教学做一体化课程设计与组织实施.ppt
李杰 王菖 牛轶峰 王祥科
摘要：分析目前无人机系统相关专业课程体系对智能决策问题的教学设计与实践的不足，提出以智能感知、自主控制、任务规划为教学重点，通过无人机竞赛培养学生的动手能力和创新能力，帮助学生深入理解无人机系统智能决策的基本理论，从而实现培养新型高素质无人机专业技术人才的目标。
关键词：无人机系统；智能决策；自主控制；智能体系；任务规划；课程设计
0引言
无人机具有较强的机动性和较好的可操控性，能辅助人类在恶劣和危险的环境中执行复杂的任务。近年来，无人机系统迅速发展并广泛应用于环境监测、灾难搜救、反恐侦察等众多领域。无人机系统研究的一个关键问题是如何发展高度智能化的软件系统，提高无人机在动态复杂环境中自主决策的能力。目前，众多高校开设的无人机专业课程主要研究无人机的硬件平台、通信与测控、指挥控制、综合保障和实践等方面，然而对于无人机系统的智能决策问题研究尚不深入。
1无人机系统决策的内涵
1.1无人机自主控制系统概述
无人机自主控制系统是无人机实现自主飞行管理与自主任务管理的机载系统，如图1所示，它涵盖了机器人“观测一判断一决策一行动（observer-orient-decision-action，OODA）”的各个环节。
无人机自主控制能力是衡量无人机智能自主水平的一项重要能力。表1基于OODA分别对无人机自主控制能力进行了描述，其中，“判断”与“决策”部分评价的是无人机对战场态势的评估能力和对任务或行为的决策与规划能力，是衡量无人机自主决策能力的最重要指标，也是无人机决策课程设计与实践的核心。
1.2无人机自主决策子系统概述
自主决策模块位于智能无人机系统的顶层，它如同人类神经系统执行决策行为，产生计划并处理不确定性。自主决策模块主要包括顶层任务决策、顶层任务规划、底层行为决策和底层路径规划。顶层任务决策用于任务策略的在线生成；顶层任务规划用于任务计划的在线制定；底层行为决策用于运动行为的在线序贯决策；底层路径规划用于导航计划的在线生成，这些内容的教学与实践将贯穿课程的教学与实践过程。
2人工智能在无人机系统决策中的发展以及作用与地位
人工智能从孕育之初到现在，经历了“三起两落”，如图2所示。人工智能的发展也不断促进无人机自主决策能力的发展，甚至可以说，人工智能的发展决定无人机自主决策水平的高低。早期，无人机决策大多依托产生式规则或谓词逻辑技术，主要针对确定性行为决策；20世纪六七十年代，知识表达引入到有人机辅助决策支持系统的设计与研发中，也逐步迁移到无人机智能自主系统中；随着概率统计的引入，基于贝叶斯的不确定推理决策方法得到大力发展；专家系统依据专家经验生成策略，用于解决离散事件不确定性，形成了一系列无人机智能自主决策成功案例；近年来，机器学习、多智能体理论的热潮将无人机智能水平推到了一个前所未有的高度，使无人机具备知识沉淀、知识挖掘、智能发育的能力，并将单无人机执行ISR任务拓展到多无人机协同遂行多任务领域。无论经典人工智能方法还是人工智能新思路，都是无人机智能自主决策的重要基础，在无人机系统智能决策课程教学与实践中具有举足轻重的地位。
3无人机智能决策课程教学总体设计
国防科技大学依托控制学科和仪器学科在自动化专业试办开设了“无人机工程”专业方向，培养掌握无人机工程相关领域基础理论和基本知识的学员，使其具有从事无人机系统及相关装备的分析、设计、研制、维护和管理等方面的实际工作能力和初步科学研究能力。
3.1教学目的与课程设计总体思路
设置无人机智能决策课程的目的是使本专业学生快速了解无人机决策系统组成、熟悉决策系统工作原理、掌握决策理论与实现方法。课程设计的总体思路是设置课堂教学和动手实践两个主要环节，课堂教学环节主要通过教师讲授的方式，基于无人机自主控制系统组织结构，介绍无人机决策系统的基本概念；实践环节则是在学生已经掌握智能决策算法基本原理和流程的基础之上，让学生参与到决策系统的设计与实现中来。
3.2课程教学主要内容
无人机智能决策是课程教学的核心内容，主要覆盖贝叶斯推理理论、最优化理论、智能搜索等基本决策理论和方法，主要讲解如何将其运用于无人机智能感知、任务规划的建模和优化方法，比如基于贝叶斯的不确定推理、基于启发式人工智能搜索算法的路径规划等。内容安排包括问题描述、基本原理、算法过程、输入输出设计、结果分析等；人机智能融合决策是课程的拓展部分，主要涵盖人机智能融合原理、脑机接口原理、融合决策机制等理论和方法，主要讲解如何将其运用于人在回路辅助的无人机智能自主决策、混合主动规划的接口设计与融合决策方法，比如基于脑机接口的人机智能融合决策、混合主动任务规划等；拓展内容安排包括资料查新、接口设计、融合机制设计、融合算法实现、结果分析等。
4无人机智能决策教学实践环节设计
4.1课程实践环节的必要性
4.1.1无人机系统智能决策课程对实践的需求
实践教学是高等学校教育非常重要的教学环节，是提高人才分析问题与解决问题的重要途径。无人机系统智能决策是一门实践性很强的课程，一是由于无人机系统是一门交叉性的学科，主要涉及空气动力学、无人机平台设计与制造、图像处理与智能感知、导航系统原理、无人机飞行控制、人工智能、机器学习、任务规划与分配、无人机系统体系保障技术等许多学科，所以该学科具有知识点多、涉及面广、理论性强，需要学生具备较好的逻辑思维能力和数理基础等特点，因此，必须通过实践才能加深对无人机系统知识的理解；二是智能决策技术不断走向实用，20世纪80年代随着人工智能基础科学的研究，智能决策作为一门新兴学科出现在国际科学舞台上，智能决策技术早期以研究经典的智力游戏问题和仿真实验来证明理论等为主流，随着互联网的普及和国际信息化进程的提高，智能系统和智能计算等也逐渐成为学者们的研究热点。从加强学生的实践能力出发，考虑到课程的建设需要，需要加强无人机系统智能决策课程的实践教学内容。
4.1.2无人机系统智能决策课程对实践的要求
根据智能决策的特点，进行实践教学需要达到以下几个目的：一是加强学生对基础知识的理解，对智能决策基本方法的掌握；二是加强学生将智能决策知识与方法用于解决实际问题的能力；三是增强学生对智能决策研究领域的兴趣，培养更多的专业人才。
智能决策的实践教学工作必须以高质量的科研内容为基础。通过瞄准国际前沿、集成创新和引进消化吸收、提升原始创新以及再创新能力，从而建设创新平台和创新团队，以高水平科学研究支撑高质量的高等教育。此外，智能决策的实践教学还要考虑因材施教，验证关键技术环节。目前学生的学习任务较重且水平参差不齐，在设计实践环节时，要把握如何能在较短的时间内让学生得到最大程度的能力锻炼。在这种情况下，教师必须进行充分的准备，事先搭好通用的硬件平台和软件框架，以减轻学生不必要的负担，营造良好的氛围，将学生的主要精力集中在创新实践上，这样才能提高实践教学的效率。因此，课程借鉴了无人机领域最具影响力的国际微小型飞行器赛会（IMAV）的比赛规则，结合智能决策的研究热点和当前承担的学术科研任务，引入无人机竞赛作为智能决策教学实践的平台。
4.2基于无人机系统智能决策的课程实践方案
在智能决策课程开始之际，教师向学生明确课程实践方案，即通过无人机竞赛的形式考核学生解决实际问题的能力。通过举办无人机竞赛，可以激发学生的学习热情和创新动力，达到寓教于乐的目的。学生带着思考主动学习理论知识，而不是为了应付考试被动学习；教师应当按照学生的综合能力合理组队，从而达到能力互补和团队协作。
无人机竞赛面向本校无人机工程专业方向的本科生，根据智能决策课程的需要，共设置3个科目。
第一个科目是自稳飞行，无人机需在3分钟内完成从出发点到指定目标点的飞行，要求单次滞空时间不少于30秒；本科目考查的是学生对无人机自主飞控基础知识的掌握。第二个科目是避障侦察，无人机需以尽可能快的速度穿越一排障碍门，并识别地面上的物品；障碍门的可通行区域各不相同，无人机需通过机载单目相机识别可通行区域，并自主规划路径；本科目考查的是学生对智能识别和任务规划基础知识的掌握。第三个科目是特级飞行，包括手抛无人机平稳飞行、8字飞行、伴随飞行等；本科目考查的是学生的创造力。比赛采用百分制，3个科目按照难度系数和重要程度评分占比分别为30%、50%和20%。
如图3所示，课题组提供比赛使用的无人机硬件和飞控软件平台并指导学生拼装无人机及使用软件。学生需在课程学习的过程中制定智能决策的算法设计及代码实现计划，并严格按照时间节点实现目标；每个小组的成员必须说明自己在团队中的贡献，从而作为教师打分的依据。
5结语
将智能决策教学和无人机竞赛进行有机结合，在智能决策任务规划课程的教学中，通过智能感知、自主控制、算法的实践环节服务于无人机系统的自主行为决策，从而不但帮助学生深入理解智能决策的基本概念和理论，而且使学生了解目前的科技前沿，培养学生的创新能力，最终提高智能决策课程的教学质量。经过几年的教学实践，取得了较好的效果。很多学生表示通过课程学习加深了对理论知识的理解，认为相关技术可以指导他们以后的工作，相关解决问题的方法为以后解决工作中的实际问题提供了思路。同时，很多学生表达出对无人机系统的浓厚兴趣，表示会进一步关心无人机系统的发展，并投身到相关的研究工作中去。
（编辑：郭田珍）
