田杰

摘? 要 車路協(xié)同實驗課程是智能交通相關(guān)專業(yè)必修課，具有覆蓋知識面廣的特點。針對學(xué)生對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)積極性不高的問題，將智能小車引入實驗教學(xué)，設(shè)計車路協(xié)同實驗項目，選擇智能小車各個模塊型號，提出具體的實驗考核標準。結(jié)果表明，在一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達到了培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的目的。

關(guān)鍵詞 智能小車;車路協(xié)同系統(tǒng);傳感器;無線通信;ZigBee

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0119-02

1 前言

車路協(xié)同系統(tǒng)（Cooperative Vehicle-Infrastructure System，CVIS）是指采用先進的傳感器探測、無線通信等技術(shù)手段，通過對交通信息采集與融合，實現(xiàn)車輛主動安全控制與道路協(xié)同管理，對緩解道路交通擁堵，提高交通安全水平具有極其重要的作用[1]，是智能交通系統(tǒng)研究的必經(jīng)階段，也是目前智能交通領(lǐng)域研究的熱點之一[2]。鑒于CVIS對交通領(lǐng)域具有極其重要的作用，國內(nèi)也在相應(yīng)高校的交通工程、交通設(shè)備與控制工程等專業(yè)開設(shè)了車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能交通系統(tǒng)、車路協(xié)同系統(tǒng)等課程。

目前，車路協(xié)同實驗教學(xué)主要通過軟件仿真、教師課堂講解以及演示系統(tǒng)來提高學(xué)生對于CVIS的認識[3]，由于實驗內(nèi)容比較枯燥、死板，學(xué)生對實驗興趣不高，收益甚微，嚴重限制了學(xué)生解決問題思維、創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。針對目前實驗教學(xué)的不足，將智能小車引入實驗教學(xué)，讓學(xué)生通過對智能小車的學(xué)習(xí)、研究、開發(fā)，促進學(xué)生掌握傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、車路協(xié)同等原理，在增強實驗趣味性的同時，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和科學(xué)探索精神。

2 實驗項目設(shè)計

針對學(xué)生個性特征和認知水平差異，為保證每位學(xué)生通過實驗都有所收獲，能力有所提升，將實驗項目劃分為基礎(chǔ)實驗部分和提高實驗部分，實驗項目覆蓋紅外、超聲波等傳感器技術(shù)，ZigBee、藍牙等通信知識，項目內(nèi)容由淺入深，適合所有學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

基礎(chǔ)實驗項目設(shè)計? 基礎(chǔ)實驗項目主要培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，熟悉常見傳感器和通信器件的工作原理和使用方法。該部分實驗較為容易，每個團隊都能獨立完成實驗，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，感受完成實驗項目帶來的樂趣，提高學(xué)習(xí)積極主動性。該部分實驗項目包括以下內(nèi)容。

1）智能小車安裝與調(diào)試。學(xué)生通過制作PCB板、焊接電路，掌握PCB焊接技巧、電路調(diào)試方法;通過對小車的調(diào)

試，鞏固常見傳感器、無線通信的基礎(chǔ)知識，熟悉各類元器件工作特性，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

2）智能小車巡線控制。運用Keil軟件編程實現(xiàn)智能小車尋跡運動，為學(xué)生提供常見的PID控制算法，讓學(xué)生通過對硬件的調(diào)試和軟件的編寫，熟悉開發(fā)環(huán)境，掌握電機轉(zhuǎn)速控制、舵機轉(zhuǎn)向控制的原理。實驗要求智能小車能沿著白色或黑色軌跡運動。

提高實驗項目設(shè)計? 提高實驗項目意在提高學(xué)生分析與解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力。實驗項目為學(xué)生提供實驗大致方向，不再提供具體的實驗步驟，學(xué)生通過對所學(xué)知識進行創(chuàng)新和發(fā)揮，網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)資料完成實驗項目。該部分為學(xué)生提供了三個參考實驗項目。

1）車車通信實驗。通過實驗使學(xué)生深入了解無線組網(wǎng)技術(shù)，加深對車車通信的理解，掌握運用傳感器技術(shù)實現(xiàn)車輛信息的采集、處理，應(yīng)用ZigBee技術(shù)完成車車之間無線組網(wǎng)和信息共享。要求實現(xiàn)車與車之間速度共享，小車運動軌跡跟蹤。

2）自適應(yīng)巡航控制。通過對超聲波測距傳感器、紅外測距傳感器的使用，學(xué)生完成自適應(yīng)巡航控制算法，要求掌握自動控制、電機加速和巡航算法，最終實現(xiàn)車跟車控制、前車緊急制動、車與車間距實時測量的功能。

3）環(huán)境識別實驗。環(huán)境識別是實現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用價格較低的視覺傳感器進行交通環(huán)境感知，通過實驗，學(xué)生可以掌握單片機AD轉(zhuǎn)換、讀取攝像頭信息、圖像處理基本方法，最終實現(xiàn)車道線判定、紅綠燈識別功能。

3 智能小車系統(tǒng)設(shè)計

從技術(shù)角度來講，智能車路協(xié)同技術(shù)是應(yīng)用最新的技術(shù)如計算機仿真、可信計算、下一代互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、通信及信息技術(shù)等實現(xiàn)道路設(shè)施與車輛的信息化共享和智能化管理，及時獲得可靠的交通安全信息，提高交通安全性和通行效率。系統(tǒng)主要包括三部分：通信平臺、智能路側(cè)系統(tǒng)、智能車載系統(tǒng)。其中智能車載系統(tǒng)主要對周圍環(huán)境及車輛自身的狀態(tài)信息進行感知;智能路側(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測道路的情況、道路異常、道路幾何狀況及車流量、平均車速等信息;通信平臺則負責(zé)整個系統(tǒng)的通信，是車載單元與路側(cè)設(shè)備之間的交互。

智能車輛關(guān)鍵技術(shù)主要室實現(xiàn)車輛的硬件改造，從兩個方面進行：一是通過加裝激光雷達車載單元、電子羅盤、陀螺儀、GPS等采集車輛的姿態(tài)信息、位置信息及行車環(huán)境等信息;二是通過工業(yè)控制計算機等安裝控制設(shè)備實現(xiàn)車載單元的智能控制，可以規(guī)避一些危險、緊急情況。

智能路側(cè)系統(tǒng)部分包含的關(guān)鍵技術(shù)包括硬件和軟件兩方面，主要實現(xiàn)多通道交通信息采集、多通道路面狀態(tài)信息采集、信息融合及突發(fā)異常事件快速識別與定位、多模無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

智能小車硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以STC89C52單片機為微控制器，超聲波測距模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外尋跡模塊與微控制器通過IO口連接，實現(xiàn)與障礙物間距測量、防碰撞、控制小車運行的功能;ZigBee通信模塊、藍牙通信模塊與微控制器間串口連接，實現(xiàn)車車通信信息共享及與手機APP進行通信，控制小車運行。

尋跡模塊設(shè)計? 尋跡模塊采用ST188型紅外光電對管，其發(fā)射器是砷化鎵紅外發(fā)射二極管，接收器是高靈敏度的光電三極管，檢測距離4～13 mm可調(diào)。利用黑、白色對光線吸收強度不同的原理，當(dāng)檢測為黑線時，發(fā)射管發(fā)射的光線大部分被黑線吸收，反射光線較弱，不足以驅(qū)動光敏三極管，此時三極管無法導(dǎo)通，輸出為高電平;檢測為白色平面時輸出為低電平，通過判斷輸出電平的大小控制舵機的轉(zhuǎn)向，即可完成智能小車黑白尋跡。

超聲波測距模塊設(shè)計? 超聲波傳感器發(fā)射頭利用逆壓電效應(yīng)將單片機產(chǎn)生的40 kHz方波信號轉(zhuǎn)化為超聲波信號，接收頭通過壓電效應(yīng)將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號，單片機記錄發(fā)射時間t1和接收時間t2，即可通過公式D=c（t2-t1）/2求取與障礙物之間的距離[4]。式中D為距離，c為聲速。超聲波接收器輸出信號為毫伏級的電壓，不能直接被單片機識別，需要前置放大電路，前置放大器選用高集成度的CX20106，其完成對接收信號的放大、濾波，最大增益可達80 db輸出信號。

組網(wǎng)通信模塊設(shè)計? 車車通信的組網(wǎng)技術(shù)采用ZigBee技術(shù)，芯片選用CC2530F256，該芯片具有256 kB的Flash存儲空間和8 kB的RAM，工作頻段2.4 GHz，內(nèi)部集成一個MAC定時器、8路輸入12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能獨立工作，具有功耗低、互操作性強、多個節(jié)點之間組網(wǎng)便捷的優(yōu)點[4]。通過串口與單片機連接，將控制信息通過無線方式在各個模塊之間進行傳輸，從而實現(xiàn)信息共享和相互控制。

軟件設(shè)計? 軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計原則，每個模塊功能程序獨立設(shè)計，將程序以頭文件形式提供給學(xué)生，根據(jù)所選設(shè)計項目功能，快速查詢對應(yīng)的程序代碼，通過查詢傳感器和通信芯片手冊進行學(xué)習(xí)，可以在有限的時間內(nèi)完成任務(wù)，提高學(xué)習(xí)積極性，將更多的時間投入小車功能設(shè)計。

4 實驗項目考核與驗收

為了科學(xué)、全面、準確地考查學(xué)生的實驗?zāi)芰驮u價學(xué)生的實驗效果，使學(xué)生重視實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，最終以學(xué)生答辯的方式進行實驗項目驗收。答辯環(huán)節(jié)要求小組成員講解設(shè)計實驗項目所使用的元器件工作原理、實驗過程遇到的問題及解決思路，現(xiàn)場演示設(shè)計項目的功能，并針對該門實驗教學(xué)存在的不足提出建議。考核具體標準如下。

1）實物驗收：每組成員展示組裝的智能小車，通過判定小車的安裝布局、焊接技術(shù)、小車尋跡準確性、小車運行速度給予評分，占總成績的30%。

2）項目創(chuàng)新：根據(jù)所選實驗項目，演示智能小車的功

能，通過判定設(shè)計系統(tǒng)運行效果、選題難度、自主創(chuàng)新給予評分，占總成績的30%

3）項目答辯：由組長講解實驗項目設(shè)計思路，團隊成員輔助回答各個模塊的工作原理，鍛煉學(xué)生的語言表達能力，占總成績的20%。

4）實驗報告：以論文的形式書寫實驗報告，讓學(xué)生鍛煉寫作能力的同時，也為以后畢業(yè)設(shè)計的排版和寫作打下良好基礎(chǔ)，占總成績的20%。

5 總結(jié)

車路協(xié)同系統(tǒng)是目前智能交通領(lǐng)域的研究熱點，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和知識應(yīng)用能力。針對學(xué)生基礎(chǔ)能力不同，將實驗項目劃分為難度不一的實驗，提供實驗所需模塊和對應(yīng)的參考資料，保證每位學(xué)生都能在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗項目，提高學(xué)習(xí)積極性。將智能小車引入實驗教學(xué)，學(xué)生課堂玩手機、打瞌睡現(xiàn)象明顯減少，為學(xué)生參加全國飛思卡爾比賽、交通科技大賽奠定良好基礎(chǔ)?！?/p>

參考文獻

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