殷帥 蘇士田 徐偉 田婷

摘? 要：本文針對(duì)現(xiàn)有的單片機(jī)教學(xué)課程中大學(xué)生創(chuàng)新性和工程素養(yǎng)難以培養(yǎng)與課程創(chuàng)新教學(xué)方法不足的問(wèn)題，提出了一種適用于大學(xué)生單片機(jī)教學(xué)的智能尋跡車(chē)的創(chuàng)新教學(xué)案例設(shè)計(jì)，給出了教學(xué)用智能車(chē)軟硬件設(shè)計(jì)，探索了教學(xué)案例的實(shí)施。該教學(xué)過(guò)程的實(shí)施充分培養(yǎng)了學(xué)生的工程開(kāi)發(fā)能力，鍛煉了學(xué)生的程序獨(dú)立調(diào)試能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了一個(gè)新思路。

關(guān)鍵詞：新工科? 創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)教學(xué)? 案例式教學(xué)? 智能車(chē)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0205-04

Application of Intelligent Tracking Car Design in Innovation Driven Teaching of New Engineering Disciplines

YIN Shuai? SU Shitian? XU Wei? TIAN Ting*

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Zaozhuang University， Zaozhuang， Shandong Province， 277160? China）

Abstract： In view of the existing single-chip microcomputer teaching course， it is difficult to cultivate college students' innovation and engineering literacy， and the lack of innovative teaching methods. This paper studies an innovative teaching case design of intelligent tracing vehicle which is suitable for college students' single chip microcomputer teaching， gives the software and hardware design of intelligent vehicle for teaching， and explores the implementation of teaching case. The implementation of the teaching process fully cultivates the students' ability of engineering development， exercises the students' ability of independent program debugging， and provides a new idea for the cultivation of innovative talents.

Key Words： New engineering disciplines; Innovation driven teaching; Case teaching; Intelligent car design

高等教育要求教師必須把握社會(huì)要求和受教育者的成長(zhǎng)與發(fā)展規(guī)律，有目的、有計(jì)劃、有組織地對(duì)受教育者施加影響，從而把大學(xué)生培養(yǎng)成為符合社會(huì)需要的接班人。習(xí)近平總書(shū)記在2018年6月中央外事工作會(huì)議上明確指出：“當(dāng)前，我國(guó)處于近代以來(lái)最好的發(fā)展時(shí)期，世界處于百年未有之大變局，兩者同步交織、相互激蕩?！睘橥苿?dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展，國(guó)家提出了一系列以大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、量子計(jì)算等為代表的新興科技趨勢(shì)，面對(duì)新的發(fā)展趨勢(shì)，高等教育迫切需要進(jìn)行新工科創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)教學(xué)研究。傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，要求教師必須針對(duì)學(xué)科交叉融合教學(xué)、工程技術(shù)素養(yǎng)提高提出新的改革創(chuàng)新理念和思路[1]。

單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為一門(mén)理論聯(lián)系實(shí)際非常強(qiáng)的一門(mén)課程，筆者在該課程的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的講授式教學(xué)方式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程素養(yǎng)非常被動(dòng)，背離了當(dāng)前提出的新工科教育方式[2-3]。在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，尋跡車(chē)的設(shè)計(jì)與制作[4]涉及到車(chē)輛工程、機(jī)械工程、信息通信、控制工程等多種學(xué)科，通過(guò)組織制作尋跡車(chē)可以鍛煉授課學(xué)生獨(dú)立編程的能力，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)各學(xué)科之間的融會(huì)貫通能力，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并有目的地解決問(wèn)題的能力，真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合[5]?；诖?，筆者結(jié)合大學(xué)生科技競(jìng)賽，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于STM32單片機(jī)控制的智能循跡車(chē)教學(xué)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)教學(xué)案例。

1? 教學(xué)案例內(nèi)容

對(duì)于智能循跡小車(chē)而言，必須在機(jī)械、電路以及程序方面等多個(gè)方面做到緊密的設(shè)計(jì)與配合，才能制作出比較好的競(jìng)速循跡賽車(chē)[6-8]，因此，該案例的實(shí)施不僅鍛煉了學(xué)生的單片機(jī)獨(dú)立編程能力，還對(duì)鍛煉學(xué)生的學(xué)科交叉融合能力、動(dòng)手能力等均有很強(qiáng)的教學(xué)帶動(dòng)作用。

1.1 教學(xué)案例總體設(shè)計(jì)

給出的教學(xué)案例設(shè)計(jì)目的是為了提高學(xué)生的編程能力，在考慮調(diào)試復(fù)雜度的情況下，這里給出智能車(chē)循跡賽道任務(wù)圖。循跡智能車(chē)從起點(diǎn)處出發(fā)，在以不出賽道的前提下跑完一圈為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終競(jìng)賽時(shí)用時(shí)最短者成績(jī)最優(yōu)。賽道的基本元素主要有直線賽道（含橋梁）、半徑為600mm的波浪形彎道、半徑為450mm的馬蹄形彎道、半徑為900mm的大彎、變道以及直角彎賽道構(gòu)成，教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)的教學(xué)用賽道如圖1所示。賽道黑色PVC板作為路面住材質(zhì)，在賽道兩邊分別設(shè)置有30mm寬度的白色路肩，賽道中間設(shè)置有20mm寬的白色中線，白色中線兩邊分別設(shè)置有10mm寬的過(guò)渡帶。

1.2 教學(xué)案例控制方案設(shè)計(jì)

智能車(chē)的控制主要包括動(dòng)力系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩項(xiàng)，該兩項(xiàng)內(nèi)容均由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)整車(chē)的閉環(huán)控制，在整車(chē)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)閉環(huán)控制。智能車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)閉環(huán)控制通過(guò)編碼單元采集當(dāng)前車(chē)速，反饋到控制單元，單片機(jī)在采集完轉(zhuǎn)速信號(hào)后，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，將差值信號(hào)通過(guò)PI計(jì)算，輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)的旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)紅外對(duì)管檢測(cè)當(dāng)前轉(zhuǎn)角并反饋給控制單元，與動(dòng)力系統(tǒng)一樣，將差值信號(hào)通過(guò)PD計(jì)算，輸出不同占空比的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)打角。整車(chē)通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的閉環(huán)控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車(chē)的閉環(huán)控制。教學(xué)案例控制方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.3 教學(xué)案例硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

教學(xué)案例中，硬件內(nèi)容主要包括以KT板制作的智能車(chē)車(chē)身、以STM32F407IGT6單片機(jī)為最小系統(tǒng)的控制電路、以電機(jī)和舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件、以E6A2-CS3C編碼器為速度檢測(cè)元件、以分立元件和LM350等構(gòu)成的電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源電路，以紅外對(duì)管的道路識(shí)別電路，以ST-Link仿真器為程序下載器的智能車(chē)硬件結(jié)構(gòu)。由于電機(jī)等電感元件的存在，智能車(chē)電源工況較為惡劣，要求學(xué)生在外部電源前端添加一個(gè)EMI濾波器電路，對(duì)電源中的共模噪聲進(jìn)行抑制。智能循跡車(chē)的硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.4 教學(xué)案例單片機(jī)資源分配

單片機(jī)資源分配如表1所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，STM32單片機(jī)的PWM輸出模式采用單脈沖模式，該模式通過(guò)一個(gè)激勵(lì)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，在一個(gè)程序可控的延時(shí)之后產(chǎn)生一個(gè)脈寬可編程控制的脈沖，在輸出比較模式和PWM模式下生成占空比可調(diào)的PWM波形。電機(jī)的控制周期為1ms是比較合適的，但是由于硬件的限制，接口上提供的是TIM3來(lái)確定后面2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和舵機(jī)的周期。所以本設(shè)計(jì)采取的是用TIM0提供1ms的計(jì)時(shí)中斷，用TIM3的同步復(fù)位PWM方式，采取16ms的周期提供后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

STM32高級(jí)控制定時(shí)器有編碼器接口模式，在模型車(chē)硬件電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中，用輸入端TI1作為編碼器的輸入接口，通過(guò)設(shè)置STM32單片機(jī)內(nèi)部的TIMx_SMCR寄存器中的SMS=010，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在TI1的邊沿計(jì)數(shù)。

1.5 教學(xué)案例程序設(shè)計(jì)

針對(duì)教學(xué)案例要求，要求授課學(xué)生按照如圖4所示的程序流程圖設(shè)計(jì)程序。要求授課學(xué)生所編寫(xiě)的程序具有參數(shù)設(shè)置和存儲(chǔ)的功能，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)用賽車(chē)存儲(chǔ)的參數(shù)決定正式比賽參數(shù)。待學(xué)生調(diào)取參數(shù)完畢，學(xué)生需將賽車(chē)放入賽道，賽車(chē)通過(guò)紅外對(duì)管檢測(cè)發(fā)車(chē)閘門(mén)是否開(kāi)啟，如果沒(méi)有開(kāi)啟繼續(xù)等待。當(dāng)檢測(cè)到比賽閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，授課學(xué)生設(shè)計(jì)的賽車(chē)正式進(jìn)入比賽環(huán)節(jié)，控制程序通過(guò)判斷預(yù)先設(shè)計(jì)的標(biāo)志位決斷賽車(chē)當(dāng)前運(yùn)行在無(wú)標(biāo)志位的普通賽道、直角賽道、換道賽道和停止線。當(dāng)程序檢測(cè)到直角彎標(biāo)志位時(shí)，賽車(chē)立即進(jìn)入直角彎處理子函數(shù)，此時(shí)賽車(chē)開(kāi)始減速，然后大角度轉(zhuǎn)彎，待檢測(cè)到賽道后退出直角轉(zhuǎn)彎模式;當(dāng)控制程序檢測(cè)到換道標(biāo)志位時(shí)，此時(shí)賽車(chē)進(jìn)入換道處理子程序，這時(shí)賽車(chē)開(kāi)始減速，然后向換道方向小幅度打一定角度，在檢測(cè)到賽道后，完成換道控制，進(jìn)入到無(wú)標(biāo)志位的普通賽道巡線處理子程序;當(dāng)控制程序檢測(cè)到停止線時(shí)，控制程序停止電機(jī)PWM信號(hào)和舵機(jī)PWM信號(hào)的輸出，完成比賽。

2? 教學(xué)案例實(shí)施過(guò)程

在教學(xué)案例實(shí)施過(guò)程中，首先需要準(zhǔn)備教學(xué)場(chǎng)地和教具的準(zhǔn)備。教學(xué)場(chǎng)地一般控制在150m2較為合適，教學(xué)場(chǎng)地的前半部分設(shè)置實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，放置必須的實(shí)驗(yàn)元器件及常用工具等，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地后半部分鋪設(shè)調(diào)試和比賽的賽道。由于要求授課學(xué)生自主完成賽車(chē)程序的撰寫(xiě)與調(diào)試，這里使用的教學(xué)教具主要包括STM32主控板、驅(qū)動(dòng)電路板、舵機(jī)、電機(jī)、車(chē)身制作KT板下載線等。

在授課過(guò)程中，對(duì)于教學(xué)案例中設(shè)計(jì)的幾種不同類(lèi)型的賽道，要求學(xué)生根據(jù)不同賽道設(shè)計(jì)不同的控制方法。在直線型賽道中，尋跡車(chē)特點(diǎn)是不需要進(jìn)行頻繁的加減速和變向，學(xué)生可以通過(guò)PID閉環(huán)控制，提高車(chē)速，減少全程通過(guò)時(shí)間。但是，由于直線型賽道是所有不同賽道間的銜接部分，起到承上啟下的作用，無(wú)論過(guò)快或過(guò)慢，一旦控制的不好就會(huì)對(duì)后面的各個(gè)賽段的處理造成不利的影響;且在其他賽道間的換道過(guò)程中，即使并沒(méi)有真正的直線型賽道存在，也會(huì)在存在瞬間進(jìn)入一段可視為短距離直道的情況。所以在整個(gè)直道模式中，要求授課學(xué)生采用偏移量濾波算法進(jìn)行較小幅度的調(diào)整角度，而對(duì)偏離程度比較大時(shí)，則進(jìn)行有階梯層次的大幅調(diào)整，以進(jìn)入彎道模式。

對(duì)于半徑為450mm、600mm、900mm的3種彎道，要求授課學(xué)生設(shè)計(jì)采用三階梯分段處理程序，分別對(duì)應(yīng)程序的stage1、stage2和stage3。每一個(gè)階梯對(duì)應(yīng)程序有不同的舵機(jī)角度，角度調(diào)試是后期學(xué)生課程調(diào)試的關(guān)鍵。

直角彎道，是所有賽道中獨(dú)立來(lái)看難度最大的一種賽道類(lèi)型。因?yàn)槭紫缺仨氃谔綔y(cè)到直角標(biāo)記后就要減速，一旦達(dá)到直角處則需要在極短的前行距離內(nèi)迅速做出幅度達(dá)90°的轉(zhuǎn)彎，并且要保證在轉(zhuǎn)彎完成后能夠在最短時(shí)間內(nèi)回到正確的運(yùn)行軌道，無(wú)論對(duì)于車(chē)輛的機(jī)械性能（這里主要是舵機(jī)性能）還是程序都是一大考驗(yàn)。直角的通過(guò)速度較之于彎道要更低，但是也因此這里常常成為全程整體平均速度無(wú)法達(dá)到一個(gè)較高水平的瓶頸所在，往往在其他的賽段提高到一個(gè)更高的速度時(shí)，到達(dá)直角彎就要求必須更快、更大幅度減速，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)直角彎時(shí)，這種頻繁加減速帶來(lái)的影響更是尤為明顯。變道的處理也是對(duì)授課學(xué)生工程素養(yǎng)能力的一項(xiàng)重要考驗(yàn)。智能車(chē)在變道過(guò)程中，可以先小幅度預(yù)先打角度，這樣處理后就不用大幅度減速，大大優(yōu)化了變道處理程序。

3? 結(jié)語(yǔ)

在單片機(jī)教學(xué)過(guò)程中通過(guò)采用實(shí)際的案例式教學(xué)，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，而且豐富的教學(xué)案例可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，該教學(xué)方法對(duì)培養(yǎng)新工科下具有創(chuàng)新能力的大學(xué)生具有一定的參考意義。

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