实验教学中移动机器人虚拟仿真平台的实践应用研究
摘要：针对智能机器人课程教学中理论与实践脱节的问题,从实验平台构建、教学方法等方面提出了将虚拟仿真与实体机器人实验相结合的实验技术与教学方法。首先研制适用于课程教学的移动机器人虚拟仿真实验平台,该平台具有接口通用、易于上手、配置灵活、界面直观等特点,能够进行机器人建模、运动避障、轨迹跟踪、决策控制及导航规划等方面的仿真实验,故而特别适用于课堂教学的实验实践。通过通信接口的适配,该虚拟仿真平台具有操控实体机器人的能力,从而实现了虚实结合的实验教学技术并应用到课程教学中。依托该平台,采用任务驱动的教学方式,进行课上课下相结合的智能机器人课程的理论教学与实验教学,有效地培养了学生的理论知识、项目经验以及工程应用能力。
本文源自实验技术与管理,2020,37(08):145-148.《实验技术与管理》(月刊)创刊于1963年，是教育部委托清华大学承办的、面向全国各级各类高等学校的、含有社会科学和自然科学的综合技术性期刊。获奖情况：首届《CAJ-CD规范》执行优秀期刊奖;获两届中国高校优秀科技期刊奖。
近年来，机器人技术在工业制造、运输物流、医疗服务、安全安防等领域得到广泛应用，机器人技术相关的人才需求也随之上升[1,2]。智能机器人相关的教育是培养信息技术、智能技术及工程技术类人才的有效手段，已成为国际教育界关注的热点[3,4,5]。如何结合高校人才培养的特点，培养出既符合地方经济发展，又具有创新精神和工程能力的高素质工程技术人才，是当前高校人才培养模式改革中亟需探索的课题[6,7]。
机器人课程对计算机、电子、机械、控制、人工智能等领域均有涉及。因此，机器人课程具有一定的难度，对学生的系统集成能力与综合运用能力有较高要求，需要学生通过实验实践将理论知识、实践经验和工程应用有机地统一起来。实验实践教学在学生自主工程能力的培养中占有重要位置。机器人课程除了讲授理论知识外，更应该注重培养学生的动手实践，使学生将理论与应用相互结合、融会贯通。除了基于实体机器人的操作实践外，虚拟仿真技术也是机器人教学过程中的一个重要工具，可以使学生在理想的环境下针对特定的知识点进行学习探索，而无须考虑实际机器人与实际环境的复杂性，进而拓展学生对机器人相关知识点理解与掌握的深度与广度[8,9,10,11,12]。
本文以移动机器人技术的实验教学为例，结合企业对人才的需求，将虚拟仿真技术与实体机器人相结合来设计实验教学方法。采用“任务驱动的自主学习”方式，依托自主研发的虚拟仿真实验平台，运用课上课下相结合的智能机器人教学方式，进行机器人课程的理论与实验教学，以培养学生的理论知识、项目经验以及工程应用能力。
1、虚拟仿真技术的重要性与存在的不足
“智能移动机器人”类实验课程的内容主要包括机器人建模、运动规划、轨迹跟踪、决策控制等[13]。然而，由于实际机器人的复杂性、经济性及其运动空间的动态性、危险性，导致学生难以在短时间内掌握实体机器人的操控，也难以在短期内进行大量的实验。同时，由于课程教学的时限性，在课堂上没有很多时间让学生去熟悉仿真平台的使用，因而需要一种易于上手的适用于课程教学的机器人虚拟仿真实验系统来辅助课堂教学，通过仿真实验使学生加深对基本原理的理解与掌握，提高学生的创新和实践能力，同时也解决了硬件机器人少、传感器不完备以及无法进行复杂实验等问题。适用于课堂教学的仿真实验平台应具有以下特征：易于上手、图形化界面、通用的移动机器人模型、通用的操作接口。
目前，虽然许多实验室与研究机构已开发了多种机器人虚拟仿真软件[14,15,16,17]，但是针对课程教学而言，这些软件存在以下问题：软件复杂，学生上手慢，不利于课程教学的推进;将虚拟机器人抽象成一个节点，不能体现移动机器人的运动特征;仅针对特定的机器人系统，通用性不足。
针对课程教学对于机器人虚拟仿真软件的特殊要求和现有仿真软件的不足，本教研组自主研发了一套适用于课堂教学与满足实验实践要求的移动机器人虚拟仿真系统。该虚拟仿真平台可以为机器人研究者、学习者以及爱好者提供机器人领域的学习与研究实验平台，可以用来进行自主导航、运动避障、路径规划、智能算法等方面的仿真验证。由于该仿真实验平台具有多传感器仿真、结构简单、接口通用、易于上手、配置灵活、界面直观等特点，故而特别适用于课堂教学与实验分析。
2、移动机器人虚拟仿真平台的设计
2.1 虚拟仿真平台的体系结构
移动机器人虚拟仿真平台的系统总体结构如图1所示。学生通过通用机器人API接口编程与仿真平台进行交互，从而将学生与实际的传感器、执行器分离。传感器适配器将用户接口与仿真环境或真实环境分离，将采集到的数据进行适当的处理后提交给用户使用，使得控制逻辑程序可在2个运行环境中切换。传感器用来与真实环境或虚拟环境交互，以获取距离、位置、状态等信息。执行器传感器做了与传感器适配器类似的工作，执行器响应用户控制程序产生的指令，改变机器人的行为。通信层封装了对外通信的接口，进行消息包的解析打包分配，采用适配技术，通过用户代码来操控实体机器人。仿真器为整个系统提供了仿真实验功能。本虚拟仿真平台采用了客户端-服务端(client-server)体系结构，可将仿真器看作服务端(server)、虚拟机器人看作客户端(client)，它们之间采用TCP/IP基本通信协议进行连接。多个虚拟机器人可运行在同一仿真器中，因此虚拟仿真平台具备了多机器人仿真的能力。
图1机器人虚拟仿真平台的总体结构
2.2 机器人虚拟仿真器的设计实现
机器人虚拟仿真器提供了虚拟的环境和虚拟的机器人，模拟机器人与环境之间的各种交互过程。它模拟虚拟环境中的所有物体(墙、障碍物、机器人等)，计算仿真传感器状态数据，管理与虚拟机器人控制系统的所有链接，规划多个机器人的同步问题。虚拟机器人仿真器是个多线程的应用程序，它不仅管理并计算仿真过程还进行着与客户端的通信。仿真器通过图形用户界面(GUI)来直观地显示仿真过程。整个仿真器的系统结构如图2所示。
图2虚拟机器人仿真器的设计实现
虚拟机器人仿真器的执行过程大体如下：每一个控制客户端在仿真器中创建一个对应的虚拟机器人，同时建立链接;指令请求通过仿真器的通信模块传递给对应的虚拟机器人，虚拟机器人将该请求任务交付给任务调度模块执行，并将执行的结果反馈给客户端，同时在图形用户界面(GUI)中实时展现执行结果。
2.3 虚拟仿真平台的仿真模块
虚拟仿真平台是个模块化的仿真系统，主要包括地图模块、传感器模块、运动模块和仿真任务调度模块。
地图模块为机器人仿真提供了虚拟环境，其主要功能是环境的表示、存储、编辑以及解析。在机器人虚拟仿真平台启动阶段，调用地图模块来为虚拟机器人的运行提供虚拟环境。目前，该模块主要描述了墙体、静态障碍物、动态障碍物以及目标物等。
移动机器人是由多种传感器组合而成的，常见的传感器有：声纳、激光测距仪、位姿传感器、里程计、碰撞传感器、速度计以及图像采集器等。由于本仿真平台为2D图形仿真，因此暂不支持图像采集器的仿真。目前已实现的虚拟传感器有：编码器、里程计、碰撞传感器、速度计、虚拟罗盘、声纳传感器以及激光测距仪等。激光测距仪以常用的SICKLMS200型号为原型，完全模拟了SICKLMS200型激光测距仪的配置参数与通信数据结构。
运动模块是机器人虚拟仿真平台的核心模块。运动模块和运动学计算模块封装了机器人运动过程的细节，使客户端只需通过API接口把设定线速度和角速度的运动任务请求发送给服务端。
任务调度模块是机器人虚拟仿真平台的内核。调度模块实现了一个任务调度队列，该队列与批处理任务调度队列或打印调度队列相类似。在机器人虚拟仿真平台中，任何请求都被认为是任务，按执行时间或优先级排列在任务调度队列中。执行时间优先于优先级，每个任务按顺序依次执行。
3、混合虚拟仿真与实体机器人的实验教学
将该平台运用到智能移动机器人的教学中。图3为移动机器人虚拟仿真平台的运行界面，图4为某次仿真运行的数据分析。从图3和4可见，该平台具有清晰直观的仿真界面和仿真数据输出，能够对仿真运行进行数据分析，学生能够直观地了解到移动机器人运动学模型、运动控制与规划导航等相关知识点的仿真运行情况，进而对自己编写的控制逻辑进行验证分析。
图3移动机器人虚拟仿真平台运行界面与运行状态
图4某次仿真运行的机器人运动数据分析
在教学实验的过程中，采用了“任务驱动的自主学习”方式，依托仿真与实验平台，通过虚实结合的教学方法进行课程的实验教学。每个任务涉及课程的若干知识点，并包含若干学习模块。根据学习模块的功能要求，学生在课后学习相关知识，在仿真平台上进行动手实践能力的学习与强化训练。学生在学习过程中能够带着问题主动地去探索和研究，然后教师在课堂教学中，重点讲解各模块的难点并解决学生遇到的实际问题，学生通过编程在仿真系统中实现任务所指示的功能，拓展学生对机器人相关知识理解的深度与广度，调动学生学习的积极性。由于本研究所开发的移动机器人虚拟仿真平台具有通用的控制接口，目前已实现将该平台与MobileRobots公司生产的P3-DX和PowerBot机器人进行接口对接，使得学生可以将仿真平台验证过的控制算法用来控制实体机器人，如图5所示。这有效地调动了学生对控制方法及机器人学的学习积极性，取得了良好的教学效果。
图5学生通过虚拟仿真平台编写程序操控P3-DX机器人
4、结语
本文针对“智能移动机器人”类课程实验教学需求，开发了移动机器人虚拟仿真平台，具有以下特点：
(1)实用性。本文研制了简单易用、充满趣味、成本低廉的移动机器人虚拟仿真平台。该平台易于学生在课上课下进行实验实践，能够有效地调动学生的积极性、增强学生的动手实践能力。在仿真实验过程中，学生会遇到各种各样的问题，通过深入的思考，学生可以提高对智能机器人知识的学习质量，同时也锻炼了解决问题的能力。该虚拟仿真实验平台为智能机器人课程实验教学提供了新的方法与思路，更好地辅助了课堂教学。
(2)系统性。该移动机器人虚拟仿真平台涵盖了移动机器人教学所涉及的运动学模型、传感器模型、运动控制、轨迹跟踪、规划导航、避障决策等多方面的知识点，有效地引导学生在实践过程中掌握智能机器人的基本原理、基本模型、信息处理、决策控制等，从而为学生今后的工程实践打下了坚实的基础。
(3)综合性。“智能移动机器人”涉及通信、计算、控制、传感等多学科交叉，是一门综合性较强的课程，也是实践与理论紧密关联的课程，对制造业产业升级具有重要意义。该移动机器人虚拟仿真平台作为高校实验教学的实践平台，不但可以用于“智能移动机器人”及“微型机器人与C51应用”课程的教学，也可以用于系统建模、控制理论、人工智能等方面的教学研究，为本科生和研究生提供科研创新平台。
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