基于智能汽車競賽平臺的信息類本科學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究

陳祖國 盧 明 吳亮紅

（1.湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學電子與電氣技術(shù)國家級示范實驗室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展， 人工智能技術(shù)逐漸成熟，在各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。這對信息專業(yè)的創(chuàng)新能力和實踐綜合能力提出了更高的要求， 傳統(tǒng)的教育教學方式難以適應(yīng)和滿足當今社會科技發(fā)展的要求[1]。因此，必須想方設(shè)法進行教學改革，通過改革形成科學有效的教育教學方法，以提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力， 使他們能夠成為企業(yè)和社會發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。 據(jù)相關(guān)高校的調(diào)研，目前信息類專業(yè)的實驗教學存在以下共同問題：（1）實驗手段僵化， 大多驗證性實驗只要求學生在特定的實驗平臺上連線；（2）實踐教學中，很少應(yīng)用輔助仿真教學工具；（3）實驗平臺陳舊，難以對其功能進行擴充。

針對高校普遍存在實踐教學環(huán)節(jié)薄弱的問題，借鑒國家舉辦數(shù)學建模、電子設(shè)計、機械設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面專業(yè)競賽的經(jīng)驗，教育部經(jīng)研究決定，委托教育部高等學校自動化教學分委員會（以下簡稱“自動化教學分委員會”），舉辦年度全國大學生智能汽車競賽（高教函〔2005〕201 號）[2]。湖南科技大學依托電子與電氣技術(shù)國家級示范實驗室，通過組織骨干教師對智能汽車設(shè)計知識內(nèi)涵進行解析，構(gòu)建智能汽車競賽平臺，并將其與信息類專業(yè)相關(guān)課程相結(jié)合對本校信息類專業(yè)進行實踐教學改革。 有效地促進了信息類專業(yè)學生綜合實踐能力的培養(yǎng)。

1 構(gòu)建智能汽車競賽平臺

1.1 智能汽車競賽知識體系

智能汽車具有強耦合、非線性等特點，通過組織骨干教師，解析智能汽車設(shè)計知識內(nèi)涵，可將智能汽車設(shè)計整體框架為以下5 個部分，每個部分都包含了豐富且有意義的實踐內(nèi)容。

智能汽車大賽要求車模在規(guī)定的賽道上運行，車模可分為四輪車模以及兩輪直立車模， 而四輪車模又可以分為采用雙電機驅(qū)動車模的C 車模和單電機驅(qū)動的A 車模以及B 車模[3]。 對于四輪車模而言，行走控制相對于直立車模比較簡單， 對于單電機驅(qū)動的A、B車模的行走控制，僅需控制電機運行的同時，配合轉(zhuǎn)向舵機打角即可，而對于雙電機驅(qū)動的C 車模在驅(qū)動電機的同時需要控制兩電機的速度而實現(xiàn)差速的功能，使得車模在過彎的時候能保持較好的姿態(tài)， 在控制過程中可利用電流環(huán)以及速度采集實現(xiàn)對雙電機的雙閉環(huán)控制，使程控差速能更好地接近機械差速的效果。

對于直立式智能車輛模型，其運動控制任務(wù)相對復雜。 智能車輛模型作為被控對象， 其控制輸入是2個直流電機的轉(zhuǎn)速[4]。 但需要實現(xiàn)以下功能：（1）控制直立智能車模的平衡，通過控制兩個電動機的正反轉(zhuǎn)來控制車模的平衡，以使車模保持直立和平衡。 （2）控制直立智能車模的運動速度， 通過調(diào)整直立智能車模的傾斜角度來完成對汽車模型的速度控制，實際上，它最終演變?yōu)橥ㄟ^控制電機的轉(zhuǎn)速來控制車輪轉(zhuǎn)速。（3）控制直立智能車模的方向， 主要是根據(jù)兩個電動機之間的旋轉(zhuǎn)差來完成車模的方向控制。 上述對直立智能車模三種姿態(tài)的控制都是各自獨立進行的。 由于最終都是對同一個控制對象進行控制，因此，這三種姿態(tài)的控制存在相互耦合。因此它們之間存在耦合。在這個過程中需要用到經(jīng)典的PID 控制算法，甚至模糊PID 算法使得車輪的速度盡快地達到期望值[5-6]。

1.2 注重理論課教學，打好基礎(chǔ)

參加智能車競賽實踐活動所需的知識與信息專業(yè)的課程內(nèi)容密切相關(guān)。 湖南科技大學一貫重視對學生進行基礎(chǔ)課程和專業(yè)實踐課程教育， 有針對性地根據(jù)信息專業(yè)的特點進行基礎(chǔ)及專業(yè)課程的設(shè)置。 通過組織專業(yè)骨干教師將智能汽車設(shè)計中的相關(guān)理論知識與學生培養(yǎng)方案和理論課授課體系緊密結(jié)合。 在湖南科技大學，智能車大賽的隊員主要是信息學院的學生，也有少數(shù)機械和計算機專業(yè)的學生參加， 這對信息專業(yè)學生的創(chuàng)新能力提出了更高的要求。 湖南科技大學除設(shè)置電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機原理、單片機系統(tǒng)及應(yīng)用、自動控制等基礎(chǔ)課程外，還設(shè)置了機械類課程和技術(shù)創(chuàng)新方法類基礎(chǔ)課， 這樣學生在進行競賽準備的過程中具備豐富的理論基礎(chǔ)知識。在進行硬件設(shè)計和軟件編程時有傳感器、 控制算法等相關(guān)知識， 并有機械和計算機專業(yè)學生協(xié)同合作完成機械設(shè)計、編程等工作，保證了競賽車模能自主識別道路，并在指定賽道上行走；在進行模型創(chuàng)新制作中，有了技術(shù)創(chuàng)新方法課程所培養(yǎng)的創(chuàng)新思維， 學生可針對車模進行創(chuàng)新設(shè)計[7]。

1.3 舉辦專題講座，提高認識

講座為對智能汽車感興趣的學生提供了學習和交流的良好場所。 講座包括2 個部分：一是骨干教師的專題講座；二是以往參加過智能汽車競賽的學生的專題講座。 講座內(nèi)容以完成智能汽車設(shè)計為目的。 智能汽車團隊從2013 年開始，設(shè)計開發(fā)了講座課件，開設(shè)了累計多達30 課時/每年的專題講座， 學生們可以從講座講授的內(nèi)容和課后交流中了解智能汽車競賽的基本情況，以及競賽所涉及的機械、電氣與電子、計算機等方面的知識。 開設(shè)講座吸引了許多優(yōu)秀的學生，可以通過深化培訓拓展隊員。

1.4 組建競賽創(chuàng)新團隊，培養(yǎng)競賽人才梯隊

參賽隊伍以大三和大三的學生作為骨干，新生和大二的學生作為新生力量。 根據(jù)指導教師的引領(lǐng)，學生通過自主學習實現(xiàn)自我提升。 自成立自主創(chuàng)新團隊以來，團隊每年都將招納新生，補充團隊力量，實現(xiàn)新老隊員有序更替。 招納新隊員的標準是學生應(yīng)對參加智能車比賽有濃厚的興趣，且還應(yīng)具有扎實的理論基礎(chǔ)知識和實踐動手能力。 隊員選拔主要是基于回答評估和實踐操作測評的方法。 選拔完后，將由指導教師和上幾屆獲獎同學組成一個培訓組，利用周末或者寒暑假對新學員進行培訓，幫助新隊員建立一個完備的智能車競賽知識體系。 在比賽準備階段，指導教師全程進行監(jiān)督和指導，每周組織一次經(jīng)驗分享會和問題解決討論會。 團隊根據(jù)學生的水平進行分層管理，對進步比較快和技術(shù)實力比較強的團隊進行重點培養(yǎng)，鼓勵他們?nèi)_刺國家級獎項，對于基礎(chǔ)相對較弱的團隊采用以學習技術(shù)為主、 參賽獲獎為輔的培養(yǎng)模式。讓這些隊伍成為下一年沖刺國家級獎項的新力軍。

2 結(jié)語

全國智能汽車競賽是一項為了培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的探索性工程實踐活動，是教育部倡導的主要大學生科技競賽之一。 該比賽不僅具有科學性和挑戰(zhàn)性，還具有非常好的觀賞性。 該競賽自2005 年舉辦以來，已經(jīng)舉辦了12 屆。 我校從2012 年開始，組織信息類專業(yè)大學生參加了其中的5 屆比賽，獲得國家級獎項10 項，其中一等獎3 項，二等獎5 項，三等獎2 項；獲取全國華南賽區(qū)獎項17 項，其中一等獎7 項，二等獎10 項。 僅依靠有限的經(jīng)費支持和為數(shù)不多的指導教師和學生的努力，獲此成績當屬不易，這與教師依托電子與電氣技術(shù)國家級示范實驗室，全力構(gòu)建智能汽車競賽平臺，實施的實驗教學與競賽相結(jié)合的實驗教學改革是分不開的。