智能小車(chē)在車(chē)路協(xié)同實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

田杰

摘? 要 車(chē)路協(xié)同實(shí)驗(yàn)課程是智能交通相關(guān)專(zhuān)業(yè)必修課，具有覆蓋知識(shí)面廣的特點(diǎn)。針對(duì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)積極性不高的問(wèn)題，將智能小車(chē)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)車(chē)路協(xié)同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇智能小車(chē)各個(gè)模塊型號(hào)，提出具體的實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，在一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞 智能小車(chē);車(chē)路協(xié)同系統(tǒng);傳感器;無(wú)線通信;ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）20-0119-02

1 前言

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)（Cooperative Vehicle-Infrastructure System，CVIS）是指采用先進(jìn)的傳感器探測(cè)、無(wú)線通信等技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)交通信息采集與融合，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛主動(dòng)安全控制與道路協(xié)同管理，對(duì)緩解道路交通擁堵，提高交通安全水平具有極其重要的作用[1]，是智能交通系統(tǒng)研究的必經(jīng)階段，也是目前智能交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2]。鑒于CVIS對(duì)交通領(lǐng)域具有極其重要的作用，國(guó)內(nèi)也在相應(yīng)高校的交通工程、交通設(shè)備與控制工程等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能交通系統(tǒng)、車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)等課程。

目前，車(chē)路協(xié)同實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要通過(guò)軟件仿真、教師課堂講解以及演示系統(tǒng)來(lái)提高學(xué)生對(duì)于CVIS的認(rèn)識(shí)[3]，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較枯燥、死板，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣不高，收益甚微，嚴(yán)重限制了學(xué)生解決問(wèn)題思維、創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，將智能小車(chē)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)智能小車(chē)的學(xué)習(xí)、研究、開(kāi)發(fā)，促進(jìn)學(xué)生掌握傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、車(chē)路協(xié)同等原理，在增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)趣味性的同時(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和科學(xué)探索精神。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

針對(duì)學(xué)生個(gè)性特征和認(rèn)知水平差異，為保證每位學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)都有所收獲，能力有所提升，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目劃分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分和提高實(shí)驗(yàn)部分，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋紅外、超聲波等傳感器技術(shù)，ZigBee、藍(lán)牙等通信知識(shí)，項(xiàng)目?jī)?nèi)容由淺入深，適合所有學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)? 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，熟悉常見(jiàn)傳感器和通信器件的工作原理和使用方法。該部分實(shí)驗(yàn)較為容易，每個(gè)團(tuán)隊(duì)都能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，感受完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶來(lái)的樂(lè)趣，提高學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性。該部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括以下內(nèi)容。

1）智能小車(chē)安裝與調(diào)試。學(xué)生通過(guò)制作PCB板、焊接電路，掌握PCB焊接技巧、電路調(diào)試方法;通過(guò)對(duì)小車(chē)的調(diào)

試，鞏固常見(jiàn)傳感器、無(wú)線通信的基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉各類(lèi)元器件工作特性，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）智能小車(chē)巡線控制。運(yùn)用Keil軟件編程實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)尋跡運(yùn)動(dòng)，為學(xué)生提供常見(jiàn)的PID控制算法，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)硬件的調(diào)試和軟件的編寫(xiě)，熟悉開(kāi)發(fā)環(huán)境，掌握電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制的原理。實(shí)驗(yàn)要求智能小車(chē)能沿著白色或黑色軌跡運(yùn)動(dòng)。

提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)? 提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目意在提高學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)大致方向，不再提供具體的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生通過(guò)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)揮，網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)資料完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該部分為學(xué)生提供了三個(gè)參考實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1）車(chē)車(chē)通信實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生深入了解無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，加深對(duì)車(chē)車(chē)通信的理解，掌握運(yùn)用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息的采集、處理，應(yīng)用ZigBee技術(shù)完成車(chē)車(chē)之間無(wú)線組網(wǎng)和信息共享。要求實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間速度共享，小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。

2）自適應(yīng)巡航控制。通過(guò)對(duì)超聲波測(cè)距傳感器、紅外測(cè)距傳感器的使用，學(xué)生完成自適應(yīng)巡航控制算法，要求掌握自動(dòng)控制、電機(jī)加速和巡航算法，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)跟車(chē)控制、前車(chē)緊急制動(dòng)、車(chē)與車(chē)間距實(shí)時(shí)測(cè)量的功能。

3）環(huán)境識(shí)別實(shí)驗(yàn)。環(huán)境識(shí)別是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用價(jià)格較低的視覺(jué)傳感器進(jìn)行交通環(huán)境感知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以掌握單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換、讀取攝像頭信息、圖像處理基本方法，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)道線判定、紅綠燈識(shí)別功能。

3 智能小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從技術(shù)角度來(lái)講，智能車(chē)路協(xié)同技術(shù)是應(yīng)用最新的技術(shù)如計(jì)算機(jī)仿真、可信計(jì)算、下一代互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、通信及信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)道路設(shè)施與車(chē)輛的信息化共享和智能化管理，及時(shí)獲得可靠的交通安全信息，提高交通安全性和通行效率。系統(tǒng)主要包括三部分：通信平臺(tái)、智能路側(cè)系統(tǒng)、智能車(chē)載系統(tǒng)。其中智能車(chē)載系統(tǒng)主要對(duì)周?chē)h(huán)境及車(chē)輛自身的狀態(tài)信息進(jìn)行感知;智能路側(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)道路的情況、道路異常、道路幾何狀況及車(chē)流量、平均車(chē)速等信息;通信平臺(tái)則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信，是車(chē)載單元與路側(cè)設(shè)備之間的交互。

智能車(chē)輛關(guān)鍵技術(shù)主要室實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的硬件改造，從兩個(gè)方面進(jìn)行：一是通過(guò)加裝激光雷達(dá)車(chē)載單元、電子羅盤(pán)、陀螺儀、GPS等采集車(chē)輛的姿態(tài)信息、位置信息及行車(chē)環(huán)境等信息;二是通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等安裝控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)車(chē)載單元的智能控制，可以規(guī)避一些危險(xiǎn)、緊急情況。

智能路側(cè)系統(tǒng)部分包含的關(guān)鍵技術(shù)包括硬件和軟件兩方面，主要實(shí)現(xiàn)多通道交通信息采集、多通道路面狀態(tài)信息采集、信息融合及突發(fā)異常事件快速識(shí)別與定位、多模無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

智能小車(chē)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以STC89C52單片機(jī)為微控制器，超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外尋跡模塊與微控制器通過(guò)IO口連接，實(shí)現(xiàn)與障礙物間距測(cè)量、防碰撞、控制小車(chē)運(yùn)行的功能;ZigBee通信模塊、藍(lán)牙通信模塊與微控制器間串口連接，實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)通信信息共享及與手機(jī)APP進(jìn)行通信，控制小車(chē)運(yùn)行。

尋跡模塊設(shè)計(jì)? 尋跡模塊采用ST188型紅外光電對(duì)管，其發(fā)射器是砷化鎵紅外發(fā)射二極管，接收器是高靈敏度的光電三極管，檢測(cè)距離4～13 mm可調(diào)。利用黑、白色對(duì)光線吸收強(qiáng)度不同的原理，當(dāng)檢測(cè)為黑線時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的光線大部分被黑線吸收，反射光線較弱，不足以驅(qū)動(dòng)光敏三極管，此時(shí)三極管無(wú)法導(dǎo)通，輸出為高電平;檢測(cè)為白色平面時(shí)輸出為低電平，通過(guò)判斷輸出電平的大小控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，即可完成智能小車(chē)黑白尋跡。

超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)? 超聲波傳感器發(fā)射頭利用逆壓電效應(yīng)將單片機(jī)產(chǎn)生的40 kHz方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)，接收頭通過(guò)壓電效應(yīng)將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，單片機(jī)記錄發(fā)射時(shí)間t1和接收時(shí)間t2，即可通過(guò)公式D=c（t2-t1）/2求取與障礙物之間的距離[4]。式中D為距離，c為聲速。超聲波接收器輸出信號(hào)為毫伏級(jí)的電壓，不能直接被單片機(jī)識(shí)別，需要前置放大電路，前置放大器選用高集成度的CX20106，其完成對(duì)接收信號(hào)的放大、濾波，最大增益可達(dá)80 db輸出信號(hào)。

組網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)? 車(chē)車(chē)通信的組網(wǎng)技術(shù)采用ZigBee技術(shù)，芯片選用CC2530F256，該芯片具有256 kB的Flash存儲(chǔ)空間和8 kB的RAM，工作頻段2.4 GHz，內(nèi)部集成一個(gè)MAC定時(shí)器、8路輸入12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能獨(dú)立工作，具有功耗低、互操作性強(qiáng)、多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)便捷的優(yōu)點(diǎn)[4]。通過(guò)串口與單片機(jī)連接，將控制信息通過(guò)無(wú)線方式在各個(gè)模塊之間進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)信息共享和相互控制。

軟件設(shè)計(jì)? 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，每個(gè)模塊功能程序獨(dú)立設(shè)計(jì)，將程序以頭文件形式提供給學(xué)生，根據(jù)所選設(shè)計(jì)項(xiàng)目功能，快速查詢對(duì)應(yīng)的程序代碼，通過(guò)查詢傳感器和通信芯片手冊(cè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以在有限的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，提高學(xué)習(xí)積極性，將更多的時(shí)間投入小車(chē)功能設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核與驗(yàn)收

為了科學(xué)、全面、準(zhǔn)確地考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰驮u(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果，使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，最終以學(xué)生答辯的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)收。答辯環(huán)節(jié)要求小組成員講解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所使用的元器件工作原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決思路，現(xiàn)場(chǎng)演示設(shè)計(jì)項(xiàng)目的功能，并針對(duì)該門(mén)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足提出建議?？己司唧w標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）實(shí)物驗(yàn)收：每組成員展示組裝的智能小車(chē)，通過(guò)判定小車(chē)的安裝布局、焊接技術(shù)、小車(chē)尋跡準(zhǔn)確性、小車(chē)運(yùn)行速度給予評(píng)分，占總成績(jī)的30%。

2）項(xiàng)目創(chuàng)新：根據(jù)所選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，演示智能小車(chē)的功

能，通過(guò)判定設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行效果、選題難度、自主創(chuàng)新給予評(píng)分，占總成績(jī)的30%

3）項(xiàng)目答辯：由組長(zhǎng)講解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路，團(tuán)隊(duì)成員輔助回答各個(gè)模塊的工作原理，鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，占總成績(jī)的20%。

4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：以論文的形式書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，讓學(xué)生鍛煉寫(xiě)作能力的同時(shí)，也為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)的排版和寫(xiě)作打下良好基礎(chǔ)，占總成績(jī)的20%。

5 總結(jié)

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)是目前智能交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和知識(shí)應(yīng)用能力。針對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)能力不同，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目劃分為難度不一的實(shí)驗(yàn)，提供實(shí)驗(yàn)所需模塊和對(duì)應(yīng)的參考資料，保證每位學(xué)生都能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)習(xí)積極性。將智能小車(chē)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生課堂玩手機(jī)、打瞌睡現(xiàn)象明顯減少，為學(xué)生參加全國(guó)飛思卡爾比賽、交通科技大賽奠定良好基礎(chǔ)?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]賈鵬，馮明月，張志超.智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16（2）：39-42.

[2]張立立，楊文谷，李大宇，等.基于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維模式的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（7）：29-32.

[3]孫劍，吳志周.車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)一體化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（2）：75-78，111.

[4]張萍.超聲波避障智能小車(chē)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，

2017，38（9）：40-43.