智能循跡車設(shè)計在新工科創(chuàng)新驅(qū)動教學(xué)應(yīng)用淺析

殷帥 蘇士田 徐偉 田婷

摘? 要：本文針對現(xiàn)有的單片機教學(xué)課程中大學(xué)生創(chuàng)新性和工程素養(yǎng)難以培養(yǎng)與課程創(chuàng)新教學(xué)方法不足的問題，提出了一種適用于大學(xué)生單片機教學(xué)的智能尋跡車的創(chuàng)新教學(xué)案例設(shè)計，給出了教學(xué)用智能車軟硬件設(shè)計，探索了教學(xué)案例的實施。該教學(xué)過程的實施充分培養(yǎng)了學(xué)生的工程開發(fā)能力，鍛煉了學(xué)生的程序獨立調(diào)試能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了一個新思路。

關(guān)鍵詞：新工科? 創(chuàng)新驅(qū)動教學(xué)? 案例式教學(xué)? 智能車設(shè)計

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（b）-0205-04

Application of Intelligent Tracking Car Design in Innovation Driven Teaching of New Engineering Disciplines

YIN Shuai? SU Shitian? XU Wei? TIAN Ting*

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Zaozhuang University， Zaozhuang， Shandong Province， 277160? China）

Abstract： In view of the existing single-chip microcomputer teaching course， it is difficult to cultivate college students' innovation and engineering literacy， and the lack of innovative teaching methods. This paper studies an innovative teaching case design of intelligent tracing vehicle which is suitable for college students' single chip microcomputer teaching， gives the software and hardware design of intelligent vehicle for teaching， and explores the implementation of teaching case. The implementation of the teaching process fully cultivates the students' ability of engineering development， exercises the students' ability of independent program debugging， and provides a new idea for the cultivation of innovative talents.

Key Words： New engineering disciplines; Innovation driven teaching; Case teaching; Intelligent car design

高等教育要求教師必須把握社會要求和受教育者的成長與發(fā)展規(guī)律，有目的、有計劃、有組織地對受教育者施加影響，從而把大學(xué)生培養(yǎng)成為符合社會需要的接班人。習(xí)近平總書記在2018年6月中央外事工作會議上明確指出：“當(dāng)前，我國處于近代以來最好的發(fā)展時期，世界處于百年未有之大變局，兩者同步交織、相互激蕩。”為推動創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展，國家提出了一系列以大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、量子計算等為代表的新興科技趨勢，面對新的發(fā)展趨勢，高等教育迫切需要進行新工科創(chuàng)新驅(qū)動教學(xué)研究。傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，要求教師必須針對學(xué)科交叉融合教學(xué)、工程技術(shù)素養(yǎng)提高提出新的改革創(chuàng)新理念和思路[1]。

單片機實訓(xùn)教學(xué)作為一門理論聯(lián)系實際非常強的一門課程，筆者在該課程的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的講授式教學(xué)方式對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程素養(yǎng)非常被動，背離了當(dāng)前提出的新工科教育方式[2-3]。在單片機設(shè)計中，尋跡車的設(shè)計與制作[4]涉及到車輛工程、機械工程、信息通信、控制工程等多種學(xué)科，通過組織制作尋跡車可以鍛煉授課學(xué)生獨立編程的能力，可以增強學(xué)生對各學(xué)科之間的融會貫通能力，增強學(xué)生的動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題并有目的地解決問題的能力，真正實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合[5]。基于此，筆者結(jié)合大學(xué)生科技競賽，設(shè)計了一項基于STM32單片機控制的智能循跡車教學(xué)設(shè)計與開發(fā)教學(xué)案例。

1? 教學(xué)案例內(nèi)容

對于智能循跡小車而言，必須在機械、電路以及程序方面等多個方面做到緊密的設(shè)計與配合，才能制作出比較好的競速循跡賽車[6-8]，因此，該案例的實施不僅鍛煉了學(xué)生的單片機獨立編程能力，還對鍛煉學(xué)生的學(xué)科交叉融合能力、動手能力等均有很強的教學(xué)帶動作用。

1.1 教學(xué)案例總體設(shè)計

給出的教學(xué)案例設(shè)計目的是為了提高學(xué)生的編程能力，在考慮調(diào)試復(fù)雜度的情況下，這里給出智能車循跡賽道任務(wù)圖。循跡智能車從起點處出發(fā)，在以不出賽道的前提下跑完一圈為設(shè)計目標，最終競賽時用時最短者成績最優(yōu)。賽道的基本元素主要有直線賽道（含橋梁）、半徑為600mm的波浪形彎道、半徑為450mm的馬蹄形彎道、半徑為900mm的大彎、變道以及直角彎賽道構(gòu)成，教學(xué)過程中設(shè)計的教學(xué)用賽道如圖1所示。賽道黑色PVC板作為路面住材質(zhì)，在賽道兩邊分別設(shè)置有30mm寬度的白色路肩，賽道中間設(shè)置有20mm寬的白色中線，白色中線兩邊分別設(shè)置有10mm寬的過渡帶。

1.2 教學(xué)案例控制方案設(shè)計

智能車的控制主要包括動力系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩項，該兩項內(nèi)容均由單片機實現(xiàn)整車的閉環(huán)控制，在整車閉環(huán)控制系統(tǒng)中，主要包括動力系統(tǒng)閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)閉環(huán)控制。智能車動力系統(tǒng)閉環(huán)控制通過編碼單元采集當(dāng)前車速，反饋到控制單元，單片機在采集完轉(zhuǎn)速信號后，并與預(yù)設(shè)值進行比較，將差值信號通過PI計算，輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的PWM信號驅(qū)動執(zhí)行電機的旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過紅外對管檢測當(dāng)前轉(zhuǎn)角并反饋給控制單元，與動力系統(tǒng)一樣，將差值信號通過PD計算，輸出不同占空比的控制信號驅(qū)動舵機打角。整車通過動力系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的閉環(huán)控制進而實現(xiàn)整車的閉環(huán)控制。教學(xué)案例控制方案設(shè)計如圖2所示。

1.3 教學(xué)案例硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

教學(xué)案例中，硬件內(nèi)容主要包括以KT板制作的智能車車身、以STM32F407IGT6單片機為最小系統(tǒng)的控制電路、以電機和舵機的驅(qū)動元件、以E6A2-CS3C編碼器為速度檢測元件、以分立元件和LM350等構(gòu)成的電機和舵機驅(qū)動電路和電源電路，以紅外對管的道路識別電路，以ST-Link仿真器為程序下載器的智能車硬件結(jié)構(gòu)。由于電機等電感元件的存在，智能車電源工況較為惡劣，要求學(xué)生在外部電源前端添加一個EMI濾波器電路，對電源中的共模噪聲進行抑制。智能循跡車的硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.4 教學(xué)案例單片機資源分配

單片機資源分配如表1所示，經(jīng)實驗驗證，STM32單片機的PWM輸出模式采用單脈沖模式，該模式通過一個激勵啟動計數(shù)器，在一個程序可控的延時之后產(chǎn)生一個脈寬可編程控制的脈沖，在輸出比較模式和PWM模式下生成占空比可調(diào)的PWM波形。電機的控制周期為1ms是比較合適的，但是由于硬件的限制，接口上提供的是TIM3來確定后面2個驅(qū)動輪和舵機的周期。所以本設(shè)計采取的是用TIM0提供1ms的計時中斷，用TIM3的同步復(fù)位PWM方式，采取16ms的周期提供后輪電機的驅(qū)動控制。

STM32高級控制定時器有編碼器接口模式，在模型車硬件電路板設(shè)計過程中，用輸入端TI1作為編碼器的輸入接口，通過設(shè)置STM32單片機內(nèi)部的TIMx_SMCR寄存器中的SMS=010，實現(xiàn)單片機在TI1的邊沿計數(shù)。

1.5 教學(xué)案例程序設(shè)計

針對教學(xué)案例要求，要求授課學(xué)生按照如圖4所示的程序流程圖設(shè)計程序。要求授課學(xué)生所編寫的程序具有參數(shù)設(shè)置和存儲的功能，學(xué)生可以通過調(diào)用賽車存儲的參數(shù)決定正式比賽參數(shù)。待學(xué)生調(diào)取參數(shù)完畢，學(xué)生需將賽車放入賽道，賽車通過紅外對管檢測發(fā)車閘門是否開啟，如果沒有開啟繼續(xù)等待。當(dāng)檢測到比賽閘門開啟時，授課學(xué)生設(shè)計的賽車正式進入比賽環(huán)節(jié)，控制程序通過判斷預(yù)先設(shè)計的標志位決斷賽車當(dāng)前運行在無標志位的普通賽道、直角賽道、換道賽道和停止線。當(dāng)程序檢測到直角彎標志位時，賽車立即進入直角彎處理子函數(shù)，此時賽車開始減速，然后大角度轉(zhuǎn)彎，待檢測到賽道后退出直角轉(zhuǎn)彎模式;當(dāng)控制程序檢測到換道標志位時，此時賽車進入換道處理子程序，這時賽車開始減速，然后向換道方向小幅度打一定角度，在檢測到賽道后，完成換道控制，進入到無標志位的普通賽道巡線處理子程序;當(dāng)控制程序檢測到停止線時，控制程序停止電機PWM信號和舵機PWM信號的輸出，完成比賽。

2? 教學(xué)案例實施過程

在教學(xué)案例實施過程中，首先需要準備教學(xué)場地和教具的準備。教學(xué)場地一般控制在150m2較為合適，教學(xué)場地的前半部分設(shè)置實驗工作臺，放置必須的實驗元器件及常用工具等，實驗場地后半部分鋪設(shè)調(diào)試和比賽的賽道。由于要求授課學(xué)生自主完成賽車程序的撰寫與調(diào)試，這里使用的教學(xué)教具主要包括STM32主控板、驅(qū)動電路板、舵機、電機、車身制作KT板下載線等。

在授課過程中，對于教學(xué)案例中設(shè)計的幾種不同類型的賽道，要求學(xué)生根據(jù)不同賽道設(shè)計不同的控制方法。在直線型賽道中，尋跡車特點是不需要進行頻繁的加減速和變向，學(xué)生可以通過PID閉環(huán)控制，提高車速，減少全程通過時間。但是，由于直線型賽道是所有不同賽道間的銜接部分，起到承上啟下的作用，無論過快或過慢，一旦控制的不好就會對后面的各個賽段的處理造成不利的影響;且在其他賽道間的換道過程中，即使并沒有真正的直線型賽道存在，也會在存在瞬間進入一段可視為短距離直道的情況。所以在整個直道模式中，要求授課學(xué)生采用偏移量濾波算法進行較小幅度的調(diào)整角度，而對偏離程度比較大時，則進行有階梯層次的大幅調(diào)整，以進入彎道模式。

對于半徑為450mm、600mm、900mm的3種彎道，要求授課學(xué)生設(shè)計采用三階梯分段處理程序，分別對應(yīng)程序的stage1、stage2和stage3。每一個階梯對應(yīng)程序有不同的舵機角度，角度調(diào)試是后期學(xué)生課程調(diào)試的關(guān)鍵。

直角彎道，是所有賽道中獨立來看難度最大的一種賽道類型。因為首先必須在探測到直角標記后就要減速，一旦達到直角處則需要在極短的前行距離內(nèi)迅速做出幅度達90°的轉(zhuǎn)彎，并且要保證在轉(zhuǎn)彎完成后能夠在最短時間內(nèi)回到正確的運行軌道，無論對于車輛的機械性能（這里主要是舵機性能）還是程序都是一大考驗。直角的通過速度較之于彎道要更低，但是也因此這里常常成為全程整體平均速度無法達到一個較高水平的瓶頸所在，往往在其他的賽段提高到一個更高的速度時，到達直角彎就要求必須更快、更大幅度減速，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)直角彎時，這種頻繁加減速帶來的影響更是尤為明顯。變道的處理也是對授課學(xué)生工程素養(yǎng)能力的一項重要考驗。智能車在變道過程中，可以先小幅度預(yù)先打角度，這樣處理后就不用大幅度減速，大大優(yōu)化了變道處理程序。

3? 結(jié)語

在單片機教學(xué)過程中通過采用實際的案例式教學(xué)，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，而且豐富的教學(xué)案例可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力，該教學(xué)方法對培養(yǎng)新工科下具有創(chuàng)新能力的大學(xué)生具有一定的參考意義。

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