策的研究熱點(diǎn)和當(dāng)前承擔(dān)的學(xué)術(shù)科研任務(wù)，引入無人機(jī)競(jìng)賽作為智能決策教學(xué)實(shí)踐的平臺(tái)。

4.2基于無人機(jī)系統(tǒng)智能決策的課程實(shí)踐方案

在智能決策課程開始之際，教師向?qū)W生明確課程實(shí)踐方案，即通過無人機(jī)競(jìng)賽的形式考核學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。通過舉辦無人機(jī)競(jìng)賽，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新動(dòng)力，達(dá)到寓教于樂的目的。學(xué)生帶著思考主動(dòng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而不是為了應(yīng)付考試被動(dòng)學(xué)習(xí)；教師應(yīng)當(dāng)按照學(xué)生的綜合能力合理組隊(duì)，從而達(dá)到能力互補(bǔ)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

無人機(jī)競(jìng)賽面向本校無人機(jī)工程專業(yè)方向的本科生，根據(jù)智能決策課程的需要，共設(shè)置3個(gè)科目。

第一個(gè)科目是自穩(wěn)飛行，無人機(jī)需在3分鐘內(nèi)完成從出發(fā)點(diǎn)到指定目標(biāo)點(diǎn)的飛行，要求單次滯空時(shí)間不少于30秒；本科目考查的是學(xué)生對(duì)無人機(jī)自主飛控基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。第二個(gè)科目是避障偵察，無人機(jī)需以盡可能快的速度穿越一排障礙門，并識(shí)別地面上的物品；障礙門的可通行區(qū)域各不相同，無人機(jī)需通過機(jī)載單目相機(jī)識(shí)別可通行區(qū)域，并自主規(guī)劃路徑；本科目考查的是學(xué)生對(duì)智能識(shí)別和任務(wù)規(guī)劃基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。第三個(gè)科目是特級(jí)飛行，包括手拋無人機(jī)平穩(wěn)飛行、8字飛行、伴隨飛行等；本科目考查的是學(xué)生的創(chuàng)造力。比賽采用百分制，3個(gè)科目按照難度系數(shù)和重要程度評(píng)分占比分別為30%、50%和20%。

如圖3所示，課題組提供比賽使用的無人機(jī)硬件和飛控軟件平臺(tái)并指導(dǎo)學(xué)生拼裝無人機(jī)及使用軟件。學(xué)生需在課程學(xué)習(xí)的過程中制定智能決策的算法設(shè)計(jì)及代碼實(shí)現(xiàn)計(jì)劃，并嚴(yán)格按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；每個(gè)小組的成員必須說明自己在團(tuán)隊(duì)中的貢獻(xiàn)，從而作為教師打分的依據(jù)。

5結(jié)語

將智能決策教學(xué)和無人機(jī)競(jìng)賽進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在智能決策任務(wù)規(guī)劃課程的教學(xué)中，通過智能感知、自主控制、算法的實(shí)踐環(huán)節(jié)服務(wù)于無人機(jī)系統(tǒng)的自主行為決策，從而不但幫助學(xué)生深入理解智能決策的基本概念和理論，而且使學(xué)生了解目前的科技前沿，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，最終提高智能決策課程的教學(xué)質(zhì)量。經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的效果。很多學(xué)生表示通過課程學(xué)習(xí)加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，認(rèn)為相關(guān)技術(shù)可以指導(dǎo)他們以后的工作，相關(guān)解決問題的方法為以后解決工作中的實(shí)際問題提供了思路。同時(shí)，很多學(xué)生表達(dá)出對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的濃厚興趣，表示會(huì)進(jìn)一步關(guān)心無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，并投身到相關(guān)的研究工作中去。

（編輯：郭田珍）