汽车模块化思想在“飞思卡尔”智能车竞赛中的应用

张晓冬王海燕李继光沈 岩

1.郑州轻工业学院物理与电子工程学院 河南郑州 450002

2.郑州轻工业学院教务处 河南郑州 450002

汽车模块化思想在“飞思卡尔”智能车竞赛中的应用

张晓冬1王海燕1李继光2沈 岩1

1.郑州轻工业学院物理与电子工程学院 河南郑州 450002

2.郑州轻工业学院教务处 河南郑州 450002

把汽车模块化思想应用在大学生智能车竞赛中，即把智能车开发设计进行模块化分类，使不同组别间共用相同的模块，集中精力进行不同模块的开发设计。在有限的时间内，减少了重复环节，提高了智能车的开发效率，并取得了不错的效果。

模块化；智能车；设计；效率

“汽车平台”这一概念产生于上世纪80年代，它是由汽车制造厂商设计，几个车型共用的产品平台。汽车平台与车辆的基本结构相关，出自于同一平台的不同车辆具有相同的结构要素，例如车门立柱、翼子板、车顶轮廓等。同一平台车型的轴距一般情况下是相同的，同时一些配件也通用。在模块化生产方式下，汽车技术创新的重心在零部件方面，零部件要超前发展，并参与汽车厂商的产品设计。汽车厂商方面则以全球范围作为空间，进行汽车模块的选择和匹配设计，优化汽车设计方案，将汽车装配生产线上的部分装配工作转移到装配生产线以外的地方进行。采用模块化生产方式有利于提高汽车零部件的品种、质量和自动化水平，提高汽车的装配质量，并缩短汽车的生产周期。目前，许多知名汽车厂商如大众、通用等走的就是这条路。[1]

1 “飞思卡尔”杯智能车简介

全国大学生“飞思卡尔”智能车竞赛由教育部高等学校自动化类专业教指委主办，飞思卡尔半导体公司协办。竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能。

竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队伍将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。该项赛事已经发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一(教高函〔2007〕30号文)[2]，目前已经进行到第九届。

2 模块化思想在智能车中的应用

由于“飞思卡尔”智能车竞赛要求参赛学生具备自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科知识[3]，同时更重要的是团队合作。从购买元器件，搭建车模，选择合适的传感器，制作PCB，组建外围电路，编程，优化算法，上道测试，反复调试直到硬件与软件互相匹配，小车达到最佳性能等，这些智能车竞赛准备过程的工作量是非常大的。[4]而往往参加智能车竞赛的学生主要以高年级为主，但是高年级学生课程较为繁重，为了参加智能车竞赛只能利用课余时间。为了保证在不影响正常学习的情况下快速提高智能车的参赛水平，我们把汽车模块化思想应用到智能车竞赛中，尽量缩短重复工作的开发流程，使学生把精力集中于智能车研发中一些重点和关键问题的解决[5]，而不至于被重复性的环节分散精力，从而在智能车开发过程中起到事半功倍的效果。

由于智能车竞赛指定了车模、单片机和相关的传感器，因此所谓汽车模块化思想在智能车竞赛中的应用就是根据竞赛组委会规定的参赛组别，硬件要求，参赛规则等。[6]对不同组别的智能车分别进行模块化设计，然后通过交叉比较，发现其模块差异，并共用相同的模块，从而把设计者的精力投入到不同模块的开发中，以达到缩短开发周期，减少材料损耗，提高开发效率，提升竞赛成绩的目的。以第九届全国“飞思卡尔”智能车竞赛为例，组委会规定参加竞速组比赛分为3个组别，分别是光电组、电磁组以及摄像头组。光电组采用线阵CCD传感器，四轮竞速的方式；电磁组采用电感传感器，四轮竞速的方式；摄像头组采用面阵CCD，两轮直立竞速的方式。

我们把这3个组别的开发流程分别进行模块化设计：光电组由电源模块、稳压模块、驱动模块、单片机模块、线阵CCD模块、舵机模块和直流电机模块组成(如图1所示)；电磁组由电源模块、稳压模块、驱动模块、单片机模块、电感传感器模块、舵机模块和直流电机模块组成(如图2所示)；摄像头组由电源模块、稳压模块、驱动模块、单片机模块、面阵线阵CCD模块、陀螺仪传感器模块、加速度计传感器模块和直流电机模块组成(如图3所示)。在这3个组别的开发模块设计中，电源模块负责给智能车提供总的电源输出，驱动模块负责驱动直流电机运转，稳压模块负责给单片机模块和各类传感器供电，同时单片机模块负责接受各类传感器的采集信息并控制舵机的转角和直流电机转速的快慢。当这些模块协调一致，程序中“PID”参数经过整定，智能车也就可以完整的运转起来。

图1 光电组智能车开发模块图

图2 电磁组智能车开发模块图

图3 摄像头组智能车开发模块图

从光电组、电磁组以及摄像头组3个组别的开发模块图可以看出，由于组委会规定不同组别的智能车可以使用同一款单片机。[7]因此电源模块、驱动模块、稳压模块、单片机模块可以3个组别共用，只需要设计出一种电源模块、驱动模块、稳压模块和单片机模块的硬件电路即可，不需要开发人员分别对这4种模块设计出3种硬件电路。3个组别的设计者可以同时使用这一硬件电路开发智能车，只不过在同一硬件电路的基础上需要移植不同的程序，即软件编程上需要对单片机控制直流电机模块进行参数的修正适应不同组别的智能车即可。

同理而言，光电组和电磁组可以共用1个舵机模块，包括硬件的设计和软件的设计，不需要两组分别开发2套舵机方案。通过模块化设计思路，参加光电组的设计者只需要把精力投入到线阵CCD模块开发中，即如何设计该模块的硬件和软件，单片机读取该模块的数据后，并设计“PID”编程算法控制舵机和直流电机。参加电磁组的设计者只需要把精力投入到电感传感器模块的开发中，即如何设计该模块的硬件和软件，单片机读取该模块的数据后，并通过“PID”算法控制舵机和直流电机。参加摄像头组的设计者只需要把精力投入到陀螺仪传感器模块、加速度计传感器模块和面阵CCD模块的开发中，即如何设计模块的硬件和软件，单片机读取该模块的数据后，并通过“PID”算法控制直流电机使小车直立行驶。不难看出，在智能车竞赛的准备过程中，通过共享的模块化设计，可以使智能车设计者在有限的时间内把精力投入到解决小车的关键核心问题上，大大解放了设计者的外围工作精力，不在兼顾智能车的所有设计，而是保证“重点”模块的研发，从而提高了智能车的研发效率。

3 结束语

实践证明，我们在智能车竞赛中应用汽车模块化思想，即把智能车开发设计进行模块化，并通过3个组别共用相同的模块，把设计者的精力集中到不同模块的开发设计中，即智能车的核心问题上，在有限的时间内，减少了重复环节，大大提高了智能车的研发效率，取得了一定的效果。在2014年8月结束的第九届全国“飞思卡尔”智能车竞赛中，我校参加了3个组别(光电组、电磁组和摄像头组)的竞赛，在参赛队员少，准备时间短等不利的条件下，我们采用了汽车模块化思想，合理分配了参赛者的精力，提高了智能车的研发效率，最后光电组和摄像头组两组智能车从华北赛区预赛中脱颖而出，进入到了全国总决赛，这也是我校目前参加全国“飞思卡尔”智能车竞赛以来最好的成绩。

[1] 汽车生产平台[EB/OL].http://baike.haosou.com/doc/6788307. html.

[2] 飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛官网,全国大学生智能汽车竞赛介绍[EB/OL].[2014-11-2].http://www.smartcar. au.tsinghua.edu.cn/column/jsjs.

[3] 张瑞成,陈至坤.学科竞赛内容向大学生实践教学转化的探讨[J].实验技术与管理,2010,27(7):130-132.

[4] 夏百战,吕炎炎.学科竞赛对独立学院教学工作的重要意义[J].中国现代教育装备,2009(17):167-169.

[5] 赵书朵,周云旭,陈云生.浅析学科竞赛与创新型人才培养[J].实验室科学,2011,14(6):4-6.

[6] 张晓冬,侯海兴,郝俊红.教学中实现科研与实践的有机结合 培养学生的实践创新能力[J].信息系统工程,2011(6):151-152.

[7] 张晓冬,苏玉玲,李继光,曹伟风,云康.以智能车竞赛为依托提高学生实践创新能力探索.职业教育研究,2014(1):125-127.

[8] 信息学院本科生竞赛项目简介.[EB/OL].[2012-3-2].http://wenku. baidu.com/view/7fbb5c8dd0d233d4b14e6931.html.

The Application of Modularization in Freescale Smart Car Competition

Zhang Xiaodong, Wang Haiyan, Li Jiguang, Shen Yan
Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, 450002, China

We apply modularization in "Freescale" smart car competition, namely modularizing the design of smart car, students of different groups can share the design of same modules , and concentrate on it of different modules. In this way students reduce their effort and improve their effciency within limited time， fnally achieve good results.

modularization； smart car； design； effciency

2014-11-04

张晓冬，在读博士研究生，讲师。