基于無人車競賽的車輛工程專業課程實踐教學方案設計

黃 瑞， 俞小莉， 楊愛喜， 陳俊玄， 盛軍輝， 陳沛禹

（浙江大學a.能源工程學院；b.工程師學院，杭州 310027）

0 引 言

近年來，隨著經濟與科技的發展，高校車輛專業傳統的培養方式所輸出的人才已很難滿足當今高度集成化的汽車行業所青睞的復合型、應用型人才需求［1-3］。為了突破傳統工科壁壘、促進多學科交叉融合、培養跨學科復合型人才，新工科建設計劃應運而生［4-7］。“項目制”是我校工程師學院積極響應新工科建設計劃而創新設立的一種新型學生培養模式，“汽車工程及其智能化”即為首個全日制專業學位研究生項目制研究方向。進入該項目制研究方向的研究生為來自光學、動力、電子與信息和電氣工程4個不同學科大類的本科生，研究生專業課程安排也具有跨學科性，充分體現了多學科領域交叉的特點。

基于學生本科專業背景差異大、新開專業課程學科知識跨度大的教學背景，為了實現研究生協同創新能力和實踐能力培養的教學目標［8-10］，汽車工程及其智能化研究方向特別開設了車輛工程專業課程設計與實踐教學課程，根據車輛自動駕駛技術發展對教學的需求，以無人駕駛小車為教學載體，開展從無到有的無人駕駛車平臺搭建、功能設計與課程競賽等多項實驗實踐教學活動，是一套針對性較強的實驗實踐教學方案。

1 教學目標與思路

車輛工程專業課程設計與實踐課程的教學目標是：通過教師的指導，學生能夠結合專業課程知識與產業實際技術需求進行專題設計研究，促進對前置專業課程的理解，培養理論聯系實際、學以致用的能力，更重要的是培養學生在具有多學科交叉背景的團隊中充分發揮各自優勢完成設計任務的能力。總的來說，本實踐教學環節著力培養學生在多學科交叉背景的團隊中相互學習、合作的團隊能力；應用所學理論知識分析問題、發現問題的能力以及自主拓展學習、獨立解決問題的能力?；谠撃繕耍n程教學方案的設計思路為：

（1）學生依托無人駕駛小車硬件平臺，以團隊的形式開展實踐，每個團隊須包含來自4個不同專業的學生。

（2）學生通過開展文獻查閱與市場調研，結合團隊成員的交叉學科背景提出多項能夠體現跨界思想的車輛自動駕駛技術進行開發，在規定的時間內完成開題、解題、結題的閉環流程。

（3）各團隊以競賽的方式開展車輛自動駕駛技術的結題報告和成果展示。

2 無人駕駛小車實踐教學開發與設計

2.1 硬件平臺的選擇與搭建

輪式移動機器人平臺是高校開展無人駕駛實驗教學的一種常用工具［11-13］。目前市面上有很多完全封裝的移動小車平臺，如直接利用此類平臺進行軟件開發，則無法訓練學生的系統性思維能力，也難以補足學生的車輛相關專業知識。因此，本課程只提供無人駕駛小車平臺必要的零部件和傳感器，由學生自主完成搭建和調試工作。

課程所提供的主要零部件有模型車底盤、有刷電動機、電調、鋰電池包、轉向舵機；控制系統方面，選擇樹莓派3B＋作為上位機、STM32單片機作為下位機用于接收簡單的傳感信號和發送PWM信號；傳感器方面，包括2D激光雷達、CSI接口5×106像素攝像頭、IMU慣性導航元件和超聲波傳感器。學生需要對小車進行組裝，并通過編程使小車能夠準確執行下發的控制指令，在整個過程中對汽車構造、汽車理論和控制理論等多門學科的知識進行實踐。無人駕駛小車平臺的整體框架如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 無人駕駛小車平臺整體框架圖

圖2 無人駕駛小車平臺實物圖

2.2 平臺功能設計與實踐

2.2.1 功能設計及能力培養

為充分鍛煉不同專業背景學生合作解決工程實際問題的能力，要求學生依托無人駕駛小車平臺，必須完成以下三大功能設計：循跡功能、自適應巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）功能、即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）與自主導航功能。此外，也可創新開發其他附加功能。

（1）循跡功能。循跡功能場地布置如圖3所示。場地道路軌跡主要包含直道、不同曲率彎道和十字交叉道路，同時在軌跡旁布置有紅綠燈、STOP交通標志，在軌跡上布置有行人、車輛和普通障礙物模型。

圖3 循跡功能場地示意圖

需要學生完成的開發工作包括：①實現基礎循跡。小車需完成對黑線道路軌跡的識別并實現在整個路況下的行駛。②識別行人、車輛實現避障。小車在逐漸靠近行人和車輛的行駛過程中，通過視覺傳感器識別目標物體進行避障動作，并在避障動作結束后重新循跡回到軌跡線上。③針對普通障礙物實現避障。④識別紅綠燈狀態實現“紅燈停綠燈行”。通過視覺傳感器識別紅綠燈當前狀態，并實現紅燈亮起過程中小車停在原地等待，綠燈亮起后小車繼續循跡行駛。⑤識別STOP標志實現停車。

培養學生掌握單片機原理、圖像處理、車輛運動學模型、信號傳輸通信、深度學習算法、運動控制算法等基礎知識，使學生具有系統架構觀念，能夠協調整合各個子任務要求，其不僅體現在硬件層面如傳感器的選擇上，同時在軟件層面上也要求學生認真思考各模塊代碼的調用與優先級設置。

（2）ACC功能。ACC功能場地布置如圖4所示。在空曠場地上布置直道黑色軌跡路徑，兩輛小車配合完成ACC功能。前車在圖中用A進行表示，通過循跡功能保持穩定向前加減速行駛，后車在圖中用B進行表示，為各團隊所設計制作的小車，通過使用相機、雷達傳感器或車間通信方式（V2V，Vehicle to Vehicle）測量與前車間隔的距離，時刻調整自車速度從而保持規定的安全距離。

圖4 ACC功能場地示意圖

需要學生完成的開發工作包括：①前車緩慢加速啟動與緩慢減速停車狀態下保持跟車。②前車急加速啟動與急減速停車狀態下保持跟車。

培養學生掌握超聲波雷達傳感器原理、數據濾波處理、經典控制算法等基礎知識，需要學生通過自主查閱資料研究當前整車應用ACC系統現狀以及相關技術原理，并以此為基礎完成小車平臺相關功能開發。

（3）SLAM與自主導航功能。SLAM與自主導航功能場地布置如圖5所示。最外圍的黑色框代表所設置的封閉場地，場地內布置固定障礙物，各團隊的小車在已建地圖的基礎上完成從發車點行駛到停車點的自主導航任務。

需要學生完成的開發工作包括：①遍歷行駛場地進行建圖?？刂菩≤嚤闅v測試場地，建立完整的測試場地地圖。②無障礙導航。如圖5（a）所示，以停車標志物為導航目標，小車從固定發車點自主導航行至場地目標停車圓內。③固定障礙導航。如圖5（b）所示。④實時避障導航。導航期間當小車運動到A點時，迅速加入障礙物，測試小車能否及時重新規劃路線，繞開障礙物前往目標點。

圖5 SLAM與自主導航功能場地示意圖

培養學生掌握激光雷達點云數據處理、ROS（Robot Operating System）操作、路徑規劃算法、SLAM算法等基礎知識，實現自動駕駛車輛在無GPS定位情況下地圖構建及自身位置確定的功能，以及完成抵達預設目標點的自主導航。

（4）其他附加功能。鼓勵學生在完成規定功能設計開發之余進行自主創新，如自動泊車、無線充電和APP遠程控制等相關技術功能。

培養學生獨立發現問題、解決問題的能力以及通過文獻閱讀、企業走訪、市場調研等手段探究設計課題任務，自主研究技術路線、設計解決方案的工程協同創新能力。

2.2.2 競賽考核及評分規則

汽車工程及其智能化項目制課程的考核內容包括開題報告、中期匯報和成果展示，其中成果展示占有重要比例。為了激發學生積極主動的學習動機、培養嚴肅認真的學習態度、營造比學趕超的學習氛圍，成果展示的形式為自動駕駛競賽（見圖6）。競賽結果直觀有效，對參賽團隊而言，既是完成考核任務，也是研究成果展示，更是實現自我挑戰與超越［14-16］。評分規則設置如表1所示。

表1 無人駕駛競賽評分表

圖6 智能車競賽現場圖

3 學生設計成果

基于“循跡功能”設計開發，學生掌握軌跡圖像處理算法和基于YOLOv3的目標識別算法，效果圖如圖7、8所示。

圖7 軌跡圖像處理過程效果圖

圖8 基于YOLOv3設計的目標識別算法效果圖

以基礎循跡子任務為例，攝像頭獲取軌跡原始彩色圖像，經過灰度化、圖像分割、圖像去噪、邊緣檢測后達到如圖7（c）所示效果，通過相機標定計算出預瞄位置與當前車身方向的橫向偏差距離值，根據基于最小誤差的單點預瞄駕駛員模型計算出前輪轉角用以控制小車未來時刻的行駛軌跡方向以實現對軌跡的跟蹤。目標識別子任務中，學生充分考慮識別目標種類的多樣化和復雜性，采用深度學習方法，基于YOLOv3算法采集制作目標物體數據集，對YOLOv3-tiny模型進行微調訓練，進而實現對行人、車輛、紅綠燈、STOP標志的有效識別。

SLAM與自主導航功能建圖效果與路徑規劃效果如圖9所示。基于ROS采用Gmapping算法實現建圖子任務，基于車輛阿克曼轉向模型編寫導航程序，在可視化界面輸入目標導航點，程序輸出一條合理的規劃軌跡并發布運動控制指令，小車即可實現自主導航功能。

圖9 SLAM與自主導航功能效果圖

4 結 語

本文以汽車工程及其智能化項目制培養模式為依托，結合學生本科專業背景差異大、新開專業課程學科知識跨度大的教學背景，設計新型實驗實踐教學方案。結合車輛無人駕駛技術，以無人駕駛小車為教學載體，由學生自主搭建調試小車平臺，完成課程規定功能設計和自主創新附加功能。通過無人駕駛競賽對教學成果進行評估，有效激發學生深層次學習動機。根據教學過程實際和反饋情況，本實踐課程加深了學生對前置專業課理論知識的理解，發現問題、解決問題的能力得到鍛煉，不同專業背景的學生在團隊中互相學習滲透，提升跨學科學習能力，是面向汽車行業智能化培養復合型、創新型和應用型專業人才的一次有益探索。