陈震 牛炯 陈家林 迟书凯 周琳

（中国海洋大学工程学院 山东省青岛市 266100）

1 引言

实践是认知的重要来源，学生通过实践可以加深对所学知识的理解和认识，充分将理论知识与实际结合起来。自动化作为传统的工科专业，更是非常注重学生实践活动。兴趣是最好的老师，将实践与兴趣结合在一起，才能极大地推动学生学习的积极性，提高学习质量。现在，自动化专业课程中虽然很多课程都有相关的实验课，但是大多以验证性实验为主，缺少综合性、设计性、创新性实验。还有一些偏理论性的课程没有实验课程，学生只是枯燥的学习理论知识，并不能将所学知识用于解决实际问题，这也导致学生的学习质量下降，对知识的理解不够深入。另外，传统的课程实验存在着项目落后、设置不合理的情况，对学生的锻炼价值和创新能力培养的作用有限，而学科竞赛是在紧密结合课堂教学及技术应用的基础上，对培养学生创新能力，提高教学质量，具有独特的和不可替代的作用[1]。智能汽车有着广阔的应用前景，一些大学和研究机构也参与到智能汽车的开发中[2]，但是智能车的研发不仅需要大量资金，同时也存在安全性的问题，不能直接引入本科教学。智能车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向自动化、机械、电子、测控专业特色分明的学科竞赛[3]。其设计内容涵盖了数电、模电、电机、传感器、单片机、自控原理、过程控制等多个课程的知识。该竞赛自2006年在清华大学举办第一届比赛以来，每年举行一次比赛。至今已成功举办14 届。我校于2007 开始参赛，参赛人数与成绩逐年提高，2019年我校参加智能车竞赛培训的人数达到150 人，智能车竞赛已经成为自动化专业最受学生欢迎的比赛之一。基于以上考虑，本文提出基于智能车竞赛的创新实验平台设计，将智能车竞赛中所用到的知识开发为相应的实验模块，为相关理论课程提供实验项目。同时，学生通过这些实验项目也可以学习智能车竞赛相关知识，促进我校智能车竞赛更进一步。

2 智能车竞赛创新实验平台设计

2.1 智能车竞赛题目分析

如图1 所示，2018年智能车竞赛分为竞速组和创意组，竞速比赛按照三个大类、六个组别进行设置。具体如下：

2.1.1 竞速组

（1）光电类：该类别的车模允许采用光电、摄像头等传感器进行赛道检测。完成单车赛道竞速比赛。按照所使用的车模种类，分为两个小组：光电四轮组和光电直立组。

（2）电磁类：使用指定的四轮车模完成比赛。该类别的车模只允许采用普通的磁场传感器，检测赛道中作为引导信号的20kHz的交变磁场，完成单车赛道竞速比赛。按照车模驱动电源分为两个小组：电磁普通组和电磁节能组。

（3）追逐类：参赛队伍制作两个车模完成赛道竞速，比赛成绩由车模运行时间与通过终点的时间差共同决定。如果在比赛过程中，于规定路段完成赛道超车，则会有相应的时间奖励。按照赛道引导线形式分为两个组别：光电追逐组和电磁追逐组

图1：智能车竞赛项目

图2：智能车创新实验开发板

2.1.2 创意组

创意赛类别比赛，要求比赛车模在布置有信标的场地内完成比赛。参赛车模允许安装光电传感器，识别场内信标的位置，完成信标的追逐。参赛车模根据任务分为以下两个组别：双车对抗组和四旋翼导航组。

2.2 智能车功能模块分析

2.2.1 共用模块

是指各类别竞赛都需要用到的技术模块。

电源模块：电源模块负责给控制器和传感器供电；

驱动模块：电机驱动模块负责驱动智能车行驶；

通信模块：通信模块负责控制器与上位机之间的通信，便于调试；

控制模块：控制模块将采集到的信号进行处理，负责智能车沿赛道行驶；

上位机模块：调试使用，负责下发控制指令或参数。

表1：智能车功能模块分解及相关知识点举例

表2：实验任务与指标设计

2.2.2 专用模块

每个竞赛类别专用的技术模块。

信号检测模块：信号检测模块负责对赛道信息进行检测，信号检测所用传感器包括：摄像头、CCD、电感等；

信号调理模块：信号调理模块对采集到的信号进行放大、滤波、比较等处理，将最终信号传递到控制器进行决策使用；

无线充电模块：在无线节能组需要使用无线充电模块，其作用是将电磁线圈发出的磁场能量转换为电能，对超级电容进行充电。

2.3 相关知识点挖掘

针对以上功能模块，我们对其相关知识点进行挖掘，不同的知识点对应于不同的课程，从而可以得到针对不同课程的创新实验。部分知识点挖掘举例如表1 所示。

2.4 实验设计

以智能车为实验平台，将实验模块按照难度分为入门级实验和设计性实验，其中入门级实验提供详细的实验步骤指导，设计性实验只提供实验指标，不提供具体步骤。将这些实验与上面知识点一一对应，给出实验原理和部分实验步骤。

2.5 针对设计性实验提出实验指标

按照智能车设计的实际经验对每个功能实验提出实验设计指标，给出两个例子，如表2。

3 创新实验平台实施效果与意义

根据上述实验项目，开发了一套创新实验开发板，并投入实验教学，该实验平台极大地促进了学生实验的兴趣，对部分理论课程的学习有良好的促进作用，做到了以赛促教、以赛促学、以赛促改，以竞赛为推手，促进教学相长[4]。同时，这些实验也对学生参加智能车竞赛有很大帮助，在实验过程中深化了理论知识，在竞赛过程中增加了理论指导，基于此，中国海洋大学智能车竞赛近些年也取得了良好的成绩。智能车创新实验开发板如图2 所示。

4 结论

智能车竞赛作为最受自动化专业学生欢迎的竞赛项目之一，不仅具备创新性、趣味性的特点，更具有专业性、技术性的特性。竞赛项目在传统自动化知识的基础上，开发了诸多新的应用，这极大地提高了学生的学习兴趣，同时也给学生提供了良好的实践机会。但受制于实验室场地或经费限制，并非所有学生都有机会参加竞赛。本设计将竞赛项目开发为实验项目，面向所有同学，为相关课程提供了实验支撑，同时，这又反向支持了竞赛的发展，最终实现了教学与竞赛双赢。