AI虚拟仿真从入门到参赛

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书名：AI虚拟仿真从入门到参赛

ISBN：978-7-115-65112-9

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版　　权

主  编 李　博　金　鑫

责任编辑 李永涛

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

读者服务热线：(010)81055410

反盗版热线：(010)81055315

内 容 提 要

本书全面探讨人工智能三维仿真竞赛，包括竞赛的立意、类型和流程，并详细介绍人工智能三维仿真软件的核心功能，如编程、控制、循迹、定位等的应用。

本书首先介绍人工智能三维仿真竞赛的基础知识，为读者打下坚实的理论基础；其次转向人工智能三维仿真软件的详细教学，通过具体案例强化读者的学习效果；最后总结人工智能三维仿真竞赛中的常见任务类型，并结合历史竞赛案例，为读者提供实际参考。

本书适合准备参加人工智能三维仿真竞赛的读者，以及对机器人设计和编程感兴趣的广大科技爱好者阅读。无论是竞赛新手还是有一定竞赛经验的读者，都能从本书中受益，提升自己的技术水平并激发创新思维。

丛 书 序

党的二十大报告提出，必须坚持“创新是第一动力”，“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位”。把握发展的时与势，有效应对前进道路上的重大挑战，提高发展的安全性，都需要把发展基点放在创新上。只有坚持创新是第一动力，才能推动生产力高质量发展，塑造我国的国际合作和竞争新优势。

在当今时代，创新是科学研究或企业发展的基础，它已经深入社会的每一个角落。为适应时代的发展，创新教育格外重要。创新教育鼓励学生摆脱被动的学习方式，通过实践、探索和体验，积极地掌握知识与技能。这种教育模式旨在培养学生的创新思维和解决问题的能力，为他们未来在各个领域的颠覆性创新打下坚实的基础。

“青少年科技创新大赛丛书”正是基于这种教育理念编写的。该丛书由创新教育专家、竞赛评委、一线获奖名师精心研讨编写，汇集了全国众多创客名师的教学和竞赛经验，这不仅是一套书，还是一套完整的创新入门课程。该丛书提供了项目学习过程中所需的相关配套数字资源，为师生提供了明确的教学指引和自学支持，能够帮助全国各地师生达成从入门到参赛的快速提升。

该丛书围绕3D创意设计、创客制作、人工智能、工程挑战4门主要课程，提供了系统而富有趣味的学习内容。该丛书所选案例均来自教育部审核并公示的面向中小学生的全国性竞赛活动，与省、市级的竞赛活动衔接。该丛书通过项目引路的形式，对一个个学生的作品进行深入解析，剖析其背后的学习和思考路径，由易到难、由浅入深地完整展现了创新项目学习所需的全环节和全过程，并确保每个项目、每个工程都具有实际的教育意义和应用价值。

相信该丛书能为中小学生、科技创新教育工作者、教师提供有价值的案例和思路，为学校科技创新特色发展模式的构建提供参考，为我国未来科技创新人才的培养贡献力量。

北京中望数字科技有限公司教育发展部总经理　王长民

2025年1月

前  言

人工智能三维仿真竞赛自启动以来，其凭借独特魅力和无限潜力迅速在校园中引发了广泛的讨论和热情的参与。这项竞赛不仅将人工智能技术与学科内容紧密结合，更提供了一个全新的虚拟线上挑战平台，让选手在模拟的三维环境中解决实际问题。这种创新方式极大地激发了选手的创造力和想象力，使他们在解决问题的过程中，不仅锻炼了技能，还丰富了学习体验，提高了学术竞赛能力。

为了满足广大读者的需求，我们精心编写了这本面向零基础读者的人工智能三维仿真竞赛指导用书。本书的内容详尽而全面，涵盖从软件安装与注册到实用的电子件选用，再到程序编写等多个方面，为选手提供系统而深入的指导。此外，我们还特别分享了往届竞赛的案例，帮助读者更好地了解竞赛规则，提高竞赛水平。

通过本书以及配套的电子资源（下载方法见封底），读者可以将深奥的人工智能和三维虚拟仿真知识应用于生动、有趣的闯关式挑战。无论是竞赛新手还是有一定竞赛基础的读者，都能通过本书轻松感受人工智能三维仿真竞赛的独特魅力和创新形式。

在人工智能日益发展的今天，人工智能三维仿真竞赛已经成为一个展示最新人工智能技术的重要平台。通过这个平台，选手可以锻炼自己的实践能力，拓宽学术视野，提升综合素质。同时，竞赛也为广大师生提供了一个相互学习、交流的机会，促进了人工智能技术在教育领域的普及和应用。

在本书的编写过程中，我们荣幸地得到了来自全国相关竞赛的优秀竞赛教师、裁判、专家的无私帮助和支持。正是这些专业人士的宝贵意见与建议，让我们的书稿更加充实和完整。在此，我们向他们表示衷心的感谢。

同时，我们深知，本书作为一部具有指导性质的作品，承载着为广大读者提供宝贵经验和实用知识的使命。在编写过程中，我们始终坚持严谨、求实的态度，力求将权威、前沿的研究成果和实践经验融入其中。然而，我们也明白，任何一部作品都不可能完美无缺。我们真诚地欢迎广大读者提出宝贵的意见和建议。您的每一条意见，都将成为我们改进的动力；您的每一个建议，都将促使我们不断进步。联系电子邮箱：jinglingyaosai@126.com。

总之，人工智能三维仿真竞赛是一项充满挑战和机遇的竞赛活动。通过本书，我们相信会有更多的爱好者加入这项竞赛，共同探索人工智能的奥秘，为未来的科技发展贡献自己的力量。

编者

2025年1月

丛书编委会

主  编

张　帆

副 主 编

蒋云飞　熊春复　李　博　彭　莉

专家顾问（排名不分先后）

张淑芳　孙洪波　何若晖　谢　琼　郭丽静　任鹏宇　蔡　琴　石润甫　李欣欣

蒋　礼　林　山　安文凤　江丽梅　孙小洁　钟嘉怡　何　超　杜明明　康文霞

本书编委会

主 编

李　博　　北京中望数字科技有限公司

金　鑫　　中国人民大学附属中学丰台学校

副主编

路　涛　　安徽省阜阳市太和县三堂镇第四小学

崔恩锋　　济南舜文中学

苑　娜　　河北省廊坊市第七中学

罗永中　　新疆生产建设兵团第二中学

编委（排名不分先后）

郝　文　　山东省淄博市桓台县马桥镇陈庄小学

张文宇　　北京师范大学大连普兰店区附属学校

张丽丽　　安徽省宿州市泗县泗城第一小学

张静波　　潍坊杰睿教育培训学校

鸣谢

北京中望数字科技有限公司

i3DOne社区

第1章　人工智能三维仿真竞赛简介

本章要点

● 人工智能三维仿真竞赛的立意。

● 人工智能三维仿真竞赛的类型及特点。

● 人工智能三维仿真竞赛的流程。

1.1　人工智能三维仿真竞赛的立意

随着科技的飞速发展和数字化时代的来临，人工智能已成为推动社会进步的重要力量。为了培养未来人工智能时代的科技型人才，人工智能三维仿真竞赛应运而生，这项竞赛不仅体现了科技与艺术的完美结合，也为学生提供了认知先进技术的窗口，无地域限制、纯线上的竞赛模式为实现更大规模的科技创新教育公平提供了强有力的抓手。这项竞赛在推进综合学科验证、促进教育公平化、加速竞赛与学科融合、保障竞赛安全可靠等方面发挥了重大作用，为我们的社会带来了实质性的影响。

1.1.1　推进综合学科验证

竞赛作为人工智能教学的有效手段，可以激发选手的学习兴趣和热情，提高其竞赛水平和团队协作能力，同时可以为选手提供一个交流和学习的平台，帮助选手增强竞争意识。设定的竞赛规则融合了面向中小学年龄段的学科知识，并将这些知识作为竞赛考查方向，如人工智能算法、机器人运动的原理、时间和速度及路程的关系、结构设置的稳定性等。选手在制作竞赛方案时会将其在学校中学习的知识与实践相互融合，从而完成方案的制作。

1.1.2　促进教育公平化

人工智能三维仿真软件打破了传统教育的时空限制，让选手可以随时随地参与竞赛。人工智能三维仿真软件为选手提供了更加灵活的学习方式，使更多选手能够接触到优质的教育资源。即使偏远山区的选手也可以接触到与城市选手基本相同的教育资源，从而减少了教育不平等现象的出现，提高了选手学习的效率和自主性。将人工智能三维仿真软件与竞赛相结合可以提高竞赛效率、降低竞赛成本等。人工智能三维仿真软件有自动判分功能，可以规避由裁判主观评判导致错误的风险，为教育提供更加公平、灵活、有趣和智能化的支持，促进教育的普及和公平化。

1.1.3　加速竞赛与学科融合

竞赛考查点围绕中小学课标知识点制定，倾向于考查选手的编程逻辑及策略规划能力。在竞赛任务设计中涵盖学科中的知识点，例如数学、科学、信息技术、人工智能、物理等学科及跨学科的知识点，在不同年龄段的任务中进行了知识的分层，使考查的知识维度符合选手所在年龄段的认知需求，例如在部分小学组的竞赛任务中涉及数学学科的知识点，如时间和速度及路程之间的关系。在竞赛中，选手需要通过探索在固定功率下机器人行驶路程与时间的关系，从而引出“速度×时间=路程”这一公式。在初中、高中组的竞赛任务中还会涉及向量、算法等知识点。人工智能三维仿真竞赛通过实践的方式将学科知识点融入对竞赛技能的考查、评估和实际应用中，验证选手对特定学科知识点的掌握和应用能力。这种任务式的学习活动可提升选手集中注意力的能力，以及提前设定目标、创造无干扰环境、使用时间管理技巧、进行多任务处理等方面的能力，使选手通过积极思考、运用批判性思维进行逻辑推理并解决问题，提升分析能力。

1.1.4　保障竞赛安全可靠

青少年科技创新竞赛项目繁多，其中部分项目若操作不当易引发安全事故。针对潜在危险性较高的竞赛项目，采用虚拟仿真场景进行竞赛已成为一种高效且安全的替代方案。例如，在以往的传统穿越机飞行竞赛中，选手的误操作可能导致飞行器失控坠毁，若碰撞到人员，其后果将难以估量。

虚拟仿真技术的应用，则为解决这一问题提供了有力支持。通过构建高度逼真的模拟环境，该技术能够再现火灾现场、工业生产、农田喷灌、气象监测等多种复杂且危险的飞行场景，从而在确保竞赛安全的同时，进一步提升了竞赛的拓展性和趣味性。

1.2　人工智能三维仿真竞赛的类型及特点

人工智能三维仿真竞赛作为近年来的新兴赛事，正吸引着越来越多的科技爱好者和师生的参与。下面将详细介绍几种常见的人工智能三维仿真竞赛类型及特点。

人工智能三维仿真竞赛因不受器材及环境的影响，竞赛类型较为多样化，也能兼顾不同年龄段选手的特点及考查方向，从而让选手在参赛时有更多的选择空间。人工智能三维仿真竞赛大致可分为编程手动控制类竞赛、编程自动控制类竞赛、编程手动结合自动类竞赛、虚实结合类竞赛4类，接下来将逐一介绍这4类竞赛的特点。

一、编程手动控制类竞赛

该类竞赛的形式分为搭建机器人和非搭建机器人，要求选手通过编写手动控制类程序，操控机器人完成场景任务。该类竞赛的整体参与门槛较低，但竞赛任务及任务道具普遍较多，考查选手在固定时间内通过策略优化操控内容的能力，需要其在较短的时间内获得较高的任务分数。

二、编程自动控制类竞赛

该类竞赛的形式也分为搭建机器人和非搭建机器人，主要考查选手对编程逻辑的理解能力。该类竞赛的任务相对单一，但普遍较少，大多为重复性任务，考查选手的程序的稳定性及策略，需要选手在较短的时间内获得较高的任务分数。

三、编程手动结合自动类竞赛

该类竞赛结合了手动模式和自动模式。

在手动模式下，选手可以编写程序并使用键盘手动操控机器人完成指定任务。这要求选手具备良好的编程能力和逻辑思维能力，以便在手动模式下顺利运行程序。

在自动模式下，机器人需要根据预先设定的程序和指令自动完成一系列任务。这要求选手具备良好的算法和数据结构知识，以便编写出高效、稳定的自动控制程序和指令。

四、虚实结合类竞赛

该类竞赛分为两个环节，实物环节需要真实机器人完成任务，虚拟环节需要选手在人工智能三维仿真软件中完成任务。实物环节中的任务为编程手动控制类任务，虚拟环节中的任务为编程自动控制类任务。该类竞赛大多为团队赛，考查选手相互配合的能力。

1.3　人工智能三维仿真竞赛的竞赛须知

人工智能三维仿真竞赛的流程设计得既科学又高效，旨在充分展示选手的能力并促进人工智能技术的交流与发展。了解和熟悉竞赛的流程，对于合理安排参赛时间并进行有效备赛至关重要。

1.3.1　常规白名单竞赛时间

组委会不同，竞赛时间也会有差别，本书介绍的竞赛时间为常规白名单竞赛时间。组委会会在每年2~3月公示当年新竞赛赛项，3~6月进行选拔赛报名及竞赛，7~8月开始决赛。

1.3.2　竞赛的流程梳理

一、竞赛信息查询

选手需通过竞赛网站查询系统自行查询比赛账号、比赛密码、比赛时间、考场号、腾讯会议号等信息，如图1-1所示。查询系统在赛前由组委会提供。

图1-1

二、赛前环境测试准备流程安排

在赛前准备时，选手需要详细阅读参赛手册，并自行完成赛前环境测试。赛前环境测试准备流程如下。

（1）检查软件版本。举例：选手使用的软件为3D One AI中望人工智能三维仿真软件“教育版　版本2.63”。检查方法：单击软件右上方的“？”，弹出的菜单如图1-2所示，选择“关于”。打开的对话框的内容显示软件版本为“教育版　版本2.63”，如图1-3所示。具体要求使用的软件版本以当年竞赛公示为准。

图1-2

图1-3

（2）如未安装软件，请登录青少年三维创意社区i3DOne，根据计算机系统配置情况选择32位或64位版本软件进行安装。具体操作方法请参考2.2节的内容。

（3）模拟使用比赛账号登录，并熟悉下载场景、打开场景、编写程序、保存场景、启动仿真、提交成绩、退出仿真等操作。

（4）了解切换比赛账号的方法。

① 退出平常练习时使用的账号，如图1-4所示。

图1-4

② 使用比赛账号登录，如图1-5所示。

图1-5

正式竞赛的流程如表1-1所示。

表1-1

1.3.3　选手自备物料清单

选手自备物料清单如表1-2所示。

表1-2

1.3.4　备赛常见问题、处理方法及注意事项

备赛常见问题、处理方法及注意事项如表1-3所示。

表1-3