智能循跡車設計在新工科創新驅動教學應用淺析

殷帥 蘇士田 徐偉 田婷

摘? 要：本文針對現有的單片機教學課程中大學生創新性和工程素養難以培養與課程創新教學方法不足的問題，提出了一種適用于大學生單片機教學的智能尋跡車的創新教學案例設計，給出了教學用智能車軟硬件設計，探索了教學案例的實施。該教學過程的實施充分培養了學生的工程開發能力，鍛煉了學生的程序獨立調試能力，為培養創新型人才提供了一個新思路。

關鍵詞：新工科? 創新驅動教學? 案例式教學? 智能車設計

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展規律，有目的、有計劃、有組織地對受教育者施加影響，從而把大學生培養成為符合社會需要的接班人。習近平總書記在2018年6月中央外事工作會議上明確指出：“當前，我國處于近代以來最好的發展時期，世界處于百年未有之大變局，兩者同步交織、相互激蕩。”為推動創新驅動的發展，國家提出了一系列以大數據、工業物聯網、量子計算等為代表的新興科技趨勢，面對新的發展趨勢，高等教育迫切需要進行新工科創新驅動教學研究。傳統教學方法的不足，要求教師必須針對學科交叉融合教學、工程技術素養提高提出新的改革創新理念和思路[1]。

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

1? 教學案例內容

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生的單片機獨立編程能力，還對鍛煉學生的學科交叉融合能力、動手能力等均有很強的教學帶動作用。

1.1 教學案例總體設計

給出的教學案例設計目的是為了提高學生的編程能力，在考慮調試復雜度的情況下，這里給出智能車循跡賽道任務圖。循跡智能車從起點處出發，在以不出賽道的前提下跑完一圈為設計目標，最終競賽時用時最短者成績最優。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成，教學過程中設計的教學用賽道如圖1所示。賽道黑色PVC板作為路面住材質，在賽道兩邊分別設置有30mm寬度的白色路肩，賽道中間設置有20mm寬的白色中線，白色中線兩邊分別設置有10mm寬的過渡帶。

1.2 教學案例控制方案設計

智能車的控制主要包括動力系統和轉向系統兩項，該兩項內容均由單片機實現整車的閉環控制，在整車閉環控制系統中，主要包括動力系統閉環控制和轉向系統閉環控制。智能車動力系統閉環控制通過編碼單元采集當前車速，反饋到控制單元，單片機在采集完轉速信號后，并與預設值進行比較，將差值信號通過PI計算，輸出當前轉速下的PWM信號驅動執行電機的旋轉;轉向系統通過紅外對管檢測當前轉角并反饋給控制單元，與動力系統一樣，將差值信號通過PD計算，輸出不同占空比的控制信號驅動舵機打角。整車通過動力系統和轉向系統的閉環控制進而實現整車的閉環控制。教學案例控制方案設計如圖2所示。

1.3 教學案例硬件結構設計

教學案例中，硬件內容主要包括以KT板制作的智能車車身、以STM32F407IGT6單片機為最小系統的控制電路、以電機和舵機的驅動元件、以E6A2-CS3C編碼器為速度檢測元件、以分立元件和LM350等構成的電機和舵機驅動電路和電源電路，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構。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構圖如圖3所示。

1.4 教學案例單片機資源分配

單片機資源分配如表1所示，經實驗驗證，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器，在一個程序可控的延時之后產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個驅動輪和舵機的周期。所以本設計采取的是用TIM0提供1ms的計時中斷，用TIM3的同步復位PWM方式，采取16ms的周期提供后輪電機的驅動控制。

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計過程中，用輸入端TI1作為編碼器的輸入接口，通過設置STM32單片機內部的TIMx_SMCR寄存器中的SMS=010，實現單片機在TI1的邊沿計數。

1.5 教學案例程序設計

針對教學案例要求，要求授課學生按照如圖4所示的程序流程圖設計程序。要求授課學生所編寫的程序具有參數設置和存儲的功能，學生可以通過調用賽車存儲的參數決定正式比賽參數。待學生調取參數完畢，學生需將賽車放入賽道，賽車通過紅外對管檢測發車閘門是否開啟，如果沒有開啟繼續等待。當檢測到比賽閘門開啟時，授課學生設計的賽車正式進入比賽環節，控制程序通過判斷預先設計的標志位決斷賽車當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，此時賽車開始減速，然后大角度轉彎，待檢測到賽道后退出直角轉彎模式;當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? 教學案例實施過程

在教學案例實施過程中，首先需要準備教學場地和教具的準備。教學場地一般控制在150m2較為合適，教學場地的前半部分設置實驗工作臺，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調試和比賽的賽道。由于要求授課學生自主完成賽車程序的撰寫與調試，這里使用的教學教具主要包括STM32主控板、驅動電路板、舵機、電機、車身制作KT板下載線等。

在授課過程中，對于教學案例中設計的幾種不同類型的賽道，要求學生根據不同賽道設計不同的控制方法。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，學生可以通過PID閉環控制，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，要求授課學生采用偏移量濾波算法進行較小幅度的調整角度，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，要求授課學生設計采用三階梯分段處理程序，分別對應程序的stage1、stage2和stage3。每一個階梯對應程序有不同的舵機角度，角度調試是后期學生課程調試的關鍵。

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迅速做出幅度達90°的轉彎，并且要保證在轉彎完成后能夠在最短時間內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，當出現連續直角彎時，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生工程素養能力的一項重要考驗。智能車在變道過程中，可以先小幅度預先打角度，這樣處理后就不用大幅度減速，大大優化了變道處理程序。

3? 結語

在單片機教學過程中通過采用實際的案例式教學，鍛煉了學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，而且豐富的教學案例可以有效提高學生的學習興趣和動手能力，該教學方法對培養新工科下具有創新能力的大學生具有一定的參考意義。

參考文獻

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