面向智能交通實踐課程的微縮智能車設計方案及教學應用研究

摘 要 針對智能交通專業實踐教學過程中遇到的測試場地、實踐成本、安全風險等方面的問題，提出面向智能交通實踐課程的微縮智能車設計方案。通過對真實智能網聯車按照一定比例進行微縮移植，結合多種先進的傳感器，微縮智能車可以基本復現真實智能網聯車的功能。同時，綜合考慮智能交通專業實踐教學在數據方面的需要，微縮智能車可以開放傳感器數據、車輛狀態數據、車輛動力控制數據等多種類型數據，滿足實踐教學的數據需求。此外，微縮智能車可以支撐部分實踐教學實驗，也可以與智能交通沙盤和駕駛模擬器進行搭配，支撐復雜場景下的實踐教學，助力智能交通專業人才培養。

關鍵詞 智能交通；實踐教學；微縮智能車

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0032-06

0 引言

智能網聯汽車的出現得益于車聯網技術與智能車輛的有機結合，是通過各類車載傳感器、控制器、執行器等先進裝置之間的聯動，并在此基礎上與無線通信技術、智能感知技術、信息采集技術、數據處理技術等先進技術深度融合的新一代信息技術的產物，也是當前世界各國智能交通領域研究和發展的重點。

高校作為智能網聯汽車技術理論研究的前沿陣地，承擔著理論測試和人才培養的重擔。很多高校通過新增專業或者實訓來解決智能交通行業人才短缺的問題，然而由于智能網聯汽車技術涉及多學科交叉并且受限于測試場地、實驗成本、安全風險等因素，高校在實踐應用環節往往會受到很大制約。隨著智能交通技術的發展，智能交通相關專業也開始在智能網聯汽車技術方面開展理論研究與實踐實訓，然而在學生培養方面往往只是采用理論教學與虛擬仿真軟件相結合的方法，缺少真實實踐環境，學生在課程教學中學習到的理論知識和算法功能等很難得到驗證，對智能交通相關技術以及其涉及的功能了解較淺。

微縮智能車與真實智能網聯車相比成本低，并且是按照一定比例對真實車輛進行微縮，在一定程度上可以復原智能網聯車所具有的基本功能，具備實際參考價值。

采用微縮智能車進行智能交通實踐教學是有其必然性的，國內外部分高校已經開始探索使用微縮智能車解決智能交通與車輛工程專業在實踐教學中遇到的難題。例如：山東科技大學的李旭等[1]針對智能交通人才培養模式，開始研究基于智能交通系統的車路協同一體化實踐教學平臺的建設方案，探索了車路一體化實踐教學平臺的智能電動車、智能道路交通信息和智能車路協同三個實踐教學子平臺的建設方案；浙江大學的韓濤等[2]針對探究型實驗在實施過程中的問題，構建了基于智能車系統的探究型實驗平臺，實踐證明，以微縮智能車為主線的探究型實驗平臺可以促進實踐教學實施，能夠實現學生培養的目標；淮北師范大學的李想等[3]面向卓越工程師的培養，基于微縮智能車設計并實現了一種面向學生培養的實踐教學平臺，通過該平臺可以顯著提高學生的實踐動手能力和工程實踐能力；武漢大學的楊飛等[4]利用微縮智能車趣味性高、實用性強、復用性好等特點，依托全國大學生智能汽車競賽，從實踐教學內容和實驗教學模式兩方面進行創新研究，提升了學校的實踐教學水平和學生的綜合能力；荷蘭代爾夫特理工大學的Gietelink O等[5]、長安大學的徐志剛等[6]搭建了車路協同半實物仿真平臺，在此平臺上基于微縮智能車對典型交通場景下的車輛編隊問題進行建模、仿真與控制等方面的實驗研究。

然而，當前所提到的基于微縮智能車的實踐教學研究較為籠統，對微縮智能車的設計、功能以及可支撐實驗的介紹較少，而這也正是在智能交通實踐教學過程中被廣泛關注的。因此，本研究從微縮智能車設計和實踐教學出發，充分考慮智能交通專業在實踐教學方面的實際需求，在理論與實踐結合、自主創新實驗、新技術轉化驗證等教學需求方面能夠貼合高校的實踐教學模式。所提出的微縮智能車可衍生適用于多種典型智能交通場景，為智能交通創新實踐教學和創新平臺的搭建解決關鍵技術難點，滿足實踐教學中動手實踐能力和技術驗證中科研能力的綜合培養要求。

1 微縮智能車設計

微縮智能車是根據真實自動駕駛汽車設計的微型智能自動駕駛車輛，能夠復現真實智能網聯車輛所具有的基礎自動駕駛與車聯網功能。微縮智能車的常見設計比例有1∶5、1∶10、1∶20等，不同比例的車輛所能達到的智能化程度也不相同，越接近真實比例的縮微智能車技術越完善、功能越強大，與此同時造價也會更高。不同比例的微縮智能車都需要保證在等比例微縮的智能交通環境中能夠正常行駛，并具備真實自動駕駛汽車的主要功能，如自主避障、超車、交通標志標線識別、自主泊車等。

微縮智能車為保證實現自動駕駛功能，采用自動控制、人工智能、計算機視覺、傳感器等技術，并內嵌對應的人工智能算法，可以驗證相關智能算法的應用效果，并且實驗測試結果能夠為自動駕駛技術提供參考和借鑒。

1∶5、1∶10、1∶20三種型號的微縮智能車如圖1所示，三種不同型號的智能車可以適應不同環境。1∶5比例的微縮智能車能夠在真實道路環境下實現自動駕駛，能夠利用單目/雙目攝像頭對車輛和行人進行自主識別，并且可以利用配備的激光雷達對周圍環境進行掃描，完成復雜場景下的激光建圖任務。此外，還可以根據實際需要，進行自主路徑規劃。因為1∶10和1∶20比例的微縮智能車體積小，所以可以構建對應的微縮交通環境，實現車輛在微縮交通路網環境下的自動駕駛，并使用RSU、UWB、GPS、RFID等技術實現車輛信息傳輸和精準定位。

1.1 結構設計

以1∶10比例微縮智能車為例，車輛長、寬、高尺寸分別為45 cm、20 cm、17 cm，采用阿克曼轉向競速級碳纖維RC車體，配備前后懸掛避震和四驅差速驅動系統，車輛前輪采用適用于大型車和小型車且具有良好的響應性和操控性的麥弗遜式獨立懸掛，后輪采用結構簡單、占用空間小的拖拽臂式懸掛。車輛電源采用7.6 V、2.6 Ah鋰電池，可以持續運行三小時以上。

在芯片和處理器方面，車輛芯片選擇低功耗、高性能的六核智能決策芯片，主頻高達1.8 GHz，能夠支持多種操作系統。處理器采用CORTEX-M3運動控制處理器，實現對微縮智能車的運動狀態控制。同時，車輛配置包含單目攝像頭、深度攝像頭、九軸IMU（Inertial Measurement Unit）、單線高精度激光雷達和紅外測距傳感器在內的多種核心傳感器，滿足微縮智能車自動駕駛功能實現的信息檢測需求。

此外，車輛還配置可選尺寸的全彩車路協同信息屏，能夠實時顯示車輛信息；搭載2.4 G/5 G工業級Wi-Fi模塊，同時包含無線充電模塊，可以實現無線充電。車輛燈光系統與真實車輛保持一致，包含前大燈、剎車燈、轉向燈等多類型燈組，并能充分發揮功能。微縮智能車輛基礎結構如圖2所示。

1.2 功能設計

微縮智能車在進行功能設計的過程中充分考慮了智能交通實踐課程教學需求，對微縮智能車的車輛角色定義功能、自主運行功能、智能識別功能、自主防撞功能等進行設計如圖3所示。

首先，微縮智能車可以根據需要更改車輛角色信息，例如私家車、警車、公交車、工程車等，并且可以定義擴展；車輛行駛速度可以在0～1 m/s范圍內進行調整，速度的最小變化可達0.01 m/s。微縮智能車可實現車輛自主OD路徑規劃，用戶可以隨機選擇車輛的起訖點，當車輛在行駛過程中遇到特殊情況時，可以根據需要切換到輔助路徑，微縮智能車控制系統上會自動顯示路徑規劃的變化。

其次，微縮智能車具備一定的安全自主運行能力，在中控系統與車輛之間出現通信失靈的情況下，如道路通信設備、車輛的信號接收設備等模組在部分失效時，能夠保證微縮智能車安全行駛，并使智能車就近靠邊停車或者駛入附近安全區域。同時，微縮智能車可實現自動超車和換道，在滿足安全超車或換道的前提下，智能車能夠自主判斷行駛路徑；可以實現自適應速度調節和定速巡航，并能夠根據道路限速標志自動調整行駛速度；可以實現按照信號燈指示行、停，能夠接受紅綠燈廣播信號，并能根據紅綠燈狀態控制行駛狀況（加速、減速、停止）；可以實現網聯汽車軟件算法的移植和驗證，且算法運算周期控制在1 ms以內。

再次，微縮智能車可以通過激光雷達、深度攝像頭等感知設備進行智能識別，可以自動識別微縮場景下的車輛、信號燈、行人等信息（圖4a），并且可以根據深度學習算法，實現車道線識別（圖4b）。微縮智能車內嵌的算法可以根據需要進行更換，識別精度可以根據算法進行調整。

微縮智能車配備自主防撞系統，可以利用各種先進的傳感器技術感知道路交通環境信息，在遇到突發狀況（事故、擁堵、道路關閉）時能自主采取制動或轉向等避障措施，并能將突發狀況及時發送給后續車輛和中控系統。該防撞模型采用真車的自動控制防追尾系統，正常狀態下，系統關閉；當檢測到兩車車距小于閾值時，啟動自動制動裝置。微縮智能車還可以自主實現多車編隊巡航、不同車型編隊、車隊動態合并與分解等車隊運行相關操作。

最后，微縮智能車可以提供車輛控制API接口和九軸IMU全部數據接口、速度和角速度控制接口、8路紅外傳感器數據接口、攝像頭識別車道曲率算法接口等，方便使用人員進行二次開發。微縮智能車可以開放多種車輛運行數據，如表1所示，供師生在實踐教學過程中使用。

2 實踐教學應用研究

微縮智能車可以支撐交通數據采集與處理實驗、綜合交通控制實驗、自動駕駛技術實驗、車路協同技術實驗等多種實踐教學課程實驗，還可以通過與智慧管理調度決策系統、駕駛模擬器和智能交通沙盤平臺結合開展更豐富的實踐實訓。

智慧管理調度決策系統（圖5）是無人駕駛系統中對微縮智能車、路徑規劃、智能路側設備、場景模擬裝置等進行調度、控制和效果展示的PC端系統，主要包括車輛角色定義與任務流程控制系統、車輛調度路徑規劃控制系統、智慧交通誘導及信息發布系統、車輛速度控制系統、車輛跟馳控制系統、車路協同控制系統、智能車比賽評價系統和沙盤模擬顯示系統等子系統。

駕駛模擬器（圖6）可以與微縮智能車通過協議進行對接，實現微縮智能車與駕駛模擬器之間的孿生映射，打通視覺感知、駕駛決策和駕駛行為三大孿生要素，實現微縮智能車與駕駛模擬器之間的互聯互通，能夠支撐駕駛人行為方面的實踐課程教學實驗。

智能交通沙盤平臺（圖7）是將真實交通場景按照微縮智能車的比例進行微縮移植，為微縮智能車提供車輛運行環境。同時，在沙盤平臺上布設多種類型的智能交通設備（可變情報板、可變限速標志、網聯信號燈、交通檢測設備等），可以實現路側設備與微縮智能車之間的互聯互通，復現真實智能網聯車輛的車路協同功能，并能在此基礎上支撐多場景課程實驗。

微縮智能車及其輔助系統可以支撐智能交通相關專業的數十種實驗項目，包括交通工程認知類、交通工程設計類、交通信號控制類、交通信息采集類、通信傳輸類、智能自動駕駛類、車路協同類等實驗項目。

3 結束語

本研究從智能微縮車設計和實踐教學應用方面論述了微縮智能車在智能交通實踐教學方面的功能與效用，通過對真實智能網聯車進行微縮，根據實踐教學需求配備多功能傳感器，設計并研發滿足智能交通相關專業實踐教學需求的微縮智能車。面向智能交通實踐課程的微縮智能車設計可以為智能交通及車輛工程、物聯網、人工智能等相關領域的專業教學提供強有力的支撐，提升普通高校和職業院校學生的綜合實踐能力。通過微縮智能車能夠全方位、立體化地展示智能交通前沿技術（自動駕駛、車聯網等）應用效果并評估其效用，對多種智能交通典型場景進行相關算法測試、功能調試、系統聯調等實驗驗證。針對普通高校和職業院校實踐課程的教學需求，微縮智能車在智能交通實踐教學中的應用能夠使學生深刻理解和掌握智能網聯汽車的關鍵技術及其應用，同時全面提升學生的實踐操作技能和科研創新能力。

4 參考文獻

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