陳祖國(guó) 盧 明 吳亮紅

（1.湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)電子與電氣技術(shù)國(guó)家級(jí)示范實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 人工智能技術(shù)逐漸成熟，在各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。這對(duì)信息專業(yè)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐綜合能力提出了更高的要求， 傳統(tǒng)的教育教學(xué)方式難以適應(yīng)和滿足當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展的要求[1]。因此，必須想方設(shè)法進(jìn)行教學(xué)改革，通過改革形成科學(xué)有效的教育教學(xué)方法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力， 使他們能夠成為企業(yè)和社會(huì)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。 據(jù)相關(guān)高校的調(diào)研，目前信息類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下共同問題：（1）實(shí)驗(yàn)手段僵化， 大多驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只要求學(xué)生在特定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上連線；（2）實(shí)踐教學(xué)中，很少應(yīng)用輔助仿真教學(xué)工具；（3）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)陳舊，難以對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)充。

針對(duì)高校普遍存在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱的問題，借鑒國(guó)家舉辦數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面專業(yè)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，教育部經(jīng)研究決定，委托教育部高等學(xué)校自動(dòng)化教學(xué)分委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)化教學(xué)分委員會(huì)”），舉辦年度全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽（高教函〔2005〕201 號(hào)）[2]。湖南科技大學(xué)依托電子與電氣技術(shù)國(guó)家級(jí)示范實(shí)驗(yàn)室，通過組織骨干教師對(duì)智能汽車設(shè)計(jì)知識(shí)內(nèi)涵進(jìn)行解析，構(gòu)建智能汽車競(jìng)賽平臺(tái)，并將其與信息類專業(yè)相關(guān)課程相結(jié)合對(duì)本校信息類專業(yè)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革。 有效地促進(jìn)了信息類專業(yè)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1 構(gòu)建智能汽車競(jìng)賽平臺(tái)

1.1 智能汽車競(jìng)賽知識(shí)體系

智能汽車具有強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)，通過組織骨干教師，解析智能汽車設(shè)計(jì)知識(shí)內(nèi)涵，可將智能汽車設(shè)計(jì)整體框架為以下5 個(gè)部分，每個(gè)部分都包含了豐富且有意義的實(shí)踐內(nèi)容。

智能汽車大賽要求車模在規(guī)定的賽道上運(yùn)行，車模可分為四輪車模以及兩輪直立車模， 而四輪車模又可以分為采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)車模的C 車模和單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的A 車模以及B 車模[3]。 對(duì)于四輪車模而言，行走控制相對(duì)于直立車模比較簡(jiǎn)單， 對(duì)于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的A、B車模的行走控制，僅需控制電機(jī)運(yùn)行的同時(shí)，配合轉(zhuǎn)向舵機(jī)打角即可，而對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的C 車模在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同時(shí)需要控制兩電機(jī)的速度而實(shí)現(xiàn)差速的功能，使得車模在過彎的時(shí)候能保持較好的姿態(tài)， 在控制過程中可利用電流環(huán)以及速度采集實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)的雙閉環(huán)控制，使程控差速能更好地接近機(jī)械差速的效果。

對(duì)于直立式智能車輛模型，其運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)相對(duì)復(fù)雜。 智能車輛模型作為被控對(duì)象， 其控制輸入是2個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。 但需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）控制直立智能車模的平衡，通過控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制車模的平衡，以使車模保持直立和平衡。 （2）控制直立智能車模的運(yùn)動(dòng)速度， 通過調(diào)整直立智能車模的傾斜角度來完成對(duì)汽車模型的速度控制，實(shí)際上，它最終演變?yōu)橥ㄟ^控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制車輪轉(zhuǎn)速。（3）控制直立智能車模的方向， 主要是根據(jù)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)差來完成車模的方向控制。 上述對(duì)直立智能車模三種姿態(tài)的控制都是各自獨(dú)立進(jìn)行的。 由于最終都是對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行控制，因此，這三種姿態(tài)的控制存在相互耦合。因此它們之間存在耦合。在這個(gè)過程中需要用到經(jīng)典的PID 控制算法，甚至模糊PID 算法使得車輪的速度盡快地達(dá)到期望值[5-6]。

1.2 注重理論課教學(xué)，打好基礎(chǔ)

參加智能車競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)所需的知識(shí)與信息專業(yè)的課程內(nèi)容密切相關(guān)。 湖南科技大學(xué)一貫重視對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)課程和專業(yè)實(shí)踐課程教育， 有針對(duì)性地根據(jù)信息專業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)及專業(yè)課程的設(shè)置。 通過組織專業(yè)骨干教師將智能汽車設(shè)計(jì)中的相關(guān)理論知識(shí)與學(xué)生培養(yǎng)方案和理論課授課體系緊密結(jié)合。 在湖南科技大學(xué)，智能車大賽的隊(duì)員主要是信息學(xué)院的學(xué)生，也有少數(shù)機(jī)械和計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生參加， 這對(duì)信息專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力提出了更高的要求。 湖南科技大學(xué)除設(shè)置電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理、單片機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用、自動(dòng)控制等基礎(chǔ)課程外，還設(shè)置了機(jī)械類課程和技術(shù)創(chuàng)新方法類基礎(chǔ)課， 這樣學(xué)生在進(jìn)行競(jìng)賽準(zhǔn)備的過程中具備豐富的理論基礎(chǔ)知識(shí)。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編程時(shí)有傳感器、 控制算法等相關(guān)知識(shí)， 并有機(jī)械和計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生協(xié)同合作完成機(jī)械設(shè)計(jì)、編程等工作，保證了競(jìng)賽車模能自主識(shí)別道路，并在指定賽道上行走；在進(jìn)行模型創(chuàng)新制作中，有了技術(shù)創(chuàng)新方法課程所培養(yǎng)的創(chuàng)新思維， 學(xué)生可針對(duì)車模進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)[7]。

1.3 舉辦專題講座，提高認(rèn)識(shí)

講座為對(duì)智能汽車感興趣的學(xué)生提供了學(xué)習(xí)和交流的良好場(chǎng)所。 講座包括2 個(gè)部分：一是骨干教師的專題講座；二是以往參加過智能汽車競(jìng)賽的學(xué)生的專題講座。 講座內(nèi)容以完成智能汽車設(shè)計(jì)為目的。 智能汽車團(tuán)隊(duì)從2013 年開始，設(shè)計(jì)開發(fā)了講座課件，開設(shè)了累計(jì)多達(dá)30 課時(shí)/每年的專題講座， 學(xué)生們可以從講座講授的內(nèi)容和課后交流中了解智能汽車競(jìng)賽的基本情況，以及競(jìng)賽所涉及的機(jī)械、電氣與電子、計(jì)算機(jī)等方面的知識(shí)。 開設(shè)講座吸引了許多優(yōu)秀的學(xué)生，可以通過深化培訓(xùn)拓展隊(duì)員。

1.4 組建競(jìng)賽創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)競(jìng)賽人才梯隊(duì)

參賽隊(duì)伍以大三和大三的學(xué)生作為骨干，新生和大二的學(xué)生作為新生力量。 根據(jù)指導(dǎo)教師的引領(lǐng)，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自我提升。 自成立自主創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以來，團(tuán)隊(duì)每年都將招納新生，補(bǔ)充團(tuán)隊(duì)力量，實(shí)現(xiàn)新老隊(duì)員有序更替。 招納新隊(duì)員的標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)生應(yīng)對(duì)參加智能車比賽有濃厚的興趣，且還應(yīng)具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。 隊(duì)員選拔主要是基于回答評(píng)估和實(shí)踐操作測(cè)評(píng)的方法。 選拔完后，將由指導(dǎo)教師和上幾屆獲獎(jiǎng)同學(xué)組成一個(gè)培訓(xùn)組，利用周末或者寒暑假對(duì)新學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，幫助新隊(duì)員建立一個(gè)完備的智能車競(jìng)賽知識(shí)體系。 在比賽準(zhǔn)備階段，指導(dǎo)教師全程進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)，每周組織一次經(jīng)驗(yàn)分享會(huì)和問題解決討論會(huì)。 團(tuán)隊(duì)根據(jù)學(xué)生的水平進(jìn)行分層管理，對(duì)進(jìn)步比較快和技術(shù)實(shí)力比較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)，鼓勵(lì)他們?nèi)_刺國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，對(duì)于基礎(chǔ)相對(duì)較弱的團(tuán)隊(duì)采用以學(xué)習(xí)技術(shù)為主、 參賽獲獎(jiǎng)為輔的培養(yǎng)模式。讓這些隊(duì)伍成為下一年沖刺國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)的新力軍。

2 結(jié)語

全國(guó)智能汽車競(jìng)賽是一項(xiàng)為了培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的探索性工程實(shí)踐活動(dòng)，是教育部倡導(dǎo)的主要大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。 該比賽不僅具有科學(xué)性和挑戰(zhàn)性，還具有非常好的觀賞性。 該競(jìng)賽自2005 年舉辦以來，已經(jīng)舉辦了12 屆。 我校從2012 年開始，組織信息類專業(yè)大學(xué)生參加了其中的5 屆比賽，獲得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)10 項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)3 項(xiàng)，二等獎(jiǎng)5 項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2 項(xiàng)；獲取全國(guó)華南賽區(qū)獎(jiǎng)項(xiàng)17 項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)7 項(xiàng)，二等獎(jiǎng)10 項(xiàng)。 僅依靠有限的經(jīng)費(fèi)支持和為數(shù)不多的指導(dǎo)教師和學(xué)生的努力，獲此成績(jī)當(dāng)屬不易，這與教師依托電子與電氣技術(shù)國(guó)家級(jí)示范實(shí)驗(yàn)室，全力構(gòu)建智能汽車競(jìng)賽平臺(tái)，實(shí)施的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與競(jìng)賽相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是分不開的。