CarSim/Simulink 軟件在教學中的應用＊

楊 浩

（重慶工商職業學院，重慶 401520）

前言

隨著科學技術的不斷進步，汽車領域的新技術不斷得到應用。如汽車防抱死系統(ABS)、電動助力轉向系統 (EPS)、智能交通系統(ITS)等[1-3]。而教材對新技術的更新具有一定的滯后性，使教學工作與科技進步存在脫節環節，學生所學與企業需求存在一定差異。基于這樣的背景下，本文提出在教學過程中引入汽車動力學仿真軟件，可以有效實現相關新技術的仿真模擬、動畫播放、數據分析等，促進“產”“學”“研”相協調的發展模型。

1 CarSim 與Simulink 軟件簡介

CarSim 是一款專業的汽車動力學仿真軟件，主要采用面向系統的建模方法。軟件結構主要分為圖形用戶界面、車輛數學模型、求解器三方面。Similink 是Matlab 軟件集成下的一個控制算法子系統，主要用于搭建相應的控制算法。

2 CarSim 和Simulink 軟件對教學的優勢

2.1 授課內容形象化，增強學生的理解

在汽車的相關課程中，主要講授汽車的基本原理和各種性能指標，往往涉及的理論性強，導致學生的學習興趣下降，教學質量不高。以汽車防抱死系統（ABS）的授課為例，在這部分的教學中往往反饋有如下問題，多種參數僅有定性分析，沒有具體量化，不同的車型、路面附著系數、車速的影響對車輛出現危險工況的情況沒有定量分析。多種結論只有數學公式的論證或者直接給出的參考數據作為支撐，沒有相應的動畫播放，不便于學生理解。

針對以上教學中反饋的問題，運用汽車動力學仿真軟件CarSim 與Matlab 聯合建模仿真，可以得到有效解決。首先，在CarSim 中建立車輛動力學模型，分別設置車輛的各種參數；選擇不同的跟隨路徑，設置不同的路面附著系數；用Simulink 模塊搭建相應的控制算法；最后進行仿真驗證，其流程圖如圖1 所示。

圖1 CarSim 和Simulink 聯合仿真教學流程圖

其中導入環節可以設置不同的車型、車輛的各種參數、不同的試驗路徑、算法，有效地增強了學生的求知欲，避免單純引入相關概念和純理論的枯燥感。有助于活躍課堂氣氛，便于學生理解相關的概念，實現知識的活化處理。在教學環節，主要分為仿真驗證、動畫輸出、授課講解三部曲。其中仿真的分析結果以曲線形式呈現，直觀、準確，可以充分理解ABS 的工作原理、影響因素及正確的制動方法。對仿真結果的提取中，通過有無ABS 汽車的仿真曲線與動畫進行對比，如圖2 所示。

圖2 有無ABS 制動仿真動畫對比

使評價指標形象具體化，便于學生理解和掌握ABS 的具體評教方法、評價過程、以至于得出更科學的結論。在師生互動環節，學生可以探討提問，教師對應疑難解答。如果學生對疑難解答反饋為否（N）的信號，教師可以重新返回到教學環節中去，反之，可以得出教學結論。

2.2 促進“產”“學”“研”相融合

隨著科學技術的不斷發展，教學所用的指定教材與老師所參考的教學講義對于新領域知識的更新具有一定的滯后性。這將導致教師的“教”與學生的“學”未能適應企業的“產”。一方面國內現如今還沒有出版相應的關于智能汽車的國家規劃教材。另一方面隨著中國“智能制造2025”的提出，市場對智能車領域的人才需求正在加大。這將導致教師的教與學生的學始終滯后于企業的產，使部分“校企合作”舉步維艱，學生所學專業與企業人才需求無法較好契合。

基于以上問題，采用CarSim 與Simulink 聯合建模仿真，搭建一個駕駛員模型即智能車轉向模型，可有效地實現對智能車輛相關知識的講解。這樣在CarSim 軟件中設置車輛的相關參數，在Simulink 中搭建相應的轉向控制算法，也可參考Simulink 集成的現有算法，如模糊邏輯控制算法、神經網絡控制算法、滑膜控制算法等[4]。基于所建的駕駛員模型可以實現對智能車的相關研究，及實現教師的“研”。在CarSim中設置不同的參數可以實現對車輛不同性能的驗證，在Simulink 中選擇不同的控制算法可以得到不同駕駛員模型。最后通過動畫輸出，以視頻的方式展現在教學中及實現老師的“教”，學生通過視頻觀看，問題提出，實現相應的“學”。這樣實現了知識的更新，保證了教學內容與當代熱點領域的銜接，使學生們所學知識與企業的“產”相適應。這樣可以有效的將教師、學生、企業結合起來，形成“產”“學”“研”的發展模式。

3 總結

將CarSim 和Simulink 軟件引用于教學環節，可以有效促進老師對熱點領域的研究，方便老師將新領域、新知識、新方法及時講授給當下學生，使學生所學知識與企業的需求相適應。避免了因設備昂貴、試驗工況危險等不利因素中斷了教學、科研與校企合作。可以有效促進企業、學生、教師三方面的“產”“學”“研”協調發展。同時車輛的先進技術僅需通過CarSim 和Simulink 軟件更新便可再現，避免了知識更新的滯后性。其仿真動畫以生動、形象、逼真的視頻播放方式展現給學生，便于學生理解和記憶，增強了學生的學習興趣，有助于提高教學質量。