基于智能車競賽的創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計

陳震 牛炯 陳家林 遲書凱 周琳

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院 山東省青島市 266100）

1 引言

實踐是認知的重要來源，學(xué)生通過實踐可以加深對所學(xué)知識的理解和認識，充分將理論知識與實際結(jié)合起來。自動化作為傳統(tǒng)的工科專業(yè)，更是非常注重學(xué)生實踐活動。興趣是最好的老師，將實踐與興趣結(jié)合在一起，才能極大地推動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量?，F(xiàn)在，自動化專業(yè)課程中雖然很多課程都有相關(guān)的實驗課，但是大多以驗證性實驗為主，缺少綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗。還有一些偏理論性的課程沒有實驗課程，學(xué)生只是枯燥的學(xué)習(xí)理論知識，并不能將所學(xué)知識用于解決實際問題，這也導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量下降，對知識的理解不夠深入。另外，傳統(tǒng)的課程實驗存在著項目落后、設(shè)置不合理的情況，對學(xué)生的鍛煉價值和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用有限，而學(xué)科競賽是在緊密結(jié)合課堂教學(xué)及技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量，具有獨特的和不可替代的作用[1]。智能汽車有著廣闊的應(yīng)用前景，一些大學(xué)和研究機構(gòu)也參與到智能汽車的開發(fā)中[2]，但是智能車的研發(fā)不僅需要大量資金，同時也存在安全性的問題，不能直接引入本科教學(xué)。智能車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向自動化、機械、電子、測控專業(yè)特色分明的學(xué)科競賽[3]。其設(shè)計內(nèi)容涵蓋了數(shù)電、模電、電機、傳感器、單片機、自控原理、過程控制等多個課程的知識。該競賽自2006年在清華大學(xué)舉辦第一屆比賽以來，每年舉行一次比賽。至今已成功舉辦14 屆。我校于2007 開始參賽，參賽人數(shù)與成績逐年提高，2019年我校參加智能車競賽培訓(xùn)的人數(shù)達到150 人，智能車競賽已經(jīng)成為自動化專業(yè)最受學(xué)生歡迎的比賽之一?；谝陨峡紤]，本文提出基于智能車競賽的創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計，將智能車競賽中所用到的知識開發(fā)為相應(yīng)的實驗?zāi)K，為相關(guān)理論課程提供實驗項目。同時，學(xué)生通過這些實驗項目也可以學(xué)習(xí)智能車競賽相關(guān)知識，促進我校智能車競賽更進一步。

2 智能車競賽創(chuàng)新實驗平臺設(shè)計

2.1 智能車競賽題目分析

如圖1 所示，2018年智能車競賽分為競速組和創(chuàng)意組，競速比賽按照三個大類、六個組別進行設(shè)置。具體如下：

2.1.1 競速組

（1）光電類：該類別的車模允許采用光電、攝像頭等傳感器進行賽道檢測。完成單車賽道競速比賽。按照所使用的車模種類，分為兩個小組：光電四輪組和光電直立組。

（2）電磁類：使用指定的四輪車模完成比賽。該類別的車模只允許采用普通的磁場傳感器，檢測賽道中作為引導(dǎo)信號的20kHz的交變磁場，完成單車賽道競速比賽。按照車模驅(qū)動電源分為兩個小組：電磁普通組和電磁節(jié)能組。

（3）追逐類：參賽隊伍制作兩個車模完成賽道競速，比賽成績由車模運行時間與通過終點的時間差共同決定。如果在比賽過程中，于規(guī)定路段完成賽道超車，則會有相應(yīng)的時間獎勵。按照賽道引導(dǎo)線形式分為兩個組別：光電追逐組和電磁追逐組

圖1：智能車競賽項目

圖2：智能車創(chuàng)新實驗開發(fā)板

2.1.2 創(chuàng)意組

創(chuàng)意賽類別比賽，要求比賽車模在布置有信標(biāo)的場地內(nèi)完成比賽。參賽車模允許安裝光電傳感器，識別場內(nèi)信標(biāo)的位置，完成信標(biāo)的追逐。參賽車模根據(jù)任務(wù)分為以下兩個組別：雙車對抗組和四旋翼導(dǎo)航組。

2.2 智能車功能模塊分析

2.2.1 共用模塊

是指各類別競賽都需要用到的技術(shù)模塊。

電源模塊：電源模塊負責(zé)給控制器和傳感器供電；

驅(qū)動模塊：電機驅(qū)動模塊負責(zé)驅(qū)動智能車行駛；

通信模塊：通信模塊負責(zé)控制器與上位機之間的通信，便于調(diào)試；

控制模塊：控制模塊將采集到的信號進行處理，負責(zé)智能車沿賽道行駛；

上位機模塊：調(diào)試使用，負責(zé)下發(fā)控制指令或參數(shù)。

表1：智能車功能模塊分解及相關(guān)知識點舉例

表2：實驗任務(wù)與指標(biāo)設(shè)計

2.2.2 專用模塊

每個競賽類別專用的技術(shù)模塊。

信號檢測模塊：信號檢測模塊負責(zé)對賽道信息進行檢測，信號檢測所用傳感器包括：攝像頭、CCD、電感等；

信號調(diào)理模塊：信號調(diào)理模塊對采集到的信號進行放大、濾波、比較等處理，將最終信號傳遞到控制器進行決策使用；

無線充電模塊：在無線節(jié)能組需要使用無線充電模塊，其作用是將電磁線圈發(fā)出的磁場能量轉(zhuǎn)換為電能，對超級電容進行充電。

2.3 相關(guān)知識點挖掘

針對以上功能模塊，我們對其相關(guān)知識點進行挖掘，不同的知識點對應(yīng)于不同的課程，從而可以得到針對不同課程的創(chuàng)新實驗。部分知識點挖掘舉例如表1 所示。

2.4 實驗設(shè)計

以智能車為實驗平臺，將實驗?zāi)K按照難度分為入門級實驗和設(shè)計性實驗，其中入門級實驗提供詳細的實驗步驟指導(dǎo)，設(shè)計性實驗只提供實驗指標(biāo)，不提供具體步驟。將這些實驗與上面知識點一一對應(yīng)，給出實驗原理和部分實驗步驟。

2.5 針對設(shè)計性實驗提出實驗指標(biāo)

按照智能車設(shè)計的實際經(jīng)驗對每個功能實驗提出實驗設(shè)計指標(biāo)，給出兩個例子，如表2。

3 創(chuàng)新實驗平臺實施效果與意義

根據(jù)上述實驗項目，開發(fā)了一套創(chuàng)新實驗開發(fā)板，并投入實驗教學(xué)，該實驗平臺極大地促進了學(xué)生實驗的興趣，對部分理論課程的學(xué)習(xí)有良好的促進作用，做到了以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促改，以競賽為推手，促進教學(xué)相長[4]。同時，這些實驗也對學(xué)生參加智能車競賽有很大幫助，在實驗過程中深化了理論知識，在競賽過程中增加了理論指導(dǎo)，基于此，中國海洋大學(xué)智能車競賽近些年也取得了良好的成績。智能車創(chuàng)新實驗開發(fā)板如圖2 所示。

4 結(jié)論

智能車競賽作為最受自動化專業(yè)學(xué)生歡迎的競賽項目之一，不僅具備創(chuàng)新性、趣味性的特點，更具有專業(yè)性、技術(shù)性的特性。競賽項目在傳統(tǒng)自動化知識的基礎(chǔ)上，開發(fā)了諸多新的應(yīng)用，這極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也給學(xué)生提供了良好的實踐機會。但受制于實驗室場地或經(jīng)費限制，并非所有學(xué)生都有機會參加競賽。本設(shè)計將競賽項目開發(fā)為實驗項目，面向所有同學(xué)，為相關(guān)課程提供了實驗支撐，同時，這又反向支持了競賽的發(fā)展，最終實現(xiàn)了教學(xué)與競賽雙贏。