CarSim軟件在高職院校汽車專業教學中的應用

摘 要：隨著汽車不斷向智能化發展，高職院校的汽車專業教學也面臨新的挑戰。本文分析了智能網聯汽車技術這類新課程在教學中存在的問題，結合高職院校的教學特點，提出在教學中引入仿真軟件CarSim，以實現自動駕駛相關新技術的仿真模擬、動畫播放和數據分析等，旨在為學生提供更優質的教學資源，培養創新型應用人才。以車道保持輔助功能的授課為例，介紹了CarSim軟件在教學中的具體應用。

關鍵詞：CarSim 仿真軟件 高職 汽車專業 教學

1 引言

隨著汽車行業的飛速發展，汽車的智能化已越來越凸顯其重要性。智能化指的是汽車搭載智能傳感器、控制器和執行器，融合通信、網絡和人工智能技術，以V2X信息交換實現自動駕駛，讓駕駛體驗更加安全、舒適和高效。我國對駕駛自動化分為L0-L5級，目前市場上以組合駕駛輔助L2級為主，2022年燃油車在L2及以上的滲透率為32%，而新能源汽車滲透率則達到了46%，預計到2025年能達到70%以上，可見汽車向智能化發展的強勁趨勢。隨之而來的人才需求也變得更加迫切，但傳統汽車工程人才已不能滿足要求，亟需培養一批既精通軟件又懂汽車技術的復合型人才[1]。高職院校傳統的汽車專業教學以汽車基礎理論為主，而對于新興技術的教學還處于探索階段，已有一些學者在課程設計上做出新的嘗試[2-3]?；谶@樣的背景，本文以智能網聯汽車技術這門課程為基礎，提出在教學中引入仿真軟件CarSim，實現自動駕駛相關新技術的仿真模擬、動畫播放和數據分析等，旨在為學生提供更優質的教學資源，培養創新型應用人才。

2 課程教學面臨的問題

智能網聯汽車技術這門課程是高職院校汽車專業新開設的公共課，涉及傳感器、計算機、大數據、云計算、人工智能、無線通信、導航定位、模式識別、機器視覺、智能控制等多種先進技術，是一門跨學科、跨領域的全新課程，其覆蓋的知識面非常廣泛，對教師教學和學生學習都帶來了挑戰，當前的課程主要存在以下幾點問題。

2.1 課程難度大

智能網聯汽車技術分為環境感知層、決策規劃層和控制執行層三個層次[4]，每個層次包含的知識內容各不相同。環境感知層主要是各類智能傳感器，包括超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達、視覺傳感器和慣性導航單元，還有導航定位系統、高精地圖、無線通信和C-V2X技術；決策規劃層主要是各種識別技術，包括道路識別、車輛識別、行人識別、交通標志識別、交通信號燈識別、駕駛員疲勞識別等，還有路徑規劃、行為決策等技術；控制執行層主要是車輛的五大控制系統，包括驅動控制、制動控制、轉向控制、底盤控制和檔位控制，還有各類安全預警和人機交互系統等。每個層級涉及到的技術繁雜，需要教師對各個相關領域都有所了解，能夠將知識融匯貫通。

同時，每個層級也有各自的側重點，環境感知層更注重智能傳感器硬件的學習，一方面要讓學生認識、了解硬件相關知識，另一方面也要學習不同參數對硬件性能的影響。決策規劃層相當于智能網聯汽車的大腦，更注重軟件方面的知識傳授，例如各種識別、規劃和決策算法?？刂茍绦袑觿t更接近傳統汽車專業的知識，其主要的技術是線控技術，包括檢測反饋技術、指令信號處理技術、轉換放大技術等。根據這些層級不同的側重點需要在教學中引入不同的手段和方法，幫助學生更好的學習本門課程。

2.2 技術更新快

不同于傳統汽車專業，智能網聯汽車技術的更新迭代速度更快，例如環境感知層的激光雷達，按照有無旋轉部件分為機械激光雷達、固態激光雷達和混合固態激光雷達，它們的特點和性能以及在汽車上的應用都在不斷更新發展中，學習不同類型激光雷達的原理，及時了解業界動態就成為學習這門課程的重要手段。決策規劃層的內容也在不斷更新中，例如各種識別技術需要教師緊跟技術前沿，主動學習各種前瞻技術，并將這些知識和應用深入淺出地教授給學生。最后控制執行層則是線控技術和人機交互技術的不斷演進，不斷需要對傳統汽車底盤技術有深刻的理解，還需要結合新的技術點加以深入，這就對教師高效授課提出了更高的要求。

2.3 實踐機會少

智能網聯汽車相關的技術雖然繁多，但對學生而言能實際操作的內容卻較少，這與高職學生喜歡動手實踐的學情特點不相符，學生單純學習理論知識容易產生枯燥厭煩的情緒，不利于課程的學習。如何能提升學生的學習興趣，增加實踐機會是本門課程設計需要思考的問題。尤其是學習自動駕駛算法相關偏軟件的技術，需要引入工具幫助學生學習，因此仿真軟件就是一個非常好的選擇，其提供仿真模擬、動畫播放和數據分析等功能，幫助學生更好的理解所學知識。

3 CarSim軟件介紹

CarSim是一款專門針對車輛動力學的仿真軟件，可以實現對駕駛員、不同路況和空氣動力學輸入的響應，通過設置整車各系統的參數、自定義算法對自動駕駛功能進行仿真。仿真結果通過三維動畫播放，并生成數據分析圖形幫助用戶理解具體功能。其強大的后臺數據，包括車型、工況和自動駕駛算法能讓用戶在短時間內就完成一次仿真練習并實時觀察數據結果。CarSim也能與數學模型很好地結合，例如跟Matlab/Simulink進行聯合仿真，建立自動駕駛算法模型，更深入地理解自動駕駛功能。

4 CarSim軟件在汽車專業教學中的應用

針對智能網聯汽車技術在教學上的問題，以車道保持輔助（LKA）功能的授課為例，介紹CarSim軟件在教學中的應用。LKA是通過主動監測汽車行駛時的橫向偏移，對轉向系統和制動系統進行協調控制，使汽車穩定行駛在預定的車道上，以減輕駕駛員負擔、減少交通事故的系統。將CarSim應用于教學中主要從以下三個方面展開。

4.1 分層設計具象化

學生在學習該系統時，僅學習理論知識無法建立起該系統具象化的工作過程，容易產生表面懂了的假象。引入了仿真軟件后，從智能網聯汽車技術的三個結構層次入手，每個層次都施以具體的展示，幫助學生理解，真正學習到功能內涵。

如圖1所示，在環境感知層用CarSim通過車輛配置來設置不同傳感器，例如使用毫米波雷達，那么毫米波雷達應如何分類，如何選擇工作頻段、設置測距范圍等都可以在此過程中一一向學生講解，讓學生對環境感知層的傳感器有直觀的認識。接著配置道路的幾何參數、附著系數、阻力系數、周圍環境等來設置不同工況，例如直道和彎道的選擇，啟發學生思考在不同的道路下LKA功能應該如何運行。在決策規劃層可以在Matlab/Simulink中構建數學模型，設計不同的車道偏離預警算法和車道保持控制算法，再放到Carsim中進行聯合仿真，以驗證算法的有效性，可以對學生講解在智能網聯汽車的設計流程中模型在環的概念，即在軟件開發之前先用模型驗證需求，在前期預防錯誤發生能有效減小后期軟件開發中的投入。在控制執行層可以通過在CarSim中設置車輛的操作與運行環境、告警系統等，實現車輛的控制和預警，并啟發學生思考應該何時進行干預，何時進行預警，讓學生充分理解LKA功能的設計思路，而不是囫圇吞棗學習該功能原理。

4.2 軟件仿真可視化

仿真結果的可視化體現在：（1）三維動畫演示。通過切換不同視角，可全方位查看車輛在運行過程中各個角度的情況。學生對軟件的學習興趣較高，可在演示過程中鼓勵學生自主發現“彩蛋”功能，激發他們的學習興趣，對軟件操作不畏懼。（2）各參量的線性關系表示?？v向和橫向的位移、速度與時間的關系，都可以通過變化曲線圖展示出來，便于分析仿真結果。ADAS功能的仿真能夠在短時間內完成并展現通過數據展現，能夠很快吸引學生注意力，一方面傳授查看圖表的方法，另一方面要鼓勵他們自己通過數據發現問題，培養學生積極探索和發現的個人素養。

在環境感知層，如圖2所示，車輛左右兩側的矩形方塊標識毫米波雷達在側面的測距范圍，車輛前端延伸出來的線條是視覺傳感器監測到的車道線。在講解該內容時要啟發學生自己尋找動畫中的“異?！睒俗R，學生通過尋找、發現，進一步思考標識的作用，對不同的感知傳感器的作用和特點能理解更深入。

在決策規劃層，根據車道偏離預警算法對車輛偏離正常行駛軌道進行預警，如圖3所示。在演示動畫后向學生提問，如何能改變預警時機，引出LKA功能中閾值設定的內容，同時介紹不同車型上該功能的表現，能夠讓學生進一步理解功能實現過程。

在控制執行層，對車輛的橫向位移進行控制，通過將仿真結果可視化幫助用戶分析車道保持控制的效果。如圖4所示，車輛的橫向實際運行軌跡和目標軌跡基本重合，說明車道保持功能的效果良好。

4.3 學習實踐任務化

經過課上的講解和演示，課后給學生布置拓展任務進一步鞏固所學，例如設置不同的車型、車輛的各種參數、不同的工況路徑、算法、修改傳感器的監測距離等。一方面檢測了課堂學習效果，另一方面通過增加學生的實操訓練，增強學生的動手能力，避免一看就會一用就廢的現象。任務可以讓學生分組完成任務，展示仿真結果并通過具體參量的變化說明修改前后的差異，解釋ADAS功能性能如何通過數據解讀。

將學習實踐以任務的形式展開，讓學生帶著目的來學習，而不是一味跟隨老師學習，真正讓學生成為學習的主體，更深入理解和掌握所學內容。小組內的同學共同完成任務，也有利于培養學生團結合作的意識，形成良好的職業素養。

5 結論

將仿真軟件引入汽車專業的教學當中，一定程度上解決了智能網聯汽車技術課程存在的問題，激發了學生的學習熱情，將這種新手段融入課程教學，旨在提升汽車專業教學的多樣性、先進性，避免了課程老舊、跟不上前沿技術等問題。在實際實施中還存在一些問題，例如學生的接受能力有限，需要多次反復引導學生進行觀察、思考，也要不斷插入鞏固已學知識點，讓學生對所學內容融會貫通。相信在不久的將來，汽車專業的學生對于這類仿真軟件的使用會越來越嫻熟，能涉足的行業也會越來越廣闊。

參考文獻：

[1]蔣北艷，梁曄，徐小紅.智能網聯汽車技術課程體系構建方法[J].時代汽車，2023（12）：71-73.

[2]李俊凱，肖揮厘，李國強.高級駕駛輔助系統課程教學探索[J].汽車實用技術，2022，47（7）：156-160.

[3]楊浩.CarSim/Simulink軟件在教學中的應用[J].汽車實用技術，2019（17）：237-238，258.

[4]曾鑫，付昌星，李洲榮. 智能網聯汽車技術[M].北京：航空工業出版社，2021.