基于智能汽车竞赛平台的信息类本科学生实践创新能力培养研究

陈祖国 卢 明 吴亮红

（1.湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学电子与电气技术国家级示范实验室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

随着科学技术的飞速发展， 人工智能技术逐渐成熟，在各行业中的应用日益广泛。这对信息专业的创新能力和实践综合能力提出了更高的要求， 传统的教育教学方式难以适应和满足当今社会科技发展的要求[1]。因此，必须想方设法进行教学改革，通过改革形成科学有效的教育教学方法，以提高学生的学习兴趣，培养学生的实践能力和创新能力， 使他们能够成为企业和社会发展需要的创新型人才。 据相关高校的调研，目前信息类专业的实验教学存在以下共同问题：（1）实验手段僵化， 大多验证性实验只要求学生在特定的实验平台上连线；（2）实践教学中，很少应用辅助仿真教学工具；（3）实验平台陈旧，难以对其功能进行扩充。

针对高校普遍存在实践教学环节薄弱的问题，借鉴国家举办数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等方面专业竞赛的经验，教育部经研究决定，委托教育部高等学校自动化教学分委员会（以下简称“自动化教学分委员会”），举办年度全国大学生智能汽车竞赛（高教函〔2005〕201 号）[2]。湖南科技大学依托电子与电气技术国家级示范实验室，通过组织骨干教师对智能汽车设计知识内涵进行解析，构建智能汽车竞赛平台，并将其与信息类专业相关课程相结合对本校信息类专业进行实践教学改革。 有效地促进了信息类专业学生综合实践能力的培养。

1 构建智能汽车竞赛平台

1.1 智能汽车竞赛知识体系

智能汽车具有强耦合、非线性等特点，通过组织骨干教师，解析智能汽车设计知识内涵，可将智能汽车设计整体框架为以下5 个部分，每个部分都包含了丰富且有意义的实践内容。

智能汽车大赛要求车模在规定的赛道上运行，车模可分为四轮车模以及两轮直立车模， 而四轮车模又可以分为采用双电机驱动车模的C 车模和单电机驱动的A 车模以及B 车模[3]。 对于四轮车模而言，行走控制相对于直立车模比较简单， 对于单电机驱动的A、B车模的行走控制，仅需控制电机运行的同时，配合转向舵机打角即可，而对于双电机驱动的C 车模在驱动电机的同时需要控制两电机的速度而实现差速的功能，使得车模在过弯的时候能保持较好的姿态， 在控制过程中可利用电流环以及速度采集实现对双电机的双闭环控制，使程控差速能更好地接近机械差速的效果。

对于直立式智能车辆模型，其运动控制任务相对复杂。 智能车辆模型作为被控对象， 其控制输入是2个直流电机的转速[4]。 但需要实现以下功能：（1）控制直立智能车模的平衡，通过控制两个电动机的正反转来控制车模的平衡，以使车模保持直立和平衡。 （2）控制直立智能车模的运动速度， 通过调整直立智能车模的倾斜角度来完成对汽车模型的速度控制，实际上，它最终演变为通过控制电机的转速来控制车轮转速。（3）控制直立智能车模的方向， 主要是根据两个电动机之间的旋转差来完成车模的方向控制。 上述对直立智能车模三种姿态的控制都是各自独立进行的。 由于最终都是对同一个控制对象进行控制，因此，这三种姿态的控制存在相互耦合。因此它们之间存在耦合。在这个过程中需要用到经典的PID 控制算法，甚至模糊PID 算法使得车轮的速度尽快地达到期望值[5-6]。

1.2 注重理论课教学，打好基础

参加智能车竞赛实践活动所需的知识与信息专业的课程内容密切相关。 湖南科技大学一贯重视对学生进行基础课程和专业实践课程教育， 有针对性地根据信息专业的特点进行基础及专业课程的设置。 通过组织专业骨干教师将智能汽车设计中的相关理论知识与学生培养方案和理论课授课体系紧密结合。 在湖南科技大学，智能车大赛的队员主要是信息学院的学生，也有少数机械和计算机专业的学生参加， 这对信息专业学生的创新能力提出了更高的要求。 湖南科技大学除设置电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、微机原理、单片机系统及应用、自动控制等基础课程外，还设置了机械类课程和技术创新方法类基础课， 这样学生在进行竞赛准备的过程中具备丰富的理论基础知识。在进行硬件设计和软件编程时有传感器、 控制算法等相关知识， 并有机械和计算机专业学生协同合作完成机械设计、编程等工作，保证了竞赛车模能自主识别道路，并在指定赛道上行走；在进行模型创新制作中，有了技术创新方法课程所培养的创新思维， 学生可针对车模进行创新设计[7]。

1.3 举办专题讲座，提高认识

讲座为对智能汽车感兴趣的学生提供了学习和交流的良好场所。 讲座包括2 个部分：一是骨干教师的专题讲座；二是以往参加过智能汽车竞赛的学生的专题讲座。 讲座内容以完成智能汽车设计为目的。 智能汽车团队从2013 年开始，设计开发了讲座课件，开设了累计多达30 课时/每年的专题讲座， 学生们可以从讲座讲授的内容和课后交流中了解智能汽车竞赛的基本情况，以及竞赛所涉及的机械、电气与电子、计算机等方面的知识。 开设讲座吸引了许多优秀的学生，可以通过深化培训拓展队员。

1.4 组建竞赛创新团队，培养竞赛人才梯队

参赛队伍以大三和大三的学生作为骨干，新生和大二的学生作为新生力量。 根据指导教师的引领，学生通过自主学习实现自我提升。 自成立自主创新团队以来，团队每年都将招纳新生，补充团队力量，实现新老队员有序更替。 招纳新队员的标准是学生应对参加智能车比赛有浓厚的兴趣，且还应具有扎实的理论基础知识和实践动手能力。 队员选拔主要是基于回答评估和实践操作测评的方法。 选拔完后，将由指导教师和上几届获奖同学组成一个培训组，利用周末或者寒暑假对新学员进行培训，帮助新队员建立一个完备的智能车竞赛知识体系。 在比赛准备阶段，指导教师全程进行监督和指导，每周组织一次经验分享会和问题解决讨论会。 团队根据学生的水平进行分层管理，对进步比较快和技术实力比较强的团队进行重点培养，鼓励他们去冲刺国家级奖项，对于基础相对较弱的团队采用以学习技术为主、 参赛获奖为辅的培养模式。让这些队伍成为下一年冲刺国家级奖项的新力军。

2 结语

全国智能汽车竞赛是一项为了培养大学生创新能力的探索性工程实践活动，是教育部倡导的主要大学生科技竞赛之一。 该比赛不仅具有科学性和挑战性，还具有非常好的观赏性。 该竞赛自2005 年举办以来，已经举办了12 届。 我校从2012 年开始，组织信息类专业大学生参加了其中的5 届比赛，获得国家级奖项10 项，其中一等奖3 项，二等奖5 项，三等奖2 项；获取全国华南赛区奖项17 项，其中一等奖7 项，二等奖10 项。 仅依靠有限的经费支持和为数不多的指导教师和学生的努力，获此成绩当属不易，这与教师依托电子与电气技术国家级示范实验室，全力构建智能汽车竞赛平台，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。