面向自動駕駛人才培養的“車輛動力學及其控制”課程改革探索

摘 要：面向新工科建設和自動駕駛人才培養需求，對車輛工程、交通運輸工程等相關專業研究生的核心課程《車輛動力學及其控制》進行教學改革探索，更新了課程內容，自主研制了“智能無人電動汽車教學實驗平臺”，綜合運用多種教學方法，改進課程考核方式，取得了較好的教改實踐效果，可以為自動駕駛人才培養提供有益參考。

關鍵詞：自動駕駛 車輛工程 動力學 控制 教學改革

1 緒論

具有高級別自動駕駛功能的智能網聯電動汽車，能夠極大地方便人們的出行，是可以被打造成自動駕駛產業鏈和生態系統的理想終端，具有巨大的商業價值和工業價值，已經成為各大傳統車企、造車新勢力以及互聯網公司追逐的焦點，成為汽車產業的發展方向[1]。在自動駕駛產業快速發展的過程中，急需高校培養大批具備新知識體系和創新思維的自動駕駛人才。自動駕駛智能網聯汽車是指搭載了先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信與網絡技術，實現車與X（車、路、人、云等）（V2X）智能信息交換、共享，具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能，可實現安全、高效、舒適、節能行駛，并最終實現無人駕駛的新一代汽車[2]。自動駕駛是智能網聯汽車的核心功能，包括感知、定位、規劃、決策和控制執行5個過程，具有明顯的多學科交叉屬性，涉及環境感知、智能決策、控制執行、車聯網等多種復雜技術。

目前，研究生是科研人才培養的主力軍，也是高校自動駕駛人才培養的中堅力量。《車輛動力學及其控制》是一門面向智能車輛工程、交通運輸工程、車輛工程等專業研究生的核心課程，主要研究車輛運動與受力的關系，通過建模和仿真分析車輛的運動規律及其在加速、制動、轉向、振動等過程中的性能，并研究如何控制和改善性能，與自動駕駛車輛的線控技術密切相關，對于自動駕駛應用型和復合型高層次人才培養具有重要作用[3]。鑒于這門課程的重要性，國內有車輛工程專業的理工科高校大都開設了這門課程，課程名稱存在一些差異，常用的課程名稱包括《車輛系統動力學》《車輛動力學與控制》《汽車動力學》等，但教學內容和知識體系基本一致[4-5]。目前，自動駕駛技術更新換代快，企業希望入職畢業生能夠馬上獨立承擔工作，對人才培養提出了新的要求，導致傳統的課程知識體系、教學方法、培養模式已經出現諸多問題。因此，本文以《車輛動力學及其控制》課程為例，面向自動駕駛人才培養的需求，從課程內容、教學方法、考核方式等方面開展教學改革研究和實踐探索。

2 目前存在的不足和改革方向

汽車是一個由成千上萬個零部件組成的復雜跨界交叉系統，隨著計算機、電子、人工智能等技術的發展，汽車的內涵和外延在不斷地變化。對于汽車動力學系統，有兩次大的變革，第一次是20世紀90年代開始的汽車防抱死系統、驅動防滑系統等電子裝備大量開發和應用，第二次是2010年之后的線控系統、自動駕駛、智能座艙等技術的快速發展和應用。但是，目前國內很多高校汽車動力學相關的教材仍然使用20世紀米奇克編著的《汽車動力學》、安部正人編著的《車輛操縱動力學》等經典書籍[6]，課程知識體系和內容已經落后于汽車技術的進步，無法滿足自動駕駛行業的需求。因此，急需補充電動汽車、線控底盤、智能控制等新知識。

智能手機、平板電腦等電子產品在方便人們生活的同時，也對學生的學習造成了威脅，例如，有的學生在課堂上玩手機，課下做作業不動筆，遇到問題不思考，而依賴于網絡搜索引擎。尤其是在學習一些理論難度大、知識點多的課程時，提不起學習興趣，遇到困難容易放棄。此外，自動駕駛技術還沒有本科專業，很多學習自動駕駛技術的學生是跨專業的，本科的基礎和培養體系千差萬別。在有限的課時內，如何兼顧學生的基礎差異和前修課程，激發學生學習興趣，引導學生思考，減少智能手機的依賴，提升課程的學習效果，是非常具有挑戰性的難題。

車輛動力學與控制相關的專業課程，具有較強的應用性和實踐性，需要理論與實踐密切關聯。但是，目前很多高校的車輛動力學課程仍以課堂理論教學為主，缺乏實踐環節。課程考評方法，對學生的學習方式、知識運用等具有重要的引導作用。但是，目前很多高校仍以單一的閉卷考試方式進行成績評定，導致學生常常采用死記硬背的方式記憶知識點，然后大量做課后習題和模擬試題，沒有擺脫高中的刷題學習模式，不利于學生應用能力、分析能力和創造能力的培養。

3 更新課程教學內容，改進教學方法

面向自動駕駛人才培養的需求和挑戰，本課程團隊調研、匯總和分析了汽車的新技術，尤其是與自動駕駛相關的車輛動力學系統的發展和應用情況，在美國學者Rajesh Rajamani編著的《Vehicle Dynamics and Control》（第2版）（中譯本《車輛動力學及控制》，王國業主編）的基礎上，補充了電動汽車驅動、四輪轉向、線控轉向、現代控制理論、智能控制等內容，并且形成了定期地更新機制，編寫了《基于線性參數時變理論的電動汽車增益可調魯棒估計和控制》（Robust Gain-Scheduled Estimation and Control of Electrified Vehicles via LPV Technique），如圖1所示，以分布式輪轂驅動電動汽車為對象，重點講授了電動汽車側向動力學系統的狀態參數非線性估計和側向穩定性魯棒控制策略。

車輛動力學主要研究車輛系統運動與受力的關系，例如：懸架系統、轉向系統、制動系統、驅動系統等，實驗往往是系統級的，對軟硬件的要求高，實驗成本高，難以像材料力學、機械原理等課程開展材料樣件或零件級的實驗，導致理論與實踐聯系不緊密。自動駕駛技術與車輛動力學結合之后，進一步增大了實驗的難度。為了給學生創造更多的實踐機會和更好的實驗條件，本課程團隊研制了“智能無人電動汽車教學實驗平臺”，如圖2所示，具有功能全面、實用可靠、外設接口豐富、便于二次開發等特點，解決了自動駕駛類課程缺少專業教學平臺設備的問題，為理論教學與工程實踐結合提供了條件。

為了提升課程的教學效果，激發學生學習興趣，增強學生對知識的理解、掌握和運用，本課程采用了啟發式教學、問題導向式教學、案例式教學、多媒體聲像教學、任務驅動教學、對比教學等方法。例如，引導學生站位自動駕駛底盤系統控制執行工程師，在理解橫擺穩定性控制原理的基礎上，啟發學生思考提高汽車操縱穩定性的理論方法和技術途徑。在進行汽車垂向動力學章節學習時，對比了汽車被動懸架、半主動懸架和主動懸架的動力學模型，通過三種懸架系統的仿真分析案例講解，幫助學生理解和掌握知識。在進行側向動力學章節學習時，由機械轉向系統到電動助力轉向系統，再到線控轉向系統，遞進式教學，結合動畫和視頻，使學生能夠更加直觀地認識汽車轉向系統的發展過程和原理。通過上述教學方法的綜合運用，學生的學習效果明顯提升。

4 優化課程考核評價方式，增強實踐性，強化應用能力導向

課程成績的評定方式，是教學中的關鍵環節，對學生具有重要的引導作用。為了引導學生主動理解知識，并運用知識解決工程問題，避免出現死記硬背的現象，本課程采用考查制的考評方式，將課程成績分為三部分，即平時表現成績、實驗成績和結課論文成績。平時表現，主要是根據學生的課堂活躍程度、回答問題、參與討論等情況給定。實驗成績，是根據學生開展“基于Apollo自動駕駛平臺的控制仿真實驗”并撰寫實驗報告情況而評定。本課程基于百度Apollo自動駕駛平臺的開放資源，設計了控制仿真實驗。由學生自己注冊百度Apollo仿真平臺賬號，針對線控車輛設計橫向和縱向控制器，編寫并運行代碼，計算車輛的橫縱向位置偏差、轉角、速度和加速度補償量等信息。結課論文是安排學生以小組為單位，完成一個車輛動力學與控制系統相關的課題，撰寫一篇論文，論文需要包含動力學建模、系統特性分析、系統指標、控制系統設計、結果分析等內容；學生制作多媒體演示文稿，進行演講和答辯，學生與教師分別打分，綜合計算后給出成績。從三年的實踐效果來看，與閉卷考試相比，學生們更喜歡和接受這種多級式、開放式的考核方式，能夠加深知識理解，提高分析和解決問題的能力，豐富實踐經驗。

5 結語

汽車產業規模大，產值高，是國民經濟的支柱產業之一。在汽車產業加速變革和新工科建設快速推進的背景下，面向自動駕駛人才培養的需求，本文對車輛工程、交通運輸工程等相關專業研究生的核心課程《車輛動力學及其控制》開展教學改革研究。首先，剖析了課程教學存在的不足和面臨的挑戰；然后，結合新進發展和應用的汽車技術，補充了四輪轉向、線控轉向等內容，編寫了分布式輪轂驅動電動汽車控制的書籍，自研了“智能無人電動汽車教學實驗平臺”，為學生提供更好的實踐條件，綜合運用啟發式教學、多媒體聲像教學、對比教學等方法；最后，改進課程的考評方式，將課程成績分為平時表現成績、實驗成績和結課論文成績，為學生提供項目實踐和展示的機會。上述教改舉措應用，激發了學生的學習興趣，提升了學生對知識的理解程度，引導學生主動運用課程知識解決工程問題，取得了較好的教學實踐效果，可以為汽車相關專業課程的教改和自動駕駛人才培養提供有益參考。

基金項目：北京航空航天大學研究生精品課程建設項目《車輛動力學及其控制》；中國交通教育研究會教育科學研究課題“交通類院校智能車輛學科建設研究”（編號：JT2024ZD014）。

參考文獻：

[1]歐陽明高.歐陽明高院士：汽車強國靠“四化”電動化、智能化、低碳化與全球化[J].高科技與產業化，2024，30（03）：12-15.

[2]陳剛，殷國棟，王良模.自動駕駛概論[M].北京：機械工業出版社，2019.

[3]李韶華，王偉達.車輛動力學與控制研究進展[J].動力學與控制學報，2021，19（03）：1-4.

[4]張帥，彭巧勵，徐立友，等.車輛系統動力學課程教學改革探索及實踐[J].洛陽理工學院學報（自然科學版），2024，34（02）：92-96.

[5]唐芳云，朱旭，余晨光.論汽車動力學課程思政的內在機理與實現路徑[J].高教學刊，2023，9（10）：174-177.

[6]潘公宇，楊曉峰.研究生精品課程車輛系統動力學教材建設初探[J].教育教學論壇，2020，7（27）：105-106.