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

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

针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。

 02    实飞实验平台

卓翼智能经过多年的技术积累已经研发出多种四旋翼无人机实验平台，可根据高校教学实验内容提供不同轴距、不同载重的无人机，支持搭载各类传感器（激光雷达、单目相机、双目相机），支持多种定位方式（光学定位、UWB定位、RTK定位），支持室内/室外飞行，可以满足多种不同环境下的教学实验。

 03   实验教程

配套实验课程包括不限于：《多旋翼飞行器从原理到实践》、《多旋翼飞行器设计与控制实践》、《多旋翼飞行器设计与控制系列实验》等课程对应的实验内容见下表所示。实践课程共可分为三个阶段，涵盖多旋翼无人机的专业基础能力培养、专业核心能力培养、综合实践能力的培养。实验内容涉及无人机动力系统设计、建模、估计、控制和决策等相关实验任务，每个实验任务又可分为由浅入深的三个实验阶段，即基础实验阶段、分析实验阶段和设计实验阶段。同时本系列课程可以将“自动控制原理”、“微机原理与应用”、“计算机控制技术”、“电力电子技术”等前期学习的课程知识融会贯通，并借助具体的实验对象，构建控制系统的整体概念。

02/科技竞赛

大学生参加科技竞赛，可以促进学习理论知识的积极性提高创新意识，更为重要的还是能够锻炼自主设计、自主研究、自主创造的才能，对学生实践能力的提升有很大帮助，并能促进对科学研究的学习兴趣，对学生的全面发展有非常显著的意义。

卓翼智能正在积极与高校开展以创新项目学科竞赛为驱动的活动，全方位提升学生创新设计能力和工程实践能力。在“2022中国工程机器人大赛暨国

际公开赛”中卓翼智能作为协办单位之一，在本次大赛活动中，提供空中机器人赛项的赛项设计、技术支持、平台设备等内容。未来卓翼智能将会主办或参与到更多的科技竞赛中，为大学生提供更加丰富的竞技内容，更加具有竞争力的平台。

中国工程机器人大赛暨国际公开赛作为一个公益性、非营利赛事，目前由教育部高等学校创新方法教学指导委员会等机构主办，从2011年发起设立，经过几年的发展，已经形成搬运工程、竞技工程、竞速工程、医疗工程、工程越野、工程创新设计等面向工程应用、突出创新实践、在国内有一定影响力的机器人科技竞赛活动。

中国工程机器人大赛暨国际公开赛——飞思实验室空中机器人赛项包括以下内容：

赛段一无人机仿真赛

中国工程机器人大赛—飞思实验室无人机仿真赛赛段演示视频

赛段一无人机仿真赛

03/科研创新

在科研创新方面卓翼智能正在与教育部科技发展中心合作，先后设立两个中国高校产学研创新基金项目。通过科研课题项目的实施，大学生在学校专业老师的带领下可以参与到科研项目的研究中，从而提升学生对重点研究领域的关注，并提升学生科研创新能力，也为本科学生进入研究生阶段打下良好基础。

①为促进信息技术与教育深度融合，教育部科技发展中心与北京卓翼智能科技有限公司联合设立“无人集群协同智能项目”，用以支持高校在无人系统仿真、协同编队控制、协同态势感知、编队组网、任务规划、机器视觉、人工智能算法以及行业应用领域的创新研究。

②随着新一轮科技革命和产业变革兴起， 以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链等为代表的新一代信息技术产业迅速崛起。为快速推动我国高校积极开展面向互联网应用创新的科研与教学改革，促进信息技术与教育深度融合，教育部科技发展中心设立“新一代信息技术创新项目”，卓翼智能担任此次智能无人系统申报项目的支撑单位。

“新工科”的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征。为了满足高校人才培养方面的迫切要求，要求学生具有系统的工程实践学习经验，具备设计和实施工程实践的能力，并能对结果进行分析。
 

通过校企合作协同育人模式，引入企业实践课程内容及多样化的实践平台、实践方式，可以帮助学生加深对理论知识和基本概念的直观理解，提高动手能力，激发创新思维。在此背景下，卓翼智能提供的“实验课程+科技竞赛+科研创新”的人才培养服务，将有助于高校在人才培养中重构专业实践课程教学体系，有利于实现价值塑造、知识体系、能力结构“三位一体”的培养方案，通过校企合作协同育人将有效激发学生的创新意识和学习兴趣，提高学生解决复杂工程技术问题的能力，对提升学生综合素质和培养科研能力具有重要的意义。