基于智能汽車競賽的自動控制實驗創新研究

楊 飛，吳 敏，謝宜凈

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

當今社會科技發展迅猛，對大學生的創新能力和實踐綜合能力提出了更高的要求，高等教育亟須深化改革以適應和滿足這種變化和要求，方能培養出具有競爭力的人才。高等教育改革的核心是教學改革，而實驗教學作為高等學校教育體系的重要組成部分，對培養學生創新能力、動手能力、分析問題能力和解決問題能力有著不可替代的作用[1]。因此，著力培養大學生的創新意識和能力也成為強化素質教育和深化教育改革的一項重要內容，而提高大學生的實踐能力則是培養其創新能力的立足點和突破口。實驗教學是與理論教學緊密聯系而又相互獨立的教學環節[2]，是提升學生動手能力和創新能力的重要環節[3]，也是滿足學生自主學習、實現自我提高的必要平臺。實踐證明，創新型的實驗教學對本科生在校期間能夠較早進入科研領域，學習最先進的現代科學技術，建立起理想的知識結構，實現知識、素質和能力的提高，發揮了重要作用[4]。

1 實驗教學存在的主要問題

據調查，目前不少工科專業的實驗教學存在以下共同問題：

(1) 實驗內容大多仍屬于驗證性實驗，學生自主創新性實驗較少；

(2) 實驗教學內容和實驗手段多年來較為固定，未能及時跟進科技發展，也不能迎合社會發展的需要；

(3) 陳舊的實驗平臺難以支撐創新型實驗的開展，以自動控制實驗課程為例，多數高校所配備的自動控制實驗教學裝置仍是10多年前購置的簡單的實驗平臺，其功能僅是驗證自動控制經典理論，不便對其功能進行擴充，難以滿足大學生“三創(創新、創造、創業)人才”培養的需要[5]。

針對自動控制實驗教學中存在的這些問題，本文依托智能汽車競賽平臺，以工科專業人才培養方案為基礎，以自動控制實驗為著手點，從實驗教學內容和實驗教學模式兩方面著力改變當前實驗教學中的不足，以提升實驗教學水平。

2 智能汽車大賽簡介及開展情況

智能汽車競賽是面向全國大學生的一項具有探索性的工程實踐活動，是教育部倡導的主要大學生科技競賽之一，其融科學性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發展、前景廣闊的汽車電子競賽為背景，涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科專業的創意性比賽。該競賽旨在促進高等學校素質教育，培養大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創新意識，激發大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能，倡導理論聯系實際、求真務實的學風和團隊協作的人文精神，為優秀人才的脫穎而出創造條件[6]。

該競賽自2006年開辦以來已舉行了8屆，我校組織自動化專業大學生參加過其中6屆比賽，共獲得全國一等獎7項，二等獎3項，三等獎2項。僅靠從每屆不足90人的自動化本科班的學生中選拔隊員參賽，獲此成績當屬不易，這與我們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。

3 實驗教學內容創新

自動控制原理課程綜合性強，知識覆蓋面廣，側重數學推導與圖解分析，內容比較抽象，且難以將理論上所描述的系統與各種實際的自動控制系統聯系，容易造成理論與實際的脫節[7]。該課程不僅是自動化專業的主干專業課程，在不少高校的電子信息、電氣工程、計算機科學與技術和機械工程等專業均有開設。因此，對自動控制實驗的內容進行創新不僅要滿足自動化專業的教學需要，同時也要兼顧其他專業的教學需要。

3.1 自動化專業的實驗教學

針對自動化專業自動控制實驗教學，從自動控制的理論教學出發，抓住“數學建模→系統分析→系統設計”這條主線，完成數學模型的建立，強調對所控對象的分析，突出解決實際問題能力的培養。實驗內容教學主線如圖1所示。

圖1 實驗內容教學主線圖

數學建模是通過對現實問題的抽象、簡化，確定變量和參數，并應用某些規律建立起變量、參數的確定數學問題，然后求解該數學問題，最后在現實問題中解釋、驗證所得解的創造過程[8]，建立一個合理的模型是系統分析和設計的前提。可以利用智能車平臺，建立智能車運行的數學模型，并根據實際情況，對模型進行理想化近似。以智能車大賽平衡組的小車為例，建立小車處于平衡狀態時的數學模型。通過對小車進行受力分析，以小車的物理機理建立微分方程數學模型。小車的受力分析如圖2所示。

圖2 小車的受力分析圖

小車的數學模型：

當θ很小時，數學模型可簡化為：

車模靜止時，a(t)=0，則進一步可得：

系統分析方法是控制系統綜合設計的基礎，其實質就是在對事物進行一分為二分析的基礎上，把握事物的整體性，并根據事物本身的特點，采取具體的措施，為系統達到最優化狀態提供條件[9]。主要內容是運用時域分析法、根軌跡法、頻域響應法等對系統的特性進行分析，也是控制理論教學的重點。在控制系統中，穩定性、快速性和準確性是對控制系統的基本要求，也是衡量系統性能的重要指標，控制系統不同的分析問題方法都是緊緊圍繞這3個方面展開的。例如，智能車競賽中對小車的轉向控制，必須要求小車在偏離既定軌道時，舵機能快速轉向并準確回到賽道，即滿足轉向控制中的快速性和準確性指標。如果控制方案不當，PID參數調節不合理，就有可能導致小車出現擺動震蕩的現象。因此，在保證快速性和準確性的同時，也要結合控制系統穩定性的分析方法，保證小車平穩運行。

系統設計是綜合利用理論知識使系統的性能指標全面滿足要求的過程，對培養學生的分析能力、綜合能力及創新能力十分重要，也是教學的難點。依托智能汽車這個平臺，可以方便地設計各種自動控制實驗，讓學生能自主地設計控制系統，同時能直觀地反饋控制效果。例如，以在智能汽車自動行駛為例，給定了一條導引線和一種傳感器，要求學生設計控制器使汽車行駛平穩且快速。學生可以借此學習和設計PID控制器并對書本上講述的各參數特點及調節理論進行更好的掌握和應用，也使得實驗設計能和書本上結合得更加緊密。這些生動的工程實例能大大激發學生的興趣，使學生感受到控制理論的魅力，深刻理解學以致用的意義，在分析問題、解決問題的過程中，使課程的學習達到知識和能力同步提升的目標。

3.2 其他專業的實驗教學

對于非自動化專業的學生來說，可以選取不同學科專業中的典型工程范例，結合智能汽車這一復合應用平臺設計各種模塊化實驗裝置以滿足不同專業自動控制實驗教學的需要。例如，電氣工程專業的電機學相關課程就可以使用智能汽車上的電機來作為控制對象進行自動控制實驗教學；再例如，通過在小車上安裝WiFi無線通信模塊、ZigBee無線通信模塊、Bluetooth通信模塊或無線數傳電臺，可以讓通信專業的學生更好地理解通信延遲等問題，而且還可在此平臺上實驗和研究在不確定通信延遲下的遠程控制。

4 實驗教學模式創新

在開展上述實驗內容研究的同時，要注重在實驗實施過程中對實驗教學模式進行創新，變傳統的單一實驗模式為多層次實驗模式。自動控制實驗設計分為3個層次：基礎實驗層，綜合設計層，研究創新層[10]。實驗教學模式如圖3所示。

圖3 實驗教學模式圖

4.1 基礎實驗層

基礎型實驗是創新型和綜合型實驗的基礎，仍舊按照傳統教學模式，注重對理論知識的理解，給學生一個理論到實踐的過渡過程；掌握基本的實驗方法與技巧；掌握基礎實驗儀器的運用；也可利用Matlab等仿真軟件進行實驗，讓學生在模擬仿真中學習各參數的調節方法。主要的基礎型實驗以驗證經典控制理論為主，如二階系統動態性能分析，控制系統的根軌跡分析，系統Bode圖及Nyquist曲線的繪制及其穩定性分析等。

4.2 綜合設計層

有了基礎型實驗的準備，學生已初步具備綜合設計的實驗能力。開展綜合設計的實驗時，可以讓學生進入實驗室，自主選擇實驗器材進行實物控制系統的設計。綜合設計型實驗是對電路、電子技術、自動控制等多方面知識的綜合運用，通過綜合設計型實驗，可以達到讓學生把理論知識融會貫通的目的，同時也是為了調動各層次學生自主學習的積極性、主動性和創造性[11]。在此期間，學生也可能遇到很多不懂的知識，學生可以通過查閱文獻自主學習來完成實驗內容。因此，綜合設計型實驗對學生的知識拓展、自主學習能力的培養也有更重要的作用。如可以讓學生設計一個兩輪自平衡的小車，通過傳感器陀螺儀以及加速度計得出小車的傾角，然后用PID控制小車電機前轉和后轉達到使小車在原地保持不動的狀態。學生也可以運用Matlab仿真工具，先得出一組較為合理的PID參數，再用試湊法調試出合適的參數，達到小車自平衡的目的。兩輪自平衡小車控制系統簡圖如圖4所示。

圖4 兩輪自平衡小車控制系統簡圖

4.3 創新研究層

研究創新型實驗是我們實驗教學以及人才培養的最終目的，也是培養學生核心競爭力的關鍵一步。研究創新型實驗對學生提出了更高的要求，首先要求學生觀察生活，發現問題，發掘能夠滿足社會需求或者能夠達到科技創新目的的設計；其次要求學生自主學習課外(包括其他專業)知識，例如多傳感器信息融合技術、模式識別、智能計算等，并注重積累編程和閱讀科技文獻等技能。在研究創新型的實驗中，學生現有的知識可能難以完成實驗，教師應在實驗中予以指導，告訴學生這樣一個具體的實驗需要預先學習和用到哪些知識，研究的步驟以及需要注意的問題等。

5 開展以智能汽車為平臺的創新實驗的意義

5.1 提高實驗平臺使用效益

以智能汽車為平臺所涉及到的學科門類相當廣泛，譬如自動控制原理、機械設計、計算機編程語言、電子技術基礎、傳感器技術等。因此智能汽車是一個復合型平臺，以智能汽車為背景的實驗教學可以輻射惠及一大批理工科專業的學生。具體而言，在此平臺上能直接開設“單片機原理及應用”、“傳感器原理及其技術”、“電機學”等多門實驗課程,能大大提高實驗室的綜合使用效益，也符合高校實驗室建設的開放性需求。

5.2 節省實驗教學開支

本文所提出的創新實驗是在傳統示教性和驗證性實驗的基礎上增加自主性和創新性實驗內容，在一套實驗裝置上可進行多門學科知識相融合的模塊化、通用化實驗設計，增大了實驗設備的復用功能。另外，智能汽車競賽所用車模的價格大大低于倒立擺實驗裝置，不僅可直接用于競賽還可以用于實驗教學，通過這種將實驗教學和競賽相結合的方式可大大地節約學校在這兩方面的經費、場地和人員開支，切實地避免了重復投入。

5.3 支持相關科研課題

以智能汽車為平臺的實驗教學可對校內多項科學研究課題形成支持，例如，我校的“無人駕駛汽車”項目組與智能汽車競賽團隊有著多次交流合作，國家自然科學基金面上項目“基于無線傳感器網絡的復雜網絡動力演化分析與優化設計”也是以智能小車為無線傳感器節點模型來開展研究的。這些課題反過來為學生開展創新實驗提供了許多有價值的科學研究問題。

5.4 培養新型技術人才

科技競賽的重要性不僅體現在幫助高校學生樹立創新意識，培養工程實踐能力，同時能夠引領他們積極主動地參與學習實踐，培養總結積累的觀念，進而逐步達到獨立處理科研問題的目的[12]。以智能汽車為平臺進行實驗教學能很好地契合我國當前熱點社會和科技問題。例如，電動(混合動力)汽車時代已拉開序幕，對相關技術的需求也正與日俱增；另外，由汽車企業、科研院所、移動運營商和軟硬件廠商共計29家單位于2013年8月底在北京共同發起成立了“車聯網產業技術創新聯盟”，這進一步推動了汽車、物聯網和智能交通等相關技術的應用和發展。這些熱點科技問題都與智能汽車競賽緊密關聯，因此，本文所提出的實驗教學改革能為這些新興領域培養更多技術人才，而實驗教學和實用研究的有機結合也正是提升學生和實驗教學人員的積極性和創造性的最佳途徑。

6 結束語

隨著智能汽車競賽在中國乃至其他國家正如火如荼地推廣開來，國內多數高校已參與到這項大賽中來。同時，隨著各方對該項競賽的多年持續投入，使得各所高校的相關實驗平臺也已日臻完善。在此基礎上，對自動控制實驗進行本文所述改革創新也就具備了較高的可行性，因此相信本文所提出的實驗改革創新方法具有很好的可推廣性，并最終能對提高實驗教學質量和提升學生的綜合能力發揮重要作用。

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