建設(shè)中型組機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境的探索與實(shí)踐

肖軍浩+徐明+盧惠民+徐曉紅

摘 要：為適應(yīng)軍隊(duì)信息化建設(shè)對新型復(fù)合型人才培養(yǎng)提出的創(chuàng)新能力的需求，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)依托機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地的優(yōu)勢，建設(shè)了以中型組足球機(jī)器人競賽為主體的MOORE教學(xué)環(huán)境。該平臺面向全校各專業(yè)研究生開放，借助自主研制的多機(jī)器人系統(tǒng)和仿真環(huán)境，支持研究生進(jìn)行線上線下合作研究、協(xié)同創(chuàng)新，開展中型組足球機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的工程實(shí)踐和理論研究，從而全面提升研究生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、科技創(chuàng)新能力以及工程實(shí)踐能力。參與MOORE活動的研究生，綜合素質(zhì)得到了大幅提高，赴國內(nèi)外不同國家和地區(qū)參加機(jī)器人世界杯國際賽和中國公開賽等學(xué)科競賽并取得了優(yōu)異成績。

關(guān)鍵詞：足球機(jī)器人 MOOC MOORE 協(xié)同創(chuàng)新

中圖分類號：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（b）-0010-04

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)在線課程（Massive Open Online Course，MOOC）作為一種新的教育形式，近幾年來席卷了全球，促進(jìn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。然而，MOOC對于研究生學(xué)員進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新的支持不足，為了應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長楊學(xué)軍院士針對研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提出了大規(guī)模在線研究（Massive Open Online REsearch，MOORE）的教育形式。依托學(xué)校機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地，以機(jī)器人世界杯（RoboCup）中型組足球機(jī)器人為研究中心，探索和實(shí)踐了MOORE形式下的研究生培養(yǎng)，并選派研究生學(xué)員赴國內(nèi)外參加RoboCup國際賽和中國公開賽對創(chuàng)新能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。事實(shí)證明，MOORE有助于促進(jìn)專業(yè)教學(xué)建設(shè)和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 從MOOC到MOORE

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)在線課程（Massive Open Online Course，MOOC）是最近幾年席卷全球的一種全新的教育資源共享模式和開放教育形式，促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)時代教學(xué)模式的改革和教學(xué)理念的創(chuàng)新，具有關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)、大規(guī)模教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂和協(xié)同評價的特點(diǎn)。因此，國內(nèi)外一流大學(xué)都陸續(xù)提倡并開設(shè)了MOOC課程[1]。MOOC可以使比以往任何時代更多的人跨越時空的限制享受優(yōu)質(zhì)教育資源。MOOC課程大都是世界一流大學(xué)開設(shè)，保證了MOOC的教育質(zhì)量。MOOC允許學(xué)習(xí)者根據(jù)自身的基礎(chǔ)和興趣進(jìn)行一系列個性化教育，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者自身的主觀能動性。毋庸置疑，MOOC的教育模式已經(jīng)得到了教育界的普遍認(rèn)可并在教育領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

然而，針對研究型人才培養(yǎng)，MOOC還面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，MOOC不能解決實(shí)踐教學(xué)的問題。在線視頻只能“學(xué)到”，而只有實(shí)踐才能“學(xué)會”，但現(xiàn)在MOOC對于實(shí)踐教學(xué)的支撐力不夠。其次，MOOC難以形成正式穩(wěn)定的協(xié)作交流。MOOC學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作交流是一個自發(fā)的、動態(tài)的、具有很強(qiáng)不確定性的發(fā)展過程。再次，MOOC難以支撐線下的協(xié)作創(chuàng)新，MOOC的學(xué)習(xí)者來自世界各地，難以組織線下的交流和協(xié)作，而協(xié)作創(chuàng)新能力是研究生培養(yǎng)的一個重要方面。最后，MOOC的學(xué)習(xí)效果過度依賴于學(xué)習(xí)者自身的基礎(chǔ)，有的學(xué)習(xí)者雖然投入了大量時間和精力，但由于缺乏必要的面授指導(dǎo)和學(xué)習(xí)支持，往往只是處于外圍，流于表面、淺嘗輒止的了解，難以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)和知識體系的構(gòu)建。

為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，針對研究生課題研究和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長楊學(xué)軍院士首次提出了大規(guī)模在線研究（Massive Open Online REsearch，簡稱MOORE）的教學(xué)模式[2]。希望通過線上“頭腦風(fēng)暴”，加強(qiáng)科研人員間的學(xué)術(shù)討論和思想碰撞，強(qiáng)化學(xué)科交叉研究。與MOOC相比，MOORE更加注重建立穩(wěn)定的線上交流，并基于此進(jìn)行在線協(xié)同創(chuàng)新。

2 RoboCup中型組足球機(jī)器人

機(jī)器人足球是由加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)教授Alan Mackworth在1992年首次提出的，其主要目的是通過提供一個標(biāo)準(zhǔn)的比賽平臺，促進(jìn)分布式人工智能和智能機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展[3]。這一想法在1997年經(jīng)機(jī)器人世界杯（RoboCup）實(shí)現(xiàn)[4]，發(fā)展到今天，已經(jīng)是國際上級別最高、規(guī)模最大、影響最廣泛的機(jī)器人賽事。該比賽的里程碑目標(biāo)是在2050年組建一支由機(jī)器人組成的足球隊(duì)，打敗當(dāng)時的人類足球冠軍。RoboCup中國公開賽是RoboCup全球五大分站賽事之一，由中國自動化學(xué)會主辦，教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會協(xié)辦，是國內(nèi)最具影響力、規(guī)模最大、水平最高的專業(yè)性機(jī)器人學(xué)術(shù)競賽，到2016年已經(jīng)連續(xù)舉辦了18屆[5]。

中型組是RoboCup比賽中非常重要的一個比賽項(xiàng)目[6]。該項(xiàng)目要求雙方各5個全自主的機(jī)器人在類似于人類足球場地的環(huán)境下，使用指定顏色的標(biāo)準(zhǔn)足球進(jìn)行比賽。這對機(jī)器人的運(yùn)動性能、環(huán)境理解、實(shí)時通信、協(xié)同配合等方面都提出了很高的要求。因此，RoboCup中型組足球機(jī)器人是一個典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人運(yùn)動控制、路徑規(guī)劃、多機(jī)器人任務(wù)分配和協(xié)作控制等一系列研究方向，非常適合培養(yǎng)和提高研究生以及高年級本科生的工程實(shí)踐能力和理論創(chuàng)新能力，特別是能鍛煉學(xué)生從系統(tǒng)的角度思考問題。

從團(tuán)隊(duì)構(gòu)成來看，研制和維護(hù)一個中型組多機(jī)器人系統(tǒng)需要不同領(lǐng)域、不同專業(yè)的學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，因此能夠培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。RoboCup中型組吸引了來自世界各地的眾多高校和研究機(jī)構(gòu)的積極參與，如國外的意大利米蘭理工大學(xué)，荷蘭愛因霍溫科技大學(xué)，奧地利格拉茨理工大學(xué)，德國斯圖加特大學(xué)、圖賓根大學(xué)和卡塞爾大學(xué)，葡萄牙的阿威羅大學(xué)，日本大阪大學(xué)、慶應(yīng)義塾大學(xué)和九州工業(yè)大學(xué)等，國內(nèi)的上海交通大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海大學(xué)、北京信息科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)等均先后參加過該賽事。經(jīng)過多年的發(fā)展，國際上中型組機(jī)器人研究和競賽水平比較高的研究團(tuán)隊(duì)主要分布在荷蘭、中國、葡萄牙、德國、伊朗、日本等國。

3 中型組機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境建設(shè)

為貫徹黨在新形勢下的強(qiáng)軍目標(biāo)，加快創(chuàng)新人才培養(yǎng)和交叉學(xué)科思想碰撞，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)建設(shè)了第一批MOORE教學(xué)環(huán)境建設(shè)試點(diǎn)，包括機(jī)器人足球、無人機(jī)、機(jī)器人操作系統(tǒng)3個研究領(lǐng)域。下面介紹依托學(xué)校機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地構(gòu)建的中型組機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境，平臺通過開放式的機(jī)器人技術(shù)研究環(huán)境開展機(jī)器人足球領(lǐng)域前沿課題的合作研究與學(xué)術(shù)交流，實(shí)現(xiàn)線上協(xié)作完成理論研究、機(jī)器人軟件開發(fā)及算法設(shè)計(jì)，依托所構(gòu)建的仿真環(huán)境完成仿真實(shí)驗(yàn)，線下在機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新基地完成實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地提供條件保障

中型組機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境建設(shè)依托于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐基地（以下簡稱創(chuàng)新實(shí)踐基地），創(chuàng)新實(shí)踐基地于2002年由學(xué)校專項(xiàng)建設(shè)，是學(xué)校重要的課外創(chuàng)新實(shí)踐活動場所[7]。經(jīng)過多年實(shí)踐，創(chuàng)新實(shí)踐基地已經(jīng)探索出了適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)體系和管理機(jī)制。目前，創(chuàng)新實(shí)踐基地以控制學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、機(jī)械工程學(xué)科和儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教授為帶頭人，以教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的中青年教師為指導(dǎo)主力，以管理能力突出的專職教師為組織管理和運(yùn)行負(fù)責(zé)人，依托創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)的機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境面向全校研究生開放，鼓勵、吸納一部分學(xué)有余力又有興趣的研究生針對機(jī)器人足球做一些研究探索性研究。此外，提供多媒體研討室，用于保障研究生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴。如有需求，研究生可以通過開源社區(qū)或其他方式和指導(dǎo)教師預(yù)約，進(jìn)行面對面交流。

3.2 自主研制機(jī)器人軟硬件平臺和仿真環(huán)境

國防科技大學(xué)機(jī)器人足球研究小組為中型組機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境提供自主研制的機(jī)器人軟硬件平臺和仿真環(huán)境。其中，普通球員機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括由控球機(jī)構(gòu)、擊球機(jī)構(gòu)、移動平臺和主體框架4個部分構(gòu)成，搭載全向視覺系統(tǒng)、前向攝像頭、深度攝像頭等傳感器，并攜帶機(jī)載計(jì)算機(jī)用于傳感器信息處理、自主決策以及機(jī)器人控制，如圖1所示。守門員機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器配置上與普通機(jī)器人略有不同，完整的機(jī)器人球隊(duì)包括4臺普通球員機(jī)器人，如圖1所示。

機(jī)器人的軟件基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）[8]構(gòu)建，ROS是一系列運(yùn)行在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上的軟件工具集，其核心功能是提供一種軟件點(diǎn)對點(diǎn)通信機(jī)制，可用于靈活高效地組織機(jī)器人軟件系統(tǒng)。ROS支持多種編程語言，支持跨平臺分布式計(jì)算。基于ROS構(gòu)建機(jī)器人軟件系統(tǒng)，可大大提高軟件的模塊化程度和代碼可重用性。此外，由于ROS的開源，ROS社區(qū)有大量的機(jī)器人軟件模塊可供借鑒使用，涵蓋了硬件驅(qū)動、模擬仿真、運(yùn)動規(guī)劃、運(yùn)動控制、環(huán)境感知等各個方面，可讓研究人員在構(gòu)建機(jī)器人軟件系統(tǒng)時避免大量的重復(fù)性工作，極大地提高研發(fā)效率。引導(dǎo)研究生學(xué)員熟練掌握ROS的使用，對提高研究生學(xué)員的科技創(chuàng)新能力和對外國際學(xué)術(shù)交流水平具有重要意義。

構(gòu)建了基于Gazebo的足球機(jī)器人仿真系統(tǒng)[9]，并已將代碼開源，獲得了國際同行的高度認(rèn)可。因?yàn)槎鄼C(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相對復(fù)雜，仿真環(huán)境可用于多機(jī)器人協(xié)同控制算法的快速驗(yàn)證和性能測試，從而縮短軟件的開發(fā)周期。算法通過測試后可以到線下創(chuàng)新實(shí)踐基地進(jìn)行實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)的測試。此外，仿真系統(tǒng)可支持雙方多機(jī)器人系統(tǒng)動態(tài)對抗比賽，用于更好地評判機(jī)器人協(xié)同控制算法的優(yōu)劣，如圖2所示。

3.3 自編教材并錄制MOOC課程

為了服務(wù)中型組機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境，機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地組織指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)自編了教材《ROS與中型組足球機(jī)器人》[10]并制作了配套的MOOC課程。教材涵蓋了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平臺與底層控制、環(huán)境感知、規(guī)劃與控制、多機(jī)器人協(xié)同等中型組足球機(jī)器人研究中涉及到的主要領(lǐng)域，全面總結(jié)了國防科技大學(xué)機(jī)器人足球研究小組十余年來的研究成果。課程圍繞機(jī)器人足球系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)、ROS在機(jī)器人足球中的應(yīng)用等核心問題安排內(nèi)容，為有志于基于MOORE教學(xué)環(huán)境開展前沿課題合作研究與學(xué)術(shù)交流的研究生學(xué)員提供一個典型的學(xué)習(xí)案例。

3.4 依托“Trustie”在線協(xié)作平臺創(chuàng)建開源社區(qū)

Trustie是一個面向高校創(chuàng)新實(shí)踐的在線協(xié)作平臺，中文簡稱“確實(shí)”[11]。依托Trustie創(chuàng)建了服務(wù)于機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境的開源社區(qū)，將基于ROS的機(jī)器人軟件和基于Gazebo的仿真系統(tǒng)在社區(qū)進(jìn)行開源共享。加入開源社區(qū)后，研究生學(xué)員可以進(jìn)行在線研討、協(xié)同開發(fā)和社區(qū)協(xié)作等活動，指導(dǎo)教師可以在開源社區(qū)進(jìn)行答疑并進(jìn)行學(xué)生提交代碼的評測。此舉為機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了“教師主導(dǎo)、學(xué)生主動”的社區(qū)型學(xué)習(xí)、實(shí)踐和創(chuàng)新活動。

3.5 以競賽檢驗(yàn)學(xué)員創(chuàng)新實(shí)踐能力

將RoboCup國際賽和中國公開賽作為最終展示研究生學(xué)員創(chuàng)新實(shí)踐能力的舞臺，其中RoboCup中國公開賽由自動化學(xué)會主辦，教育部高等學(xué)校自動化類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會協(xié)辦，在每年的4月份舉行；RoboCup國際賽由RoboCup理事會主辦，由全世界不同國家和地區(qū)的高校和研究機(jī)構(gòu)輪流承辦，在每年的6～7月份之間舉行；根據(jù)指導(dǎo)教師打分、學(xué)員互評等綜合評價學(xué)員在團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新中所作的貢獻(xiàn)，選擇一批學(xué)員參加中國公開賽和國際賽。

4 MOORE教學(xué)環(huán)境建設(shè)的成果與效益

機(jī)器人足球MOORE教學(xué)環(huán)境經(jīng)過兩年的建設(shè)，培養(yǎng)了一批專業(yè)拔尖人才，促進(jìn)了教學(xué)建設(shè)。吸引了一批研究生學(xué)員進(jìn)行前沿研究，發(fā)表和錄用學(xué)術(shù)論文16篇，其中SCI收錄5篇， EI收錄11篇。將研究成果應(yīng)用于中型組足球機(jī)器人，并攜帶機(jī)器人赴國內(nèi)外參加RoboCup國際賽和中國公開賽，取得了如下優(yōu)異成績：赴德國萊比錫參加2016年機(jī)器人世界杯國際賽，進(jìn)入中型組4強(qiáng)，獲得科學(xué)挑戰(zhàn)賽季軍；赴合肥參加2016機(jī)器人世界杯中國公開賽，獲中型組季軍和科學(xué)挑戰(zhàn)賽冠軍；赴合肥參加2015機(jī)器人世界杯國際賽，進(jìn)入中型組6強(qiáng)，獲得技術(shù)挑戰(zhàn)賽亞軍，科學(xué)挑戰(zhàn)賽季軍；參加2014年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup中國公開賽獲得中型組季軍和技術(shù)挑戰(zhàn)賽冠軍。

5 結(jié)語

MOORE是針對研究生協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種新的模式，RoboCup中型組足球機(jī)器人是一個典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地是專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要場所，Trustie是一個面向高校創(chuàng)新實(shí)踐的在線協(xié)作平臺。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)將以上四者有機(jī)統(tǒng)一到一起，依托機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地，以RoboCup中型組足球機(jī)器人研究為中心，借助Trustie在線協(xié)作平臺這個有力工具，建設(shè)了MOORE教學(xué)環(huán)境試點(diǎn)，探索并實(shí)踐了MOORE模式下的研究生培養(yǎng)。經(jīng)過兩年的建設(shè)，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀人才，全面促進(jìn)了教學(xué)建設(shè)，完善了高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的線上線下聯(lián)動教學(xué)體系。

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