支持迭代演進的智能車創(chuàng)新實驗的設計與應用

劉 晨 ，郭 軍 ，劉佳良 ，侯 帥

（1.東北大學 計算機科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學 計算機國家級實驗教學示范中心，遼寧 沈陽 110819）

0 引 言

隨著物聯網行業(yè)的飛速發(fā)展，人工智能越來越受到人們的關注。智能車作為人工智能的代表產物之一，在信息提取及處理、控制系統(tǒng)構成、控制方案設計等方面既具有代表性，難度又較低，是良好的本科教學實驗平臺[1]。筆者在教學和實驗操作中，經過對實驗內容的摸索與改進，設計了一套支持迭代演進的智能車創(chuàng)新實驗[2]。整套創(chuàng)新實驗可以滿足各個年級學生的學習需求，并且可根據學生的專業(yè)及年級差異，個性化設計實驗內容，遞進式增加實驗難度。

1 創(chuàng)新型實驗現狀及可行性分析

1.1 本科實驗教學現狀分析

目前，各高校本科實驗教學仍以課程實驗為主，其內容包括演示性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗4部分[3]。實驗內容多以驗證性實驗為主，且實驗大綱對于實驗內容與課程知識點的匹配程度有嚴格的要求，這導致學生無法將實驗內容進行有效的融合與貫通，忽略各門課程之間的聯系，加上驗證性實驗過多、實驗結果唯一性導致學生思維受到束縛，其綜合性動手能力無法得到有效的鍛煉?？焖侔l(fā)展的教學需求迫切需要開發(fā)設計綜合性、開放性的創(chuàng)新實驗教學體系。

1.2 基于智能車的創(chuàng)新實驗可行性分析

基于智能車的創(chuàng)新型實驗圍繞著智能車迭代演進式展開實驗內容，涉及計算機、通信、電子、自動化等多學科的知識，不再拘泥于某一門課程體系，將多學科、多課程的知識融合，鍛煉學生動手實踐能力，同時將實驗難度遞進式增加，在終極實驗中要求學生自主設計并實現，開拓學生思維，培養(yǎng)其創(chuàng)新設計能力。

將智能車作為創(chuàng)新實驗的基礎，主要考慮到智能車本身的趣味性與靈活性，且智能車實驗的起始實驗難度低，學生容易上手，不容易產生抵觸心理；同時在學生不斷學習的過程中，實驗內容及實驗難度可迭代演進式調整，保證學生的學習需求。

在實驗裝置方面，創(chuàng)新實驗用到的硬件裝置主要包括基礎車體構件、智能裝置構件和擴展構件3部分[4]。整套實驗裝置價格低廉，有利于創(chuàng)新實驗的開展。

2 創(chuàng)新實驗內容設計

所謂智能車就是在普通車輛的基礎上增加嵌入式芯片、傳感器、執(zhí)行器等裝置，實現智能信息交換的嵌入式系統(tǒng)[5]。智能車的硬件結構如圖1所示。

圖1 智能車硬件結構

創(chuàng)新實驗共分為4部分：基礎實驗部分、單傳感器實驗部分、多傳感器及車車通信實驗部分、綜合實驗部分。實驗包括7個關卡的實驗內容：智能車的基本動作、智能車的光電對管尋跡、智能車的CCD尋跡、智能車的避障、智能車的紅外綜合、智能車的藍牙接力、信使智能車的設計，其中前6個內容大約需要4～8小時的完成時間，最后一部分內容用于探索，約需要32小時，實驗模式如圖2所示。

圖2 創(chuàng)新實驗模式

2.1 基礎實驗

本階段要求學生完成智能車的拼裝及基本動作，實現對于智能車的初步探索[6]。以STC89C52系列單片機芯片為核心，配套外部模塊，要求學生在1min內讓小車自動完成直行、左轉、右轉、后退、停止5個基本動作。

2.2 單傳感器實驗

在單傳感器實驗中，要求學生在車上加裝傳感器，自主編程分別實現智能車的紅外尋跡、智能車的CCD尋跡、智能車的避障，考查學生對于簡單算法的設計能力[7-9]。

2.3 多傳感器及車車通訊實驗

隨著實踐環(huán)節(jié)的不斷深入和完善，本階段計劃引入多種傳感器，基于智能車進行復雜的算法設計與實現，完成基于M4核心的STM32系列芯片的有限輸入輸出點的智能車設計[10]，完成智能車的紅外綜合；同時，在上述內容的基礎上引入無線通訊的知識，在智能車上加入無線通信模塊，實現車車通訊。

2.4 綜合設計實驗

綜合設計實驗部分要求學生完成信使智能車的設計，并為完成以上所有實驗內容的學生提供自主創(chuàng)新設計思路。該思路是基于google無人駕駛汽車的思想，能夠實現簡單的傳送信件的功能[11]。學生需要學習并實現的內容包括智能車的路徑規(guī)劃算法、智能車的避障算法、手機端預約送貨地點等。

3 實驗應用情況

這種創(chuàng)新實驗模式已經在東北大學計算機學院暑期夏令營、電子設計大賽培訓、嵌入式系統(tǒng)及其應用課程的實驗教學中進行過多次應用，已覆蓋計算機學院計算機科學與技術、物聯網工程、電子信息工程、通信工程4個專業(yè)4個年級的學生，覆蓋學生人數近800人。

3.1 暑期夏令營

為了將實驗內容與夏令營更好地結合，針對暑期夏令營的特點，將實驗內容以關卡的形式發(fā)布，要求學生組隊闖關，提高學生興趣。在近兩年計算機學院舉辦的暑期夏令營中，智能車主題共培訓學生近160人，累計人數達8 960。

3.2 電子設計大賽培訓

基于智能車的創(chuàng)新實驗作為電子設計大賽前期培訓的一部分，面向通信電子類專業(yè)低年級的學生展開，每年服務學生約1 440人。

在培訓過程中，針對通信電子類專業(yè)學生動手能力強、編程能力較弱的特點，調整實驗內容，加強器件的多樣性和綜合性，弱化算法的復雜度。面對CCD尋跡算法等代碼量較高的算法時，將部分代碼以模塊化的形式提供給學生。在2018年的“TI杯”遼寧省電子設計大賽中，經過此培訓的學生中有多人取得優(yōu)異的成績。

3.3 嵌入式系統(tǒng)及其應用課程開放性實驗

嵌入式系統(tǒng)及其應用是計算機專業(yè)重要的硬件類課程，面向計算機專業(yè)大三年級的學生開展，其實驗內容為基于嵌入式控制器完成小型智能系統(tǒng)的設計，包括共享單車的設計、智能快遞柜的模擬、智能車的設計等。

在嵌入式系統(tǒng)及其應用課程的開放性實驗中，為學生提供32學時的擴展實驗空間，鼓勵學生完成智能車綜合設計實驗，實現一個簡易信使智能車的設計；將學生所學的多門計算機專業(yè)課程知識融合，從底層的硬件電路設計到算法設計等，均由學生自主完成。

4 結 語

基于智能車的創(chuàng)新實驗模式不再依附于某一門理論課，而是將多專業(yè)、多方向的知識基于智能車進行融合，形成一個綜合性創(chuàng)新實驗體系。該創(chuàng)新實驗模式已經經過兩年時間的驗證，實踐表明，與傳統(tǒng)的實驗課程相比，這種迭代演進式的實驗教學模式對于學生來說，更容易激發(fā)他們的興趣，開拓其思維。學生以興趣為導向參與，有利于提高其動手實踐能力。另外，整個實驗模式具有連貫性，可以隨著新技術的發(fā)展不斷延拓。