CarSim軟件在高職院校汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：隨著汽車不斷向智能化發(fā)展，高職院校的汽車專業(yè)教學(xué)也面臨新的挑戰(zhàn)。本文分析了智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)這類新課程在教學(xué)中存在的問題，結(jié)合高職院校的教學(xué)特點，提出在教學(xué)中引入仿真軟件CarSim，以實現(xiàn)自動駕駛相關(guān)新技術(shù)的仿真模擬、動畫播放和數(shù)據(jù)分析等，旨在為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才。以車道保持輔助功能的授課為例，介紹了CarSim軟件在教學(xué)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：CarSim 仿真軟件 高職 汽車專業(yè) 教學(xué)

1 引言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的智能化已越來越凸顯其重要性。智能化指的是汽車搭載智能傳感器、控制器和執(zhí)行器，融合通信、網(wǎng)絡(luò)和人工智能技術(shù)，以V2X信息交換實現(xiàn)自動駕駛，讓駕駛體驗更加安全、舒適和高效。我國對駕駛自動化分為L0-L5級，目前市場上以組合駕駛輔助L2級為主，2022年燃油車在L2及以上的滲透率為32%，而新能源汽車滲透率則達(dá)到了46%，預(yù)計到2025年能達(dá)到70%以上，可見汽車向智能化發(fā)展的強(qiáng)勁趨勢。隨之而來的人才需求也變得更加迫切，但傳統(tǒng)汽車工程人才已不能滿足要求，亟需培養(yǎng)一批既精通軟件又懂汽車技術(shù)的復(fù)合型人才[1]。高職院校傳統(tǒng)的汽車專業(yè)教學(xué)以汽車基礎(chǔ)理論為主，而對于新興技術(shù)的教學(xué)還處于探索階段，已有一些學(xué)者在課程設(shè)計上做出新的嘗試[2-3]?；谶@樣的背景，本文以智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)這門課程為基礎(chǔ)，提出在教學(xué)中引入仿真軟件CarSim，實現(xiàn)自動駕駛相關(guān)新技術(shù)的仿真模擬、動畫播放和數(shù)據(jù)分析等，旨在為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

2 課程教學(xué)面臨的問題

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)這門課程是高職院校汽車專業(yè)新開設(shè)的公共課，涉及傳感器、計算機(jī)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、無線通信、導(dǎo)航定位、模式識別、機(jī)器視覺、智能控制等多種先進(jìn)技術(shù)，是一門跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的全新課程，其覆蓋的知識面非常廣泛，對教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)都帶來了挑戰(zhàn)，當(dāng)前的課程主要存在以下幾點問題。

2.1 課程難度大

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)分為環(huán)境感知層、決策規(guī)劃層和控制執(zhí)行層三個層次[4]，每個層次包含的知識內(nèi)容各不相同。環(huán)境感知層主要是各類智能傳感器，包括超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺傳感器和慣性導(dǎo)航單元，還有導(dǎo)航定位系統(tǒng)、高精地圖、無線通信和C-V2X技術(shù)；決策規(guī)劃層主要是各種識別技術(shù)，包括道路識別、車輛識別、行人識別、交通標(biāo)志識別、交通信號燈識別、駕駛員疲勞識別等，還有路徑規(guī)劃、行為決策等技術(shù)；控制執(zhí)行層主要是車輛的五大控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動控制、制動控制、轉(zhuǎn)向控制、底盤控制和檔位控制，還有各類安全預(yù)警和人機(jī)交互系統(tǒng)等。每個層級涉及到的技術(shù)繁雜，需要教師對各個相關(guān)領(lǐng)域都有所了解，能夠?qū)⒅R融匯貫通。

同時，每個層級也有各自的側(cè)重點，環(huán)境感知層更注重智能傳感器硬件的學(xué)習(xí)，一方面要讓學(xué)生認(rèn)識、了解硬件相關(guān)知識，另一方面也要學(xué)習(xí)不同參數(shù)對硬件性能的影響。決策規(guī)劃層相當(dāng)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的大腦，更注重軟件方面的知識傳授，例如各種識別、規(guī)劃和決策算法?？刂茍?zhí)行層則更接近傳統(tǒng)汽車專業(yè)的知識，其主要的技術(shù)是線控技術(shù)，包括檢測反饋技術(shù)、指令信號處理技術(shù)、轉(zhuǎn)換放大技術(shù)等。根據(jù)這些層級不同的側(cè)重點需要在教學(xué)中引入不同的手段和方法，幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)本門課程。

2.2 技術(shù)更新快

不同于傳統(tǒng)汽車專業(yè)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的更新迭代速度更快，例如環(huán)境感知層的激光雷達(dá)，按照有無旋轉(zhuǎn)部件分為機(jī)械激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)，它們的特點和性能以及在汽車上的應(yīng)用都在不斷更新發(fā)展中，學(xué)習(xí)不同類型激光雷達(dá)的原理，及時了解業(yè)界動態(tài)就成為學(xué)習(xí)這門課程的重要手段。決策規(guī)劃層的內(nèi)容也在不斷更新中，例如各種識別技術(shù)需要教師緊跟技術(shù)前沿，主動學(xué)習(xí)各種前瞻技術(shù)，并將這些知識和應(yīng)用深入淺出地教授給學(xué)生。最后控制執(zhí)行層則是線控技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)的不斷演進(jìn)，不斷需要對傳統(tǒng)汽車底盤技術(shù)有深刻的理解，還需要結(jié)合新的技術(shù)點加以深入，這就對教師高效授課提出了更高的要求。

2.3 實踐機(jī)會少

智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)的技術(shù)雖然繁多，但對學(xué)生而言能實際操作的內(nèi)容卻較少，這與高職學(xué)生喜歡動手實踐的學(xué)情特點不相符，學(xué)生單純學(xué)習(xí)理論知識容易產(chǎn)生枯燥厭煩的情緒，不利于課程的學(xué)習(xí)。如何能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加實踐機(jī)會是本門課程設(shè)計需要思考的問題。尤其是學(xué)習(xí)自動駕駛算法相關(guān)偏軟件的技術(shù)，需要引入工具幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，因此仿真軟件就是一個非常好的選擇，其提供仿真模擬、動畫播放和數(shù)據(jù)分析等功能，幫助學(xué)生更好的理解所學(xué)知識。

3 CarSim軟件介紹

CarSim是一款專門針對車輛動力學(xué)的仿真軟件，可以實現(xiàn)對駕駛員、不同路況和空氣動力學(xué)輸入的響應(yīng)，通過設(shè)置整車各系統(tǒng)的參數(shù)、自定義算法對自動駕駛功能進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果通過三維動畫播放，并生成數(shù)據(jù)分析圖形幫助用戶理解具體功能。其強(qiáng)大的后臺數(shù)據(jù)，包括車型、工況和自動駕駛算法能讓用戶在短時間內(nèi)就完成一次仿真練習(xí)并實時觀察數(shù)據(jù)結(jié)果。CarSim也能與數(shù)學(xué)模型很好地結(jié)合，例如跟Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，建立自動駕駛算法模型，更深入地理解自動駕駛功能。

4 CarSim軟件在汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)在教學(xué)上的問題，以車道保持輔助（LKA）功能的授課為例，介紹CarSim軟件在教學(xué)中的應(yīng)用。LKA是通過主動監(jiān)測汽車行駛時的橫向偏移，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使汽車穩(wěn)定行駛在預(yù)定的車道上，以減輕駕駛員負(fù)擔(dān)、減少交通事故的系統(tǒng)。將CarSim應(yīng)用于教學(xué)中主要從以下三個方面展開。

4.1 分層設(shè)計具象化

學(xué)生在學(xué)習(xí)該系統(tǒng)時，僅學(xué)習(xí)理論知識無法建立起該系統(tǒng)具象化的工作過程，容易產(chǎn)生表面懂了的假象。引入了仿真軟件后，從智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的三個結(jié)構(gòu)層次入手，每個層次都施以具體的展示，幫助學(xué)生理解，真正學(xué)習(xí)到功能內(nèi)涵。

如圖1所示，在環(huán)境感知層用CarSim通過車輛配置來設(shè)置不同傳感器，例如使用毫米波雷達(dá)，那么毫米波雷達(dá)應(yīng)如何分類，如何選擇工作頻段、設(shè)置測距范圍等都可以在此過程中一一向?qū)W生講解，讓學(xué)生對環(huán)境感知層的傳感器有直觀的認(rèn)識。接著配置道路的幾何參數(shù)、附著系數(shù)、阻力系數(shù)、周圍環(huán)境等來設(shè)置不同工況，例如直道和彎道的選擇，啟發(fā)學(xué)生思考在不同的道路下LKA功能應(yīng)該如何運行。在決策規(guī)劃層可以在Matlab/Simulink中構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，設(shè)計不同的車道偏離預(yù)警算法和車道保持控制算法，再放到Carsim中進(jìn)行聯(lián)合仿真，以驗證算法的有效性，可以對學(xué)生講解在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的設(shè)計流程中模型在環(huán)的概念，即在軟件開發(fā)之前先用模型驗證需求，在前期預(yù)防錯誤發(fā)生能有效減小后期軟件開發(fā)中的投入。在控制執(zhí)行層可以通過在CarSim中設(shè)置車輛的操作與運行環(huán)境、告警系統(tǒng)等，實現(xiàn)車輛的控制和預(yù)警，并啟發(fā)學(xué)生思考應(yīng)該何時進(jìn)行干預(yù)，何時進(jìn)行預(yù)警，讓學(xué)生充分理解LKA功能的設(shè)計思路，而不是囫圇吞棗學(xué)習(xí)該功能原理。

4.2 軟件仿真可視化

仿真結(jié)果的可視化體現(xiàn)在：（1）三維動畫演示。通過切換不同視角，可全方位查看車輛在運行過程中各個角度的情況。學(xué)生對軟件的學(xué)習(xí)興趣較高，可在演示過程中鼓勵學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)“彩蛋”功能，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，對軟件操作不畏懼。（2）各參量的線性關(guān)系表示?？v向和橫向的位移、速度與時間的關(guān)系，都可以通過變化曲線圖展示出來，便于分析仿真結(jié)果。ADAS功能的仿真能夠在短時間內(nèi)完成并展現(xiàn)通過數(shù)據(jù)展現(xiàn)，能夠很快吸引學(xué)生注意力，一方面?zhèn)魇诓榭磮D表的方法，另一方面要鼓勵他們自己通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)學(xué)生積極探索和發(fā)現(xiàn)的個人素養(yǎng)。

在環(huán)境感知層，如圖2所示，車輛左右兩側(cè)的矩形方塊標(biāo)識毫米波雷達(dá)在側(cè)面的測距范圍，車輛前端延伸出來的線條是視覺傳感器監(jiān)測到的車道線。在講解該內(nèi)容時要啟發(fā)學(xué)生自己尋找動畫中的“異?！睒?biāo)識，學(xué)生通過尋找、發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步思考標(biāo)識的作用，對不同的感知傳感器的作用和特點能理解更深入。

在決策規(guī)劃層，根據(jù)車道偏離預(yù)警算法對車輛偏離正常行駛軌道進(jìn)行預(yù)警，如圖3所示。在演示動畫后向?qū)W生提問，如何能改變預(yù)警時機(jī)，引出LKA功能中閾值設(shè)定的內(nèi)容，同時介紹不同車型上該功能的表現(xiàn)，能夠讓學(xué)生進(jìn)一步理解功能實現(xiàn)過程。

在控制執(zhí)行層，對車輛的橫向位移進(jìn)行控制，通過將仿真結(jié)果可視化幫助用戶分析車道保持控制的效果。如圖4所示，車輛的橫向?qū)嶋H運行軌跡和目標(biāo)軌跡基本重合，說明車道保持功能的效果良好。

4.3 學(xué)習(xí)實踐任務(wù)化

經(jīng)過課上的講解和演示，課后給學(xué)生布置拓展任務(wù)進(jìn)一步鞏固所學(xué)，例如設(shè)置不同的車型、車輛的各種參數(shù)、不同的工況路徑、算法、修改傳感器的監(jiān)測距離等。一方面檢測了課堂學(xué)習(xí)效果，另一方面通過增加學(xué)生的實操訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，避免一看就會一用就廢的現(xiàn)象。任務(wù)可以讓學(xué)生分組完成任務(wù)，展示仿真結(jié)果并通過具體參量的變化說明修改前后的差異，解釋ADAS功能性能如何通過數(shù)據(jù)解讀。

將學(xué)習(xí)實踐以任務(wù)的形式展開，讓學(xué)生帶著目的來學(xué)習(xí)，而不是一味跟隨老師學(xué)習(xí)，真正讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，更深入理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。小組內(nèi)的同學(xué)共同完成任務(wù)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的意識，形成良好的職業(yè)素養(yǎng)。

5 結(jié)論

將仿真軟件引入汽車專業(yè)的教學(xué)當(dāng)中，一定程度上解決了智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課程存在的問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，將這種新手段融入課程教學(xué)，旨在提升汽車專業(yè)教學(xué)的多樣性、先進(jìn)性，避免了課程老舊、跟不上前沿技術(shù)等問題。在實際實施中還存在一些問題，例如學(xué)生的接受能力有限，需要多次反復(fù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、思考，也要不斷插入鞏固已學(xué)知識點，讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容融會貫通。相信在不久的將來，汽車專業(yè)的學(xué)生對于這類仿真軟件的使用會越來越嫻熟，能涉足的行業(yè)也會越來越廣闊。

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