面向自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)的“車輛動(dòng)力學(xué)及其控制”課程改革探索

摘 要：面向新工科建設(shè)和自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)需求，對(duì)車輛工程、交通運(yùn)輸工程等相關(guān)專業(yè)研究生的核心課程《車輛動(dòng)力學(xué)及其控制》進(jìn)行教學(xué)改革探索，更新了課程內(nèi)容，自主研制了“智能無(wú)人電動(dòng)汽車教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法，改進(jìn)課程考核方式，取得了較好的教改實(shí)踐效果，可以為自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛 車輛工程 動(dòng)力學(xué) 控制 教學(xué)改革

1 緒論

具有高級(jí)別自動(dòng)駕駛功能的智能網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車，能夠極大地方便人們的出行，是可以被打造成自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)系統(tǒng)的理想終端，具有巨大的商業(yè)價(jià)值和工業(yè)價(jià)值，已經(jīng)成為各大傳統(tǒng)車企、造車新勢(shì)力以及互聯(lián)網(wǎng)公司追逐的焦點(diǎn)，成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[1]。在自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的過(guò)程中，急需高校培養(yǎng)大批具備新知識(shí)體系和創(chuàng)新思維的自動(dòng)駕駛?cè)瞬拧Ｗ詣?dòng)駕駛智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載了先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與X（車、路、人、云等）（V2X）智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實(shí)現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，并最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的新一代汽車[2]。自動(dòng)駕駛是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心功能，包括感知、定位、規(guī)劃、決策和控制執(zhí)行5個(gè)過(guò)程，具有明顯的多學(xué)科交叉屬性，涉及環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行、車聯(lián)網(wǎng)等多種復(fù)雜技術(shù)。

目前，研究生是科研人才培養(yǎng)的主力軍，也是高校自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)的中堅(jiān)力量。《車輛動(dòng)力學(xué)及其控制》是一門面向智能車輛工程、交通運(yùn)輸工程、車輛工程等專業(yè)研究生的核心課程，主要研究車輛運(yùn)動(dòng)與受力的關(guān)系，通過(guò)建模和仿真分析車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、振動(dòng)等過(guò)程中的性能，并研究如何控制和改善性能，與自動(dòng)駕駛車輛的線控技術(shù)密切相關(guān)，對(duì)于自動(dòng)駕駛應(yīng)用型和復(fù)合型高層次人才培養(yǎng)具有重要作用[3]。鑒于這門課程的重要性，國(guó)內(nèi)有車輛工程專業(yè)的理工科高校大都開設(shè)了這門課程，課程名稱存在一些差異，常用的課程名稱包括《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》《車輛動(dòng)力學(xué)與控制》《汽車動(dòng)力學(xué)》等，但教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)體系基本一致[4-5]。目前，自動(dòng)駕駛技術(shù)更新?lián)Q代快，企業(yè)希望入職畢業(yè)生能夠馬上獨(dú)立承擔(dān)工作，對(duì)人才培養(yǎng)提出了新的要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)的課程知識(shí)體系、教學(xué)方法、培養(yǎng)模式已經(jīng)出現(xiàn)諸多問(wèn)題。因此，本文以《車輛動(dòng)力學(xué)及其控制》課程為例，面向自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)的需求，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面開展教學(xué)改革研究和實(shí)踐探索。

2 目前存在的不足和改革方向

汽車是一個(gè)由成千上萬(wàn)個(gè)零部件組成的復(fù)雜跨界交叉系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)、電子、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，汽車的內(nèi)涵和外延在不斷地變化。對(duì)于汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，有兩次大的變革，第一次是20世紀(jì)90年代開始的汽車防抱死系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)等電子裝備大量開發(fā)和應(yīng)用，第二次是2010年之后的線控系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛、智能座艙等技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。但是，目前國(guó)內(nèi)很多高校汽車動(dòng)力學(xué)相關(guān)的教材仍然使用20世紀(jì)米奇克編著的《汽車動(dòng)力學(xué)》、安部正人編著的《車輛操縱動(dòng)力學(xué)》等經(jīng)典書籍[6]，課程知識(shí)體系和內(nèi)容已經(jīng)落后于汽車技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)法滿足自動(dòng)駕駛行業(yè)的需求。因此，急需補(bǔ)充電動(dòng)汽車、線控底盤、智能控制等新知識(shí)。

智能手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品在方便人們生活的同時(shí)，也對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)造成了威脅，例如，有的學(xué)生在課堂上玩手機(jī)，課下做作業(yè)不動(dòng)筆，遇到問(wèn)題不思考，而依賴于網(wǎng)絡(luò)搜索引擎。尤其是在學(xué)習(xí)一些理論難度大、知識(shí)點(diǎn)多的課程時(shí)，提不起學(xué)習(xí)興趣，遇到困難容易放棄。此外，自動(dòng)駕駛技術(shù)還沒(méi)有本科專業(yè)，很多學(xué)習(xí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的學(xué)生是跨專業(yè)的，本科的基礎(chǔ)和培養(yǎng)體系千差萬(wàn)別。在有限的課時(shí)內(nèi)，如何兼顧學(xué)生的基礎(chǔ)差異和前修課程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考，減少智能手機(jī)的依賴，提升課程的學(xué)習(xí)效果，是非常具有挑戰(zhàn)性的難題。

車輛動(dòng)力學(xué)與控制相關(guān)的專業(yè)課程，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性，需要理論與實(shí)踐密切關(guān)聯(lián)。但是，目前很多高校的車輛動(dòng)力學(xué)課程仍以課堂理論教學(xué)為主，缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)。課程考評(píng)方法，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、知識(shí)運(yùn)用等具有重要的引導(dǎo)作用。但是，目前很多高校仍以單一的閉卷考試方式進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定，導(dǎo)致學(xué)生常常采用死記硬背的方式記憶知識(shí)點(diǎn)，然后大量做課后習(xí)題和模擬試題，沒(méi)有擺脫高中的刷題學(xué)習(xí)模式，不利于學(xué)生應(yīng)用能力、分析能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

3 更新課程教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法

面向自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)的需求和挑戰(zhàn)，本課程團(tuán)隊(duì)調(diào)研、匯總和分析了汽車的新技術(shù)，尤其是與自動(dòng)駕駛相關(guān)的車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用情況，在美國(guó)學(xué)者Rajesh Rajamani編著的《Vehicle Dynamics and Control》（第2版）（中譯本《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》，王國(guó)業(yè)主編）的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、四輪轉(zhuǎn)向、線控轉(zhuǎn)向、現(xiàn)代控制理論、智能控制等內(nèi)容，并且形成了定期地更新機(jī)制，編寫了《基于線性參數(shù)時(shí)變理論的電動(dòng)汽車增益可調(diào)魯棒估計(jì)和控制》（Robust Gain-Scheduled Estimation and Control of Electrified Vehicles via LPV Technique），如圖1所示，以分布式輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車為對(duì)象，重點(diǎn)講授了電動(dòng)汽車側(cè)向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)非線性估計(jì)和側(cè)向穩(wěn)定性魯棒控制策略。

車輛動(dòng)力學(xué)主要研究車輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與受力的關(guān)系，例如：懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，實(shí)驗(yàn)往往是系統(tǒng)級(jí)的，對(duì)軟硬件的要求高，實(shí)驗(yàn)成本高，難以像材料力學(xué)、機(jī)械原理等課程開展材料樣件或零件級(jí)的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致理論與實(shí)踐聯(lián)系不緊密。自動(dòng)駕駛技術(shù)與車輛動(dòng)力學(xué)結(jié)合之后，進(jìn)一步增大了實(shí)驗(yàn)的難度。為了給學(xué)生創(chuàng)造更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)和更好的實(shí)驗(yàn)條件，本課程團(tuán)隊(duì)研制了“智能無(wú)人電動(dòng)汽車教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，如圖2所示，具有功能全面、實(shí)用可靠、外設(shè)接口豐富、便于二次開發(fā)等特點(diǎn)，解決了自動(dòng)駕駛類課程缺少專業(yè)教學(xué)平臺(tái)設(shè)備的問(wèn)題，為理論教學(xué)與工程實(shí)踐結(jié)合提供了條件。

為了提升課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、掌握和運(yùn)用，本課程采用了啟發(fā)式教學(xué)、問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)、案例式教學(xué)、多媒體聲像教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)、對(duì)比教學(xué)等方法。例如，引導(dǎo)學(xué)生站位自動(dòng)駕駛底盤系統(tǒng)控制執(zhí)行工程師，在理解橫擺穩(wěn)定性控制原理的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生思考提高汽車操縱穩(wěn)定性的理論方法和技術(shù)途徑。在進(jìn)行汽車垂向動(dòng)力學(xué)章節(jié)學(xué)習(xí)時(shí)，對(duì)比了汽車被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)三種懸架系統(tǒng)的仿真分析案例講解，幫助學(xué)生理解和掌握知識(shí)。在進(jìn)行側(cè)向動(dòng)力學(xué)章節(jié)學(xué)習(xí)時(shí)，由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，再到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，遞進(jìn)式教學(xué)，結(jié)合動(dòng)畫和視頻，使學(xué)生能夠更加直觀地認(rèn)識(shí)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程和原理。通過(guò)上述教學(xué)方法的綜合運(yùn)用，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果明顯提升。

4 優(yōu)化課程考核評(píng)價(jià)方式，增強(qiáng)實(shí)踐性，強(qiáng)化應(yīng)用能力導(dǎo)向

課程成績(jī)的評(píng)定方式，是教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生具有重要的引導(dǎo)作用。為了引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)理解知識(shí)，并運(yùn)用知識(shí)解決工程問(wèn)題，避免出現(xiàn)死記硬背的現(xiàn)象，本課程采用考查制的考評(píng)方式，將課程成績(jī)分為三部分，即平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和結(jié)課論文成績(jī)。平時(shí)表現(xiàn)，主要是根據(jù)學(xué)生的課堂活躍程度、回答問(wèn)題、參與討論等情況給定。實(shí)驗(yàn)成績(jī)，是根據(jù)學(xué)生開展“基于Apollo自動(dòng)駕駛平臺(tái)的控制仿真實(shí)驗(yàn)”并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況而評(píng)定。本課程基于百度Apollo自動(dòng)駕駛平臺(tái)的開放資源，設(shè)計(jì)了控制仿真實(shí)驗(yàn)。由學(xué)生自己注冊(cè)百度Apollo仿真平臺(tái)賬號(hào)，針對(duì)線控車輛設(shè)計(jì)橫向和縱向控制器，編寫并運(yùn)行代碼，計(jì)算車輛的橫縱向位置偏差、轉(zhuǎn)角、速度和加速度補(bǔ)償量等信息。結(jié)課論文是安排學(xué)生以小組為單位，完成一個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)與控制系統(tǒng)相關(guān)的課題，撰寫一篇論文，論文需要包含動(dòng)力學(xué)建模、系統(tǒng)特性分析、系統(tǒng)指標(biāo)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析等內(nèi)容；學(xué)生制作多媒體演示文稿，進(jìn)行演講和答辯，學(xué)生與教師分別打分，綜合計(jì)算后給出成績(jī)。從三年的實(shí)踐效果來(lái)看，與閉卷考試相比，學(xué)生們更喜歡和接受這種多級(jí)式、開放式的考核方式，能夠加深知識(shí)理解，提高分析和解決問(wèn)題的能力，豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，產(chǎn)值高，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。在汽車產(chǎn)業(yè)加速變革和新工科建設(shè)快速推進(jìn)的背景下，面向自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)的需求，本文對(duì)車輛工程、交通運(yùn)輸工程等相關(guān)專業(yè)研究生的核心課程《車輛動(dòng)力學(xué)及其控制》開展教學(xué)改革研究。首先，剖析了課程教學(xué)存在的不足和面臨的挑戰(zhàn)；然后，結(jié)合新進(jìn)發(fā)展和應(yīng)用的汽車技術(shù)，補(bǔ)充了四輪轉(zhuǎn)向、線控轉(zhuǎn)向等內(nèi)容，編寫了分布式輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制的書籍，自研了“智能無(wú)人電動(dòng)汽車教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，為學(xué)生提供更好的實(shí)踐條件，綜合運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)、多媒體聲像教學(xué)、對(duì)比教學(xué)等方法；最后，改進(jìn)課程的考評(píng)方式，將課程成績(jī)分為平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和結(jié)課論文成績(jī)，為學(xué)生提供項(xiàng)目實(shí)踐和展示的機(jī)會(huì)。上述教改舉措應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用課程知識(shí)解決工程問(wèn)題，取得了較好的教學(xué)實(shí)踐效果，可以為汽車相關(guān)專業(yè)課程的教改和自動(dòng)駕駛?cè)瞬排囵B(yǎng)提供有益參考。

基金項(xiàng)目：北京航空航天大學(xué)研究生精品課程建設(shè)項(xiàng)目《車輛動(dòng)力學(xué)及其控制》；中國(guó)交通教育研究會(huì)教育科學(xué)研究課題“交通類院校智能車輛學(xué)科建設(shè)研究”（編號(hào)：JT2024ZD014）。

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