基于OBE理念的無人駕駛車輛課程實驗平臺設(shè)計

熊光明，龔建偉，陳慧巖

基于OBE理念的無人駕駛車輛課程實驗平臺設(shè)計

熊光明，龔建偉，陳慧巖

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

無人駕駛車輛課程是面向車輛工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課。針對該課程研究制定了基于OBE 理念的課程培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱，以及相應(yīng)的實驗教學(xué)內(nèi)容和課時分配。為了使學(xué)生根據(jù)需要進(jìn)行分階段學(xué)習(xí)，設(shè)計了基于PreScan的仿真實驗平臺、基于V-REP的仿真實驗平臺和實車實驗平臺，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實踐結(jié)合起來，從而達(dá)到教學(xué)大綱要求的學(xué)習(xí)效果。

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式；無人駕駛車輛；教學(xué)實驗平臺

智能車輛技術(shù)發(fā)展如火如荼，隨之而來相關(guān)人才緊缺問題日益凸顯。我校機(jī)械工程2016版碩士研究生培養(yǎng)方案中增設(shè)了智能車輛相關(guān)課程[1]，并于2017年、2018年度進(jìn)行了課程教學(xué)實踐。

目前，在車輛工程本科生培養(yǎng)方案中，也增設(shè)了無人駕駛車輛課程。按照學(xué)校要求，新增設(shè)課程應(yīng)全面落實“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的理念，關(guān)注學(xué)習(xí)成效，持續(xù)提升人才培養(yǎng)水平。本課程組在智能車輛研究生課程教學(xué)實踐基礎(chǔ)上，按照OBE[2-4]的理念，承擔(dān)了2018年我校教育教學(xué)改革專項——基于ILOs的無人駕駛車輛本科生課程建設(shè)，并開展了相關(guān)工作。

1 基于OBE的無人駕駛車輛教學(xué)大綱設(shè)計

OBE課程的關(guān)鍵是學(xué)生的參與度和學(xué)生的積極性。在教學(xué)策略方面，強(qiáng)調(diào)實施“研究型教學(xué)模式和個性化教學(xué)”，以學(xué)生預(yù)期能力的達(dá)成為導(dǎo)向[5-7]，給學(xué)生期望與動力，并給他們提供努力的框架與方向；強(qiáng)調(diào)采用多元和梯次的評價標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生進(jìn)行“個性化”評價。我校在車輛工程本科生培養(yǎng)方案中，增加了電動汽車、智能汽車2個專業(yè)課模塊，在每個模塊中設(shè)立多門相關(guān)課程，其中智能汽車模塊包括無人駕駛車輛課程。車輛工程本科生培養(yǎng)方案，對畢業(yè)要求（指標(biāo)點(diǎn)）作出了明確的規(guī)定。

根據(jù)OBE理念，研究制定了無人駕駛車輛課程教學(xué)大綱，疏理出無人駕駛車輛課程關(guān)鍵知識點(diǎn)，對課程教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)效果評價進(jìn)行了詳盡的分類描述。

無人駕駛車輛課程共有8個教學(xué)子目標(biāo)，表1是對其中一個子目標(biāo)及其教學(xué)效果評價的描述。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)效果評價

按照OBE理念，無人駕駛車輛課程教學(xué)大綱還明確了課程教學(xué)目標(biāo)與所支撐的畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 教學(xué)目標(biāo)與所支撐的畢業(yè)要求

2 實驗內(nèi)容與課時分配

無人駕駛車輛課程是面向車輛工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課程，要求學(xué)生具有比較扎實的控制理論、車輛理論、計算機(jī)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)和編程操作等知識和能力。課程涉及面廣、知識點(diǎn)難度大，且注重編程操作練習(xí)，僅靠理論教學(xué)是無法使學(xué)生掌握無人駕駛車輛理論與設(shè)計方法的[8]。

無人駕駛車輛的開發(fā)通常采用V循環(huán)研發(fā)理念，通過將仿真設(shè)計、實車驗證、離線場景再現(xiàn)3個階段相結(jié)合，驗證設(shè)計方案的可行性。在仿真設(shè)計階段，可以通過仿真平臺和編程軟件，對開發(fā)任務(wù)進(jìn)行定義、設(shè)計和驗證，用于指導(dǎo)之后的實車驗證。在設(shè)計實驗平臺時，一般要求平臺各功能模塊相對獨(dú)立，方便學(xué)生分階段進(jìn)行有針對性的學(xué)習(xí)[9]。為此，在32學(xué)時的課程中，安排了10學(xué)時的實際操作訓(xùn)練，具體安排如圖1所示，包括基于PreScan仿真平臺的實驗5學(xué)時、基于V-REP仿真平臺的實驗3學(xué)時和實車實驗2學(xué)時。

圖1 課程內(nèi)容學(xué)時安排

3 基于PreScan的仿真實驗設(shè)計

PreScan仿真平臺的設(shè)計主要有交通場景建模、車輛數(shù)學(xué)建模及車載傳感器配置、車輛控制系統(tǒng)建模和運(yùn)行仿真4個步驟，可以用來預(yù)測和仿真車輛對外界環(huán)境的感知、車輛碰撞檢測以及對車車/車路通信進(jìn)行性能評價等[10]。為開展該仿真實驗，建立了相應(yīng)的實驗系統(tǒng)，包括Matlab/Simulink程序界面、PreScan工作界面和仿真運(yùn)行界面。

運(yùn)用基于PreScan的仿真實驗平臺，可以讓學(xué)生根據(jù)課堂上學(xué)到的理論知識，在Matlab/Simulink中搭建模型并編寫程序，用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)車道線檢測和車輛/行人檢測，并根據(jù)這些基本能力實現(xiàn)自動緊急制動、自適應(yīng)巡航控制、車道線保持、換道等功能。

為了檢驗學(xué)生對綜合知識的運(yùn)用，搭建了圖2所示的交通實驗場景：行人被貨車完全遮擋，未進(jìn)入車輛視野；車輛的運(yùn)動方向為沿車道線直線行駛；遮擋車輛停在路口等待左轉(zhuǎn)；行人從遮擋車輛前方?jīng)_出，橫穿馬路。讓學(xué)生根據(jù)這一場景完成基于V2X的遮擋環(huán)境下行人避撞系統(tǒng)設(shè)計及編程實現(xiàn)。

圖2 交通實驗場景

課程安排了深度學(xué)習(xí)在無人駕駛車輛應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容。PreScan軟件具有交通場景建模能力，交通場景的背景、天氣、光照等均可自行設(shè)置，為實驗教學(xué)中大量交通場景數(shù)據(jù)的采集提供了思路。以檢測交通限速標(biāo)志（見圖3）為例，運(yùn)用基于PreScan的仿真實驗平臺，可以采集大量不同車速、不同距離、不同背景條件下的交通場景數(shù)據(jù)，用以作為深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練所需的樣本數(shù)據(jù)。從采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)開始，學(xué)生就可參與進(jìn)來，接著是建立模型、訓(xùn)練模型、集中測試等全過程，使學(xué)生知其然更知其所以然，增強(qiáng)了學(xué)生的參與感和獲得感。

圖3 交通限速標(biāo)志

4 基于V-REP的仿真實驗設(shè)計

基于V-REP（virtual robot experimentation platform）的仿真實驗平臺設(shè)計主要包括環(huán)境搭建、控制體添加、腳本編寫和仿真運(yùn)行。V-REP可以獨(dú)立進(jìn)行仿真，但為了方便進(jìn)行數(shù)值計算和算法設(shè)計，也可借助Visual Studio、Matlab等軟件與V-REP進(jìn)行聯(lián)合仿真[11]。

4.1 設(shè)置Matlab與V-REP的通信

在Matlab中加載V-REP的庫文件，可以方便地在Matlab中使用V-REP的庫函數(shù)。

在V-REP端：

simExtRemoteApiStart(5050,250,false,false)

在指定的端口服務(wù)器上啟動一個臨時的遠(yuǎn)程API服務(wù)器。

在Matlab端：

V-REP=remApi('remoteApi'); %加載庫文件

V-REP.simxFinish(–1); % 關(guān)閉所有連接

clientID=V-REP.simxStart('127.0.0.1',5050,true,true,500,CommThreadCycleInMs);

啟用與服務(wù)器的通信，在成功連接之前保持等待。

4.2 在V-REP中搭建場景和模型

結(jié)構(gòu)化道路場景包括直道、彎道、路口、停車場和路肩等元素。首先使用作圖軟件繪制出這些元素的圖片素材；在V-REP中繪制想要的道路形狀實體；把圖片素材添加上去并調(diào)整到合適的位置；完成場景的搭建。

根據(jù)車輛運(yùn)動特點(diǎn)搭建車輛基本框架，包括發(fā)生動力學(xué)關(guān)系的車身和車輪，以及產(chǎn)生運(yùn)動的關(guān)節(jié)。為使模型中的車輛更加逼真，可使用三維建模軟件繪制車身和車輪，將三維模型導(dǎo)入V-REP中，完成車輛模型的搭建。

4.3 在V-REP中編寫控制腳本

在V-REP中編寫腳本，接收控制命令，設(shè)置目標(biāo)關(guān)節(jié)的速度和轉(zhuǎn)角。所建立的Matlab/V-REP聯(lián)合仿真平臺如圖4所示。

4.4 在Matlab中編寫控制程序

利用設(shè)計好的基于V-REP的可視化仿真實驗平臺，學(xué)生可根據(jù)學(xué)到的理論知識，在Matlab中編寫路徑規(guī)劃和路徑跟蹤程序、進(jìn)行運(yùn)行仿真實驗等。通過該平臺，可以直觀地看到無人車輛按照所編寫的程序的運(yùn)行結(jié)果，通過編寫不同程序或修改參數(shù)，可實時看到不同的運(yùn)行效果

。

圖4 Matlab/V-REP聯(lián)合仿真平臺

5 實車實驗設(shè)計

圖5為課程組研制的Ray無人駕駛汽車。該車采用一體化設(shè)計方法，并通過總線實現(xiàn)了對車輛電控化底層執(zhí)行單元的控制，實現(xiàn)了對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)電控、自動變速器、電動駐車制動、組合儀表和燈光的協(xié)調(diào)控制[12]，獲得第五屆“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”第一名。該無人車用作本課程的實車實驗用車。車前安裝有毫米波雷達(dá)和單線激光雷達(dá)，車頂安裝有32線激光雷達(dá)和雙目視覺。學(xué)生結(jié)合該實際的無人車輛，可以對車輛的功能需求、總體設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計、無人車實車測試等內(nèi)容展開討論，并可把仿真實驗中的相關(guān)算法，如車道線檢測、車輛/行人檢測、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等，通過修改移植，在實車上進(jìn)行測試。

圖5 實車平臺

6 結(jié)語

制定了基于OBE理念的本科生無人駕駛車輛教學(xué)大綱，明確了課程教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)效果評價以及課程教學(xué)目標(biāo)與所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。學(xué)生在理論知識學(xué)習(xí)之后，再通過所設(shè)計的實驗項目進(jìn)行編程實踐練習(xí)（包括仿真環(huán)節(jié)和實車環(huán)節(jié)），使學(xué)生的學(xué)習(xí)不只停留在理論階段，而是在實踐中升華。這種方式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感，從而使學(xué)生對課程有更加深入的理解，進(jìn)而達(dá)到教學(xué)大綱要求的預(yù)期學(xué)習(xí)效果。

[1] 陳慧巖，熊光明，龔建偉，等.智能車輛理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2018.

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[11] 陳慧巖，熊光明，龔建偉.無人駕駛車輛理論與設(shè)計[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2018.

[12] 陳慧巖，熊光明，龔建偉，等.無人駕駛汽車概論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

Design of driverless vehicle course experimental platform based on OBE idea

XIONG Guangming, GONG Jianwei, CHEN Huiyan

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The Driverless Vehicle course is a professional course for the Vehicle Engineering major. Based on the research of this course, the objective and syllabus of course training based on OBE (outcome-based education) idea are formulated as well as the corresponding experimental teaching content and class time allocation. For students to learn in stages according to their needs, a simulation experiment platform based on PreScan, a simulation experiment platform based on V-REP and a real vehicle experiment platform are designed to enable students to combine theory with practice so as to achieve the learning effect required by the syllabus.

education model based on OBE; driverless vehicle; teaching experimental platform

TP391.9；G434

A

1002-4956(2019)12-0182-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.043

2019-03-22

北京理工大學(xué)教改項目（教[2018]98-9）

熊光明（1975—），男，江西高安，博士，副教授，主要從事智能車輛技術(shù)教學(xué)科研工作。E-mail: xiongguangming@bit.edu.cn