基于智能汽车竞赛的自动控制实验创新研究

杨 飞，吴 敏，谢宜净

(武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072)

当今社会科技发展迅猛，对大学生的创新能力和实践综合能力提出了更高的要求，高等教育亟须深化改革以适应和满足这种变化和要求，方能培养出具有竞争力的人才。高等教育改革的核心是教学改革，而实验教学作为高等学校教育体系的重要组成部分，对培养学生创新能力、动手能力、分析问题能力和解决问题能力有着不可替代的作用[1]。因此，着力培养大学生的创新意识和能力也成为强化素质教育和深化教育改革的一项重要内容，而提高大学生的实践能力则是培养其创新能力的立足点和突破口。实验教学是与理论教学紧密联系而又相互独立的教学环节[2]，是提升学生动手能力和创新能力的重要环节[3]，也是满足学生自主学习、实现自我提高的必要平台。实践证明，创新型的实验教学对本科生在校期间能够较早进入科研领域，学习最先进的现代科学技术，建立起理想的知识结构，实现知识、素质和能力的提高，发挥了重要作用[4]。

1 实验教学存在的主要问题

据调查，目前不少工科专业的实验教学存在以下共同问题：

(1) 实验内容大多仍属于验证性实验，学生自主创新性实验较少；

(2) 实验教学内容和实验手段多年来较为固定，未能及时跟进科技发展，也不能迎合社会发展的需要；

(3) 陈旧的实验平台难以支撑创新型实验的开展，以自动控制实验课程为例，多数高校所配备的自动控制实验教学装置仍是10多年前购置的简单的实验平台，其功能仅是验证自动控制经典理论，不便对其功能进行扩充，难以满足大学生“三创(创新、创造、创业)人才”培养的需要[5]。

针对自动控制实验教学中存在的这些问题，本文依托智能汽车竞赛平台，以工科专业人才培养方案为基础，以自动控制实验为着手点，从实验教学内容和实验教学模式两方面着力改变当前实验教学中的不足，以提升实验教学水平。

2 智能汽车大赛简介及开展情况

智能汽车竞赛是面向全国大学生的一项具有探索性的工程实践活动，是教育部倡导的主要大学生科技竞赛之一，其融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子竞赛为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件[6]。

该竞赛自2006年开办以来已举行了8届，我校组织自动化专业大学生参加过其中6届比赛，共获得全国一等奖7项，二等奖3项，三等奖2项。仅靠从每届不足90人的自动化本科班的学生中选拔队员参赛，获此成绩当属不易，这与我们实施的实验教学与竞赛相结合的实验教学改革是分不开的。

3 实验教学内容创新

自动控制原理课程综合性强，知识覆盖面广，侧重数学推导与图解分析，内容比较抽象，且难以将理论上所描述的系统与各种实际的自动控制系统联系，容易造成理论与实际的脱节[7]。该课程不仅是自动化专业的主干专业课程，在不少高校的电子信息、电气工程、计算机科学与技术和机械工程等专业均有开设。因此，对自动控制实验的内容进行创新不仅要满足自动化专业的教学需要，同时也要兼顾其他专业的教学需要。

3.1 自动化专业的实验教学

针对自动化专业自动控制实验教学，从自动控制的理论教学出发，抓住“数学建模→系统分析→系统设计”这条主线，完成数学模型的建立，强调对所控对象的分析，突出解决实际问题能力的培养。实验内容教学主线如图1所示。

图1 实验内容教学主线图

数学建模是通过对现实问题的抽象、简化，确定变量和参数，并应用某些规律建立起变量、参数的确定数学问题，然后求解该数学问题，最后在现实问题中解释、验证所得解的创造过程[8]，建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。可以利用智能车平台，建立智能车运行的数学模型，并根据实际情况，对模型进行理想化近似。以智能车大赛平衡组的小车为例，建立小车处于平衡状态时的数学模型。通过对小车进行受力分析，以小车的物理机理建立微分方程数学模型。小车的受力分析如图2所示。

图2 小车的受力分析图

小车的数学模型：

当θ很小时，数学模型可简化为：

车模静止时，a(t)=0，则进一步可得：

系统分析方法是控制系统综合设计的基础，其实质就是在对事物进行一分为二分析的基础上，把握事物的整体性，并根据事物本身的特点，采取具体的措施，为系统达到最优化状态提供条件[9]。主要内容是运用时域分析法、根轨迹法、频域响应法等对系统的特性进行分析，也是控制理论教学的重点。在控制系统中，稳定性、快速性和准确性是对控制系统的基本要求，也是衡量系统性能的重要指标，控制系统不同的分析问题方法都是紧紧围绕这3个方面展开的。例如，智能车竞赛中对小车的转向控制，必须要求小车在偏离既定轨道时，舵机能快速转向并准确回到赛道，即满足转向控制中的快速性和准确性指标。如果控制方案不当，PID参数调节不合理，就有可能导致小车出现摆动震荡的现象。因此，在保证快速性和准确性的同时，也要结合控制系统稳定性的分析方法，保证小车平稳运行。

系统设计是综合利用理论知识使系统的性能指标全面满足要求的过程，对培养学生的分析能力、综合能力及创新能力十分重要，也是教学的难点。依托智能汽车这个平台，可以方便地设计各种自动控制实验，让学生能自主地设计控制系统，同时能直观地反馈控制效果。例如，以在智能汽车自动行驶为例，给定了一条导引线和一种传感器，要求学生设计控制器使汽车行驶平稳且快速。学生可以借此学习和设计PID控制器并对书本上讲述的各参数特点及调节理论进行更好的掌握和应用，也使得实验设计能和书本上结合得更加紧密。这些生动的工程实例能大大激发学生的兴趣，使学生感受到控制理论的魅力，深刻理解学以致用的意义，在分析问题、解决问题的过程中，使课程的学习达到知识和能力同步提升的目标。

3.2 其他专业的实验教学

对于非自动化专业的学生来说，可以选取不同学科专业中的典型工程范例，结合智能汽车这一复合应用平台设计各种模块化实验装置以满足不同专业自动控制实验教学的需要。例如，电气工程专业的电机学相关课程就可以使用智能汽车上的电机来作为控制对象进行自动控制实验教学；再例如，通过在小车上安装WiFi无线通信模块、ZigBee无线通信模块、Bluetooth通信模块或无线数传电台，可以让通信专业的学生更好地理解通信延迟等问题，而且还可在此平台上实验和研究在不确定通信延迟下的远程控制。

4 实验教学模式创新

在开展上述实验内容研究的同时，要注重在实验实施过程中对实验教学模式进行创新，变传统的单一实验模式为多层次实验模式。自动控制实验设计分为3个层次：基础实验层，综合设计层，研究创新层[10]。实验教学模式如图3所示。

图3 实验教学模式图

4.1 基础实验层

基础型实验是创新型和综合型实验的基础，仍旧按照传统教学模式，注重对理论知识的理解，给学生一个理论到实践的过渡过程；掌握基本的实验方法与技巧；掌握基础实验仪器的运用；也可利用Matlab等仿真软件进行实验，让学生在模拟仿真中学习各参数的调节方法。主要的基础型实验以验证经典控制理论为主，如二阶系统动态性能分析，控制系统的根轨迹分析，系统Bode图及Nyquist曲线的绘制及其稳定性分析等。

4.2 综合设计层

有了基础型实验的准备，学生已初步具备综合设计的实验能力。开展综合设计的实验时，可以让学生进入实验室，自主选择实验器材进行实物控制系统的设计。综合设计型实验是对电路、电子技术、自动控制等多方面知识的综合运用，通过综合设计型实验，可以达到让学生把理论知识融会贯通的目的，同时也是为了调动各层次学生自主学习的积极性、主动性和创造性[11]。在此期间，学生也可能遇到很多不懂的知识，学生可以通过查阅文献自主学习来完成实验内容。因此，综合设计型实验对学生的知识拓展、自主学习能力的培养也有更重要的作用。如可以让学生设计一个两轮自平衡的小车，通过传感器陀螺仪以及加速度计得出小车的倾角，然后用PID控制小车电机前转和后转达到使小车在原地保持不动的状态。学生也可以运用Matlab仿真工具，先得出一组较为合理的PID参数，再用试凑法调试出合适的参数，达到小车自平衡的目的。两轮自平衡小车控制系统简图如图4所示。

图4 两轮自平衡小车控制系统简图

4.3 创新研究层

研究创新型实验是我们实验教学以及人才培养的最终目的，也是培养学生核心竞争力的关键一步。研究创新型实验对学生提出了更高的要求，首先要求学生观察生活，发现问题，发掘能够满足社会需求或者能够达到科技创新目的的设计；其次要求学生自主学习课外(包括其他专业)知识，例如多传感器信息融合技术、模式识别、智能计算等，并注重积累编程和阅读科技文献等技能。在研究创新型的实验中，学生现有的知识可能难以完成实验，教师应在实验中予以指导，告诉学生这样一个具体的实验需要预先学习和用到哪些知识，研究的步骤以及需要注意的问题等。

5 开展以智能汽车为平台的创新实验的意义

5.1 提高实验平台使用效益

以智能汽车为平台所涉及到的学科门类相当广泛，譬如自动控制原理、机械设计、计算机编程语言、电子技术基础、传感器技术等。因此智能汽车是一个复合型平台，以智能汽车为背景的实验教学可以辐射惠及一大批理工科专业的学生。具体而言，在此平台上能直接开设“单片机原理及应用”、“传感器原理及其技术”、“电机学”等多门实验课程,能大大提高实验室的综合使用效益，也符合高校实验室建设的开放性需求。

5.2 节省实验教学开支

本文所提出的创新实验是在传统示教性和验证性实验的基础上增加自主性和创新性实验内容，在一套实验装置上可进行多门学科知识相融合的模块化、通用化实验设计，增大了实验设备的复用功能。另外，智能汽车竞赛所用车模的价格大大低于倒立摆实验装置，不仅可直接用于竞赛还可以用于实验教学，通过这种将实验教学和竞赛相结合的方式可大大地节约学校在这两方面的经费、场地和人员开支，切实地避免了重复投入。

5.3 支持相关科研课题

以智能汽车为平台的实验教学可对校内多项科学研究课题形成支持，例如，我校的“无人驾驶汽车”项目组与智能汽车竞赛团队有着多次交流合作，国家自然科学基金面上项目“基于无线传感器网络的复杂网络动力演化分析与优化设计”也是以智能小车为无线传感器节点模型来开展研究的。这些课题反过来为学生开展创新实验提供了许多有价值的科学研究问题。

5.4 培养新型技术人才

科技竞赛的重要性不仅体现在帮助高校学生树立创新意识，培养工程实践能力，同时能够引领他们积极主动地参与学习实践，培养总结积累的观念，进而逐步达到独立处理科研问题的目的[12]。以智能汽车为平台进行实验教学能很好地契合我国当前热点社会和科技问题。例如，电动(混合动力)汽车时代已拉开序幕，对相关技术的需求也正与日俱增；另外，由汽车企业、科研院所、移动运营商和软硬件厂商共计29家单位于2013年8月底在北京共同发起成立了“车联网产业技术创新联盟”，这进一步推动了汽车、物联网和智能交通等相关技术的应用和发展。这些热点科技问题都与智能汽车竞赛紧密关联，因此，本文所提出的实验教学改革能为这些新兴领域培养更多技术人才，而实验教学和实用研究的有机结合也正是提升学生和实验教学人员的积极性和创造性的最佳途径。

6 结束语

随着智能汽车竞赛在中国乃至其他国家正如火如荼地推广开来，国内多数高校已参与到这项大赛中来。同时，随着各方对该项竞赛的多年持续投入，使得各所高校的相关实验平台也已日臻完善。在此基础上，对自动控制实验进行本文所述改革创新也就具备了较高的可行性，因此相信本文所提出的实验改革创新方法具有很好的可推广性，并最终能对提高实验教学质量和提升学生的综合能力发挥重要作用。

[1] 胡琳. 对高校计算机实验教学改革的探索与思考[J]. 中国电化教育, 2002(5):43-45.

[2] 何新华, 陈志武. 面向创新人才培养的专业实验教学体系研究与实践[J]. 实验技术与管理, 2009,26(10):24-26.

[3] 周冠玲, 冯占英, 李战. “单片机原理及应用”课程教学改革的探讨[J]. 中国电化教育, 2012(6):105-107.

[4] 余志华, 王广君, 王宏. 加强实验教学队伍建设, 提高开发实验教学水平[J]. 实验技术与管理, 2012,29(4):211-213.

[5] 沈一骑, 沈越. 综合性自动控制实验设计[J]. 实验技术与管理, 2010,27(12):40-43.

[6] 武丽. 基于智能车大赛的学生创新能力培养的探索与实践[J]. 中国电力教育, 2012(29):40-41.

[7] 柳明, 王海军, 郭庆叶. 自动控制原理实验教学改革与实践[J]. 实验室科学,2012,15(4):58-60.

[8] 魏连秋, 张义红, 李倩. 数学建模对大学生综合素质的影响[J]. 河北师范大学学报, 2009(8):77-80.

[9] 宋彩彩, 朱学辉. 矛盾分析方法与系统分析方法的辩证思考[J]. 哈尔滨学院学报, 2001,32(9):19-22.

[10] 高林, 刘文定, 王东林,等.自动控制理论课程综合、创新性实验研究[J]. 中国现代教育装备, 2008,6(64):105-107.

[11] 刘光蓉, 周红, 阮灵. 基于任务驱动的计算机文化基础实验教学[J]. 中国电化教育, 2004(8):61-63.

[12] 徐鹏, 刘训涛, 侯清泉, 等. 基于智能汽车竞赛探索创新人才培养模式[J]. 中国电力教育, 2013(20):27-30.