收藏！一文掌握智能体协同创新实验室解决方案架构以及搭建流程

一、多智能体系统的探究与相关教学难点

多智能体系统(Multi-AgentSystem，MAS)是由多个具备一定感知和通信能力的智能体组成的集合，该系统可以通过无线通信网络协调一组智能体的行为(知识、目标、方法和规划)，以协同完成一个任务或是求解问题，各个单智能体可以有同一个目标，也可以有多个相互作用的不同目标，它们不仅要共享有关问题求解方法的指示，而且要就单智能体间的协调过程进行推理。多智能体理论的应用研究开始于20世纪80年代中期，近些年呈明显增长的趋势。尤其是近10年来，智能体和多智能体系统理论与技术频繁出现在大量应用系统设计中，对智能体的研究已成为自动化类学科的一个热点。

随着多智能体系统研究的深入，多智能体的协同问题己经成为领域研究的热点，同时各大知名高校也在将课程内容与实验项目放到本科生阶段进行初步学习，让学生掌握基础理论知识和基本实践技能。经过市场调研，目前各高校在本科生阶段开展多智能体协同控制相关教学时，往往存在以下困难：

（1）缺乏易用性。整个平台设计工具链复杂庞大，从零开始搭建费时费力，使用不够便捷；

（2）缺乏系统性。缺乏系统性的平台搭建，有的只是设备的拼凑，并未形成统一的体系；

（3）缺乏标准性。现有各分散的软硬件存在使用标准、软件接口、通讯协议不统一，相关源码不开放，学习掌握和二次开发难度较大的缺点；

（4）缺乏体验性。对于非专业领域的人员，缺乏体验互动的能力，不能参与其中，不能激发学习兴趣；

（5）缺乏教学资源。由于平台搭建缺乏系统性，间接也导致在教学资源上存在资源配套不完整，或者相互之间并无联系，不能做到前后呼应，承上启下，从而不能让学生快速掌握专业技能。

二、多智能体协同创新实验室解决方案结构及组成部分

在市场需求引导下，卓翼智能结合飞思实验室标准产品提出多智能体协同创新实验室解决方案，实验室作为支撑载体服务于例如自动化、机器人工程、人工智能等相关专业的建设与人才培养，为学生实践提供教学环境。在满足专业建设人才培养的基础上也兼顾了科研团队的创新研究。同时，卓翼智能配套提供一站式的教学服务支持，为高校在专业建设及相关课题研究，提供更好的支撑。

（1）搭建思路

多智能体协同创新实验室在设计上将围绕智能体的学习，“从单体智能→群体智能，从系统仿真→实践验证→应用场景”的设计思路展开，让学生由简入繁的学习多智能体系统。在学习过程中将融入智能体的信息感知、任务分配、轨迹规划、编队控制、多智能体任务分配、多智能体编队控制等技术内容和实验内容，从而提升学生的综合实践能力。如下图为实验室效果图，主要包括：单智能体实验区、无人系统仿真试验区、多智能体协同创新实践区、可视化及体验区四个功能区。

 （2）具体功能区讲解

一、单智能体实验区

① 智能无人车

无人驾驶小车包含了无人驾驶的基本理论及基本实验，可以说他是未来大型无人驾驶汽车的雏形。

功能特点：

1. 小车搭载了适配深度学习的NVIDIA开发板，配合ROS系统，结合高清摄像头，用纯计算机视觉技术让小车实现各种功能；
2. 小车在无人操控下，能够实现自动识别车道线，并沿车道线内侧行驶；
3. 小车可以检测前方障碍物，遇障碍物自动停止；
4. 小车可以实现红绿灯检测，做到红灯停、绿灯行；
5. 配套教学内容包括“理论+实验”课程，提供课件PPT、讲义、实验手册等；

② 智能无人机

飞思FX310智能无人机是室内智能飞行器，使用高强度碳纤维和3D打印技术相结合设计制造。载重大，飞行时间长。内部采用光流定点，性能优秀，飞行稳定，使用简单，一键起降。主要应用于室内slam导航、视觉跟随、目标识别、人工智能开发等领域。

功能特点：

1. 具有光流增稳、激光定高功能；
2. 支持基于模型设计开发；
3. 支持ROS二次开发；
4. 支持matlab二次开发；
5. 可作为视觉slam导航开发平台；
6. 可作为视觉导航、目标识别、目标跟随等人工智能算法开发平台；
7. 支持光学定位系统、UWB、GPS导航定位；
8. 配套教学内容包括“理论+实验”课程，提供课件PPT、讲解视频、实验手册、教材等；

③ 分拣机械臂

分拣机械臂结合了人工智能视觉相关的知识以及机械臂相关的知识，通过仿真物流分拣的环境让学生更好的学习这两方面的知识。

物流分拣在传送带上会有各种不同类型的货物，分拣机械臂上的摄像头通过目标检测的方式能够识别的不同类型的货物，然后通过控制板控制机械臂准确的抓取货物并将其放入指定货物类型的容器内。

功能特点：

1. 支持运行图像分类、目标检测、图像分割算法；
2. 可自主选择识别的物体，可提供直接使用的算法模型；
3. 支持API调用，可适配多种API场景；
4. 支持手势互动、手势抓取、人脸识别及追踪；
5. 配套教学内容包括“理论+实验”课程，提供课件PPT、讲解视频、实验手册等；

二、无人系统仿真实验区

① 飞思实验室无人系统仿真开发平台

飞思无人系统仿真开发平台是在北航可靠飞行控制组提出的RflySim仿真框架的基础上开发的一体化无人机系统仿真开发平台，专为无人平台控制系统开发、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。

基于此平台可完成飞控仿真教学、集群仿真教学、视觉仿真教学。通过平台完成在仿真环境下的算法学习与验证，掌握基本MATLAB/Simulink编程能力与常用算法应用能力，为实际飞行测试打好基础。

② 硬件在环仿真飞控

设备采用高性能的STM32H7处理器主控芯片，集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁罗盘，支持SD卡飞行记录，开放源代码支持二次开发。

③ 仿真实验平台控制终端

仿真实验平台控制终端是一台高性能台式服务器，运行Windows10操作系统，作为开发主机使用。

④ 实验项目案例

动力系统设计实验

动态建模实验

滤波器设计实验

姿态控制设计实验

失效保护逻辑设计实验

基于视觉目标识别实验

无人机穿框穿环实验

无人机人脸识别实验

无人机、无人车仿真协同实验

三、多智能体协同创新实践区

多智能体协同创新实践区主要由室内光学定位系统、多智能体协同控制系统、集群协同无人机、集群协同无人车四部分组成。包含室内光学定位系统1套，为无人机提供高精度豪米级跟踪定位能力，多智能体协同控制系统1套，提供无人系统协同控制与任务规划能力，集群协同无人机N架，集群协同无人车N辆，用于开展多智能体协同任务规划、协同控制等相关研究与教学实验演示。

平台的系统架构如下图所示：

①  室内光学定位系统

室内光学定位系统布置在实飞实验区域四周，布置区域大小根据科研场所现场而定，主要设备由运动捕捉摄像机、图像定位处理工作站、图像定位解算软件、反光标识点等4部分构成。

② 集群协同无人机

飞行实验平台采用四旋翼机型，具有飞行时间长、载重大、飞行稳定等特点。使用高精度3D打印技术制造，机体小巧轻便，飞行时间长。内部采用激光定高和光流定点，性能优秀，飞行稳定，使用简单，一键起降。搭载协同控制与通讯模块，满足室内智能体无人机协同控制需求。

 ③ 集群协同无人车

应用高强度铝合金设计制造，载重大、减振性能强、运行时间长。运行稳定，使用简单；支持智能体无人车协同控制；采用后置麦克纳姆轮设计，转弯半径小；可与智能体无人机结合进行天地一体协同控制。

④ 多智能体协同控制系统

多智能体协同控制系统为多智能体协同飞行、任务规划控制提供基础平台，主要包括多智能体控制研发工作站、专用无线路由器、数据交换机、多智能体协同控制开发环境、多智能体导航定位系统接口软件、多智能体控制接口软件、多智能体协同控制软件等7个部分组成。

 ⑤ 实验项目案例 

1、定位系统实验

光学运动捕捉系统的原理；

光学运动捕捉定位实验；

2、单机飞行实验

单机定高控制实验

单机位置控制实验

单机姿态控制实验

单机目标跟踪实验

单机穿环实验

基于激光SLAM的自主定位导航避障实验

基于视觉SLAM的自主定位导航避障实验

基于运动捕捉系统的单机定高控制实验

基于运动捕捉系统的单机姿态控制实验

基于运动捕捉系统的单机航线控制实验

3、单车控制实验

基于激光SLAM的自主定位导航避障实验

基于视觉SLAM的自主定位导航避障实验

基于运动捕捉系统的单车轨迹控制实验

4、多机编队飞行实验

多机编队队形设计、保持、变换实验；

多无人机集群顺序圆周编队飞行实验

多无人机集群顺序编队立体“8”字编队飞行实验

多无人机集群顺序编队主从跟随实验

多无人机集群“△”队形，一字型轨迹飞行实验

多无人机集群“○-□-△”队形变换实验

综合实验-队形轨迹实验

5、多车编队运行实验

多车编队队行控制策略实验

多车编队轨迹跟踪实验 

多车编队任务分配策略实验

多车编队顺序圆周行驶实验

6、天地协同编队实验

无人机与无人车协同起降实验

无人机跟随无人车运动飞行实验

无人机-无人车异构时变编队控制策略实验

未知环境下无人机-无人车动态协同实验

四、可视化及体验区

① 虚实结合展示大屏幕

结合无人仿真系统，通过LED大屏幕展示多智能体在仿真环境下运行的效果，同时在在实践区域也有对应的真实场景进行验证，能够做到仿真环境与现实环境同步进行，提供更好的展示效果。

② VR终端设备

结合无人仿真系统，通过VR设备和遥控器，体验者可看到无人机的飞行视角，让学生身临其境的的感受飞行的乐趣，带来全新的沉浸感受。同时，可以锻炼学生的模拟飞行技能，练习各种飞行动作，为未来的实际飞行打下基础。

③ 文化墙

随着多智能体技术的不断发展，无人机、无人车、无人船、机器人等智能体研制、生产成本不断降低，无人系统行业具有旺盛的市场需求和广阔的发展前景。通过文化墙的讲解，可以快速让学生了解认识各类智能体的基本概念、发展历史、系统组成、主要应用场景等内容。

以上是实验室的整体建设内容，卓翼智能将不断完善自身产品体系的打造，同时提升公司服务质量，为高校在专业建设上提供更好的解决方案。

飞思实验室：让无人智能科研更简单！

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新一代信息技术产业正在迅速崛起，飞思实验室作为无人智能教育及科研领先品牌，秉承“让无人智能科研更简单”的理念，经过多年技术迭代，在无人智能体控制、集群、视觉等科研应用方向的研发、自动控制类课程教学及创新及实训类实验室的建设等领域处于行业领导地位。如果你对无人系统仿真及无人集群感兴趣，就请关注我们的公众号，我们将为你带来最新最有价值的行业技术分享。