基于智能汽車競賽平臺的信息類本科學生實踐創新能力培養研究

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國家級示范實驗室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展， 人工智能技術逐漸成熟，在各行業中的應用日益廣泛。這對信息專業的創新能力和實踐綜合能力提出了更高的要求， 傳統的教育教學方式難以適應和滿足當今社會科技發展的要求[1]。因此，必須想方設法進行教學改革，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，培養學生的實踐能力和創新能力， 使他們能夠成為企業和社會發展需要的創新型人才。 據相關高校的調研，目前信息類專業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節薄弱的問題，借鑒國家舉辦數學建模、電子設計、機械設計、結構設計等方面專業競賽的經驗，教育部經研究決定，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國家級示范實驗室，通過組織骨干教師對智能汽車設計知識內涵進行解析，構建智能汽車競賽平臺，并將其與信息類專業相關課程相結合對本校信息類專業進行實踐教學改革。 有效地促進了信息類專業學生綜合實踐能力的培養。

1 構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，解析智能汽車設計知識內涵，可將智能汽車設計整體框架為以下5 個部分，每個部分都包含了豐富且有意義的實踐內容。

智能汽車大賽要求車模在規定的賽道上運行，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動車模的C 車模和單電機驅動的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，配合轉向舵機打角即可，而對于雙電機驅動的C 車模在驅動電機的同時需要控制兩電機的速度而實現差速的功能，使得車模在過彎的時候能保持較好的姿態， 在控制過程中可利用電流環以及速度采集實現對雙電機的雙閉環控制，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個直流電機的轉速[4]。 但需要實現以下功能：（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，它最終演變為通過控制電機的轉速來控制車輪轉速。（3）控制直立智能車模的方向， 主要是根據兩個電動機之間的旋轉差來完成車模的方向控制。 上述對直立智能車模三種姿態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

參加智能車競賽實踐活動所需的知識與信息專業的課程內容密切相關。 湖南科技大學一貫重視對學生進行基礎課程和專業實踐課程教育， 有針對性地根據信息專業的特點進行基礎及專業課程的設置。 通過組織專業骨干教師將智能汽車設計中的相關理論知識與學生培養方案和理論課授課體系緊密結合。 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，也有少數機械和計算機專業的學生參加， 這對信息專業學生的創新能力提出了更高的要求。 湖南科技大學除設置電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、微機原理、單片機系統及應用、自動控制等基礎課程外，還設置了機械類課程和技術創新方法類基礎課， 這樣學生在進行競賽準備的過程中具備豐富的理論基礎知識。在進行硬件設計和軟件編程時有傳感器、 控制算法等相關知識， 并有機械和計算機專業學生協同合作完成機械設計、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；在進行模型創新制作中，有了技術創新方法課程所培養的創新思維， 學生可針對車模進行創新設計[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。 講座內容以完成智能汽車設計為目的。 智能汽車團隊從2013 年開始，設計開發了講座課件，開設了累計多達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。 開設講座吸引了許多優秀的學生，可以通過深化培訓拓展隊員。

1.4 組建競賽創新團隊，培養競賽人才梯隊

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。 根據指導教師的引領，學生通過自主學習實現自我提升。 自成立自主創新團隊以來，團隊每年都將招納新生，補充團隊力量，實現新老隊員有序更替。 招納新隊員的標準是學生應對參加智能車比賽有濃厚的興趣，且還應具有扎實的理論基礎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督和指導，每周組織一次經驗分享會和問題解決討論會。 團隊根據學生的水平進行分層管理，對進步比較快和技術實力比較強的團隊進行重點培養，鼓勵他們去沖刺國家級獎項，對于基礎相對較弱的團隊采用以學習技術為主、 參賽獲獎為輔的培養模式。讓這些隊伍成為下一年沖刺國家級獎項的新力軍。

2 結語

全國智能汽車競賽是一項為了培養大學生創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性，還具有非常好的觀賞性。 該競賽自2005 年舉辦以來，已經舉辦了12 屆。 我校從2012 年開始，組織信息類專業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；獲取全國華南賽區獎項17 項，其中一等獎7 項，二等獎10 項。 僅依靠有限的經費支持和為數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國家級示范實驗室，全力構建智能汽車競賽平臺，實施的實驗教學與競賽相結合的實驗教學改革是分不開的。