面向智能交通實踐課程的微縮智能車設(shè)計方案及教學(xué)應(yīng)用研究

摘 要 針對智能交通專業(yè)實踐教學(xué)過程中遇到的測試場地、實踐成本、安全風(fēng)險等方面的問題，提出面向智能交通實踐課程的微縮智能車設(shè)計方案。通過對真實智能網(wǎng)聯(lián)車按照一定比例進(jìn)行微縮移植，結(jié)合多種先進(jìn)的傳感器，微縮智能車可以基本復(fù)現(xiàn)真實智能網(wǎng)聯(lián)車的功能。同時，綜合考慮智能交通專業(yè)實踐教學(xué)在數(shù)據(jù)方面的需要，微縮智能車可以開放傳感器數(shù)據(jù)、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、車輛動力控制數(shù)據(jù)等多種類型數(shù)據(jù)，滿足實踐教學(xué)的數(shù)據(jù)需求。此外，微縮智能車可以支撐部分實踐教學(xué)實驗，也可以與智能交通沙盤和駕駛模擬器進(jìn)行搭配，支撐復(fù)雜場景下的實踐教學(xué)，助力智能交通專業(yè)人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 智能交通；實踐教學(xué)；微縮智能車

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0032-06

0 引言

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的出現(xiàn)得益于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能車輛的有機(jī)結(jié)合，是通過各類車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等先進(jìn)裝置之間的聯(lián)動，并在此基礎(chǔ)上與無線通信技術(shù)、智能感知技術(shù)、信息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)深度融合的新一代信息技術(shù)的產(chǎn)物，也是當(dāng)前世界各國智能交通領(lǐng)域研究和發(fā)展的重點。

高校作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)理論研究的前沿陣地，承擔(dān)著理論測試和人才培養(yǎng)的重?fù)?dān)。很多高校通過新增專業(yè)或者實訓(xùn)來解決智能交通行業(yè)人才短缺的問題，然而由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)涉及多學(xué)科交叉并且受限于測試場地、實驗成本、安全風(fēng)險等因素，高校在實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)往往會受到很大制約。隨著智能交通技術(shù)的發(fā)展，智能交通相關(guān)專業(yè)也開始在智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)方面開展理論研究與實踐實訓(xùn)，然而在學(xué)生培養(yǎng)方面往往只是采用理論教學(xué)與虛擬仿真軟件相結(jié)合的方法，缺少真實實踐環(huán)境，學(xué)生在課程教學(xué)中學(xué)習(xí)到的理論知識和算法功能等很難得到驗證，對智能交通相關(guān)技術(shù)以及其涉及的功能了解較淺。

微縮智能車與真實智能網(wǎng)聯(lián)車相比成本低，并且是按照一定比例對真實車輛進(jìn)行微縮，在一定程度上可以復(fù)原智能網(wǎng)聯(lián)車所具有的基本功能，具備實際參考價值。

采用微縮智能車進(jìn)行智能交通實踐教學(xué)是有其必然性的，國內(nèi)外部分高校已經(jīng)開始探索使用微縮智能車解決智能交通與車輛工程專業(yè)在實踐教學(xué)中遇到的難題。例如：山東科技大學(xué)的李旭等[1]針對智能交通人才培養(yǎng)模式，開始研究基于智能交通系統(tǒng)的車路協(xié)同一體化實踐教學(xué)平臺的建設(shè)方案，探索了車路一體化實踐教學(xué)平臺的智能電動車、智能道路交通信息和智能車路協(xié)同三個實踐教學(xué)子平臺的建設(shè)方案；浙江大學(xué)的韓濤等[2]針對探究型實驗在實施過程中的問題，構(gòu)建了基于智能車系統(tǒng)的探究型實驗平臺，實踐證明，以微縮智能車為主線的探究型實驗平臺可以促進(jìn)實踐教學(xué)實施，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)；淮北師范大學(xué)的李想等[3]面向卓越工程師的培養(yǎng)，基于微縮智能車設(shè)計并實現(xiàn)了一種面向?qū)W生培養(yǎng)的實踐教學(xué)平臺，通過該平臺可以顯著提高學(xué)生的實踐動手能力和工程實踐能力；武漢大學(xué)的楊飛等[4]利用微縮智能車趣味性高、實用性強(qiáng)、復(fù)用性好等特點，依托全國大學(xué)生智能汽車競賽，從實踐教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)模式兩方面進(jìn)行創(chuàng)新研究，提升了學(xué)校的實踐教學(xué)水平和學(xué)生的綜合能力；荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Gietelink O等[5]、長安大學(xué)的徐志剛等[6]搭建了車路協(xié)同半實物仿真平臺，在此平臺上基于微縮智能車對典型交通場景下的車輛編隊問題進(jìn)行建模、仿真與控制等方面的實驗研究。

然而，當(dāng)前所提到的基于微縮智能車的實踐教學(xué)研究較為籠統(tǒng)，對微縮智能車的設(shè)計、功能以及可支撐實驗的介紹較少，而這也正是在智能交通實踐教學(xué)過程中被廣泛關(guān)注的。因此，本研究從微縮智能車設(shè)計和實踐教學(xué)出發(fā)，充分考慮智能交通專業(yè)在實踐教學(xué)方面的實際需求，在理論與實踐結(jié)合、自主創(chuàng)新實驗、新技術(shù)轉(zhuǎn)化驗證等教學(xué)需求方面能夠貼合高校的實踐教學(xué)模式。所提出的微縮智能車可衍生適用于多種典型智能交通場景，為智能交通創(chuàng)新實踐教學(xué)和創(chuàng)新平臺的搭建解決關(guān)鍵技術(shù)難點，滿足實踐教學(xué)中動手實踐能力和技術(shù)驗證中科研能力的綜合培養(yǎng)要求。

1 微縮智能車設(shè)計

微縮智能車是根據(jù)真實自動駕駛汽車設(shè)計的微型智能自動駕駛車輛，能夠復(fù)現(xiàn)真實智能網(wǎng)聯(lián)車輛所具有的基礎(chǔ)自動駕駛與車聯(lián)網(wǎng)功能。微縮智能車的常見設(shè)計比例有1∶5、1∶10、1∶20等，不同比例的車輛所能達(dá)到的智能化程度也不相同，越接近真實比例的縮微智能車技術(shù)越完善、功能越強(qiáng)大，與此同時造價也會更高。不同比例的微縮智能車都需要保證在等比例微縮的智能交通環(huán)境中能夠正常行駛，并具備真實自動駕駛汽車的主要功能，如自主避障、超車、交通標(biāo)志標(biāo)線識別、自主泊車等。

微縮智能車為保證實現(xiàn)自動駕駛功能，采用自動控制、人工智能、計算機(jī)視覺、傳感器等技術(shù)，并內(nèi)嵌對應(yīng)的人工智能算法，可以驗證相關(guān)智能算法的應(yīng)用效果，并且實驗測試結(jié)果能夠為自動駕駛技術(shù)提供參考和借鑒。

1∶5、1∶10、1∶20三種型號的微縮智能車如圖1所示，三種不同型號的智能車可以適應(yīng)不同環(huán)境。1∶5比例的微縮智能車能夠在真實道路環(huán)境下實現(xiàn)自動駕駛，能夠利用單目/雙目攝像頭對車輛和行人進(jìn)行自主識別，并且可以利用配備的激光雷達(dá)對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，完成復(fù)雜場景下的激光建圖任務(wù)。此外，還可以根據(jù)實際需要，進(jìn)行自主路徑規(guī)劃。因為1∶10和1∶20比例的微縮智能車體積小，所以可以構(gòu)建對應(yīng)的微縮交通環(huán)境，實現(xiàn)車輛在微縮交通路網(wǎng)環(huán)境下的自動駕駛，并使用RSU、UWB、GPS、RFID等技術(shù)實現(xiàn)車輛信息傳輸和精準(zhǔn)定位。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以1∶10比例微縮智能車為例，車輛長、寬、高尺寸分別為45 cm、20 cm、17 cm，采用阿克曼轉(zhuǎn)向競速級碳纖維RC車體，配備前后懸掛避震和四驅(qū)差速驅(qū)動系統(tǒng)，車輛前輪采用適用于大型車和小型車且具有良好的響應(yīng)性和操控性的麥弗遜式獨立懸掛，后輪采用結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小的拖拽臂式懸掛。車輛電源采用7.6 V、2.6 Ah鋰電池，可以持續(xù)運行三小時以上。

在芯片和處理器方面，車輛芯片選擇低功耗、高性能的六核智能決策芯片，主頻高達(dá)1.8 GHz，能夠支持多種操作系統(tǒng)。處理器采用CORTEX-M3運動控制處理器，實現(xiàn)對微縮智能車的運動狀態(tài)控制。同時，車輛配置包含單目攝像頭、深度攝像頭、九軸IMU（Inertial Measurement Unit）、單線高精度激光雷達(dá)和紅外測距傳感器在內(nèi)的多種核心傳感器，滿足微縮智能車自動駕駛功能實現(xiàn)的信息檢測需求。

此外，車輛還配置可選尺寸的全彩車路協(xié)同信息屏，能夠?qū)崟r顯示車輛信息；搭載2.4 G/5 G工業(yè)級Wi-Fi模塊，同時包含無線充電模塊，可以實現(xiàn)無線充電。車輛燈光系統(tǒng)與真實車輛保持一致，包含前大燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈等多類型燈組，并能充分發(fā)揮功能。微縮智能車輛基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 功能設(shè)計

微縮智能車在進(jìn)行功能設(shè)計的過程中充分考慮了智能交通實踐課程教學(xué)需求，對微縮智能車的車輛角色定義功能、自主運行功能、智能識別功能、自主防撞功能等進(jìn)行設(shè)計如圖3所示。

首先，微縮智能車可以根據(jù)需要更改車輛角色信息，例如私家車、警車、公交車、工程車等，并且可以定義擴(kuò)展；車輛行駛速度可以在0～1 m/s范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，速度的最小變化可達(dá)0.01 m/s。微縮智能車可實現(xiàn)車輛自主OD路徑規(guī)劃，用戶可以隨機(jī)選擇車輛的起訖點，當(dāng)車輛在行駛過程中遇到特殊情況時，可以根據(jù)需要切換到輔助路徑，微縮智能車控制系統(tǒng)上會自動顯示路徑規(guī)劃的變化。

其次，微縮智能車具備一定的安全自主運行能力，在中控系統(tǒng)與車輛之間出現(xiàn)通信失靈的情況下，如道路通信設(shè)備、車輛的信號接收設(shè)備等模組在部分失效時，能夠保證微縮智能車安全行駛，并使智能車就近靠邊停車或者駛?cè)敫浇踩珔^(qū)域。同時，微縮智能車可實現(xiàn)自動超車和換道，在滿足安全超車或換道的前提下，智能車能夠自主判斷行駛路徑；可以實現(xiàn)自適應(yīng)速度調(diào)節(jié)和定速巡航，并能夠根據(jù)道路限速標(biāo)志自動調(diào)整行駛速度；可以實現(xiàn)按照信號燈指示行、停，能夠接受紅綠燈廣播信號，并能根據(jù)紅綠燈狀態(tài)控制行駛狀況（加速、減速、停止）；可以實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)汽車軟件算法的移植和驗證，且算法運算周期控制在1 ms以內(nèi)。

再次，微縮智能車可以通過激光雷達(dá)、深度攝像頭等感知設(shè)備進(jìn)行智能識別，可以自動識別微縮場景下的車輛、信號燈、行人等信息（圖4a），并且可以根據(jù)深度學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)車道線識別（圖4b）。微縮智能車內(nèi)嵌的算法可以根據(jù)需要進(jìn)行更換，識別精度可以根據(jù)算法進(jìn)行調(diào)整。

微縮智能車配備自主防撞系統(tǒng)，可以利用各種先進(jìn)的傳感器技術(shù)感知道路交通環(huán)境信息，在遇到突發(fā)狀況（事故、擁堵、道路關(guān)閉）時能自主采取制動或轉(zhuǎn)向等避障措施，并能將突發(fā)狀況及時發(fā)送給后續(xù)車輛和中控系統(tǒng)。該防撞模型采用真車的自動控制防追尾系統(tǒng)，正常狀態(tài)下，系統(tǒng)關(guān)閉；當(dāng)檢測到兩車車距小于閾值時，啟動自動制動裝置。微縮智能車還可以自主實現(xiàn)多車編隊巡航、不同車型編隊、車隊動態(tài)合并與分解等車隊運行相關(guān)操作。

最后，微縮智能車可以提供車輛控制API接口和九軸IMU全部數(shù)據(jù)接口、速度和角速度控制接口、8路紅外傳感器數(shù)據(jù)接口、攝像頭識別車道曲率算法接口等，方便使用人員進(jìn)行二次開發(fā)。微縮智能車可以開放多種車輛運行數(shù)據(jù)，如表1所示，供師生在實踐教學(xué)過程中使用。

2 實踐教學(xué)應(yīng)用研究

微縮智能車可以支撐交通數(shù)據(jù)采集與處理實驗、綜合交通控制實驗、自動駕駛技術(shù)實驗、車路協(xié)同技術(shù)實驗等多種實踐教學(xué)課程實驗，還可以通過與智慧管理調(diào)度決策系統(tǒng)、駕駛模擬器和智能交通沙盤平臺結(jié)合開展更豐富的實踐實訓(xùn)。

智慧管理調(diào)度決策系統(tǒng)（圖5）是無人駕駛系統(tǒng)中對微縮智能車、路徑規(guī)劃、智能路側(cè)設(shè)備、場景模擬裝置等進(jìn)行調(diào)度、控制和效果展示的PC端系統(tǒng)，主要包括車輛角色定義與任務(wù)流程控制系統(tǒng)、車輛調(diào)度路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)、智慧交通誘導(dǎo)及信息發(fā)布系統(tǒng)、車輛速度控制系統(tǒng)、車輛跟馳控制系統(tǒng)、車路協(xié)同控制系統(tǒng)、智能車比賽評價系統(tǒng)和沙盤模擬顯示系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

駕駛模擬器（圖6）可以與微縮智能車通過協(xié)議進(jìn)行對接，實現(xiàn)微縮智能車與駕駛模擬器之間的孿生映射，打通視覺感知、駕駛決策和駕駛行為三大孿生要素，實現(xiàn)微縮智能車與駕駛模擬器之間的互聯(lián)互通，能夠支撐駕駛?cè)诵袨榉矫娴膶嵺`課程教學(xué)實驗。

智能交通沙盤平臺（圖7）是將真實交通場景按照微縮智能車的比例進(jìn)行微縮移植，為微縮智能車提供車輛運行環(huán)境。同時，在沙盤平臺上布設(shè)多種類型的智能交通設(shè)備（可變情報板、可變限速標(biāo)志、網(wǎng)聯(lián)信號燈、交通檢測設(shè)備等），可以實現(xiàn)路側(cè)設(shè)備與微縮智能車之間的互聯(lián)互通，復(fù)現(xiàn)真實智能網(wǎng)聯(lián)車輛的車路協(xié)同功能，并能在此基礎(chǔ)上支撐多場景課程實驗。

微縮智能車及其輔助系統(tǒng)可以支撐智能交通相關(guān)專業(yè)的數(shù)十種實驗項目，包括交通工程認(rèn)知類、交通工程設(shè)計類、交通信號控制類、交通信息采集類、通信傳輸類、智能自動駕駛類、車路協(xié)同類等實驗項目。

3 結(jié)束語

本研究從智能微縮車設(shè)計和實踐教學(xué)應(yīng)用方面論述了微縮智能車在智能交通實踐教學(xué)方面的功能與效用，通過對真實智能網(wǎng)聯(lián)車進(jìn)行微縮，根據(jù)實踐教學(xué)需求配備多功能傳感器，設(shè)計并研發(fā)滿足智能交通相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)需求的微縮智能車。面向智能交通實踐課程的微縮智能車設(shè)計可以為智能交通及車輛工程、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)教學(xué)提供強(qiáng)有力的支撐，提升普通高校和職業(yè)院校學(xué)生的綜合實踐能力。通過微縮智能車能夠全方位、立體化地展示智能交通前沿技術(shù)（自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等）應(yīng)用效果并評估其效用，對多種智能交通典型場景進(jìn)行相關(guān)算法測試、功能調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等實驗驗證。針對普通高校和職業(yè)院校實踐課程的教學(xué)需求，微縮智能車在智能交通實踐教學(xué)中的應(yīng)用能夠使學(xué)生深刻理解和掌握智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用，同時全面提升學(xué)生的實踐操作技能和科研創(chuàng)新能力。

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