支持迭代演进的智能车创新实验的设计与应用

刘 晨 ，郭 军 ，刘佳良 ，侯 帅

（1.东北大学 计算机科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学 计算机国家级实验教学示范中心，辽宁 沈阳 110819）

0 引 言

随着物联网行业的飞速发展，人工智能越来越受到人们的关注。智能车作为人工智能的代表产物之一，在信息提取及处理、控制系统构成、控制方案设计等方面既具有代表性，难度又较低，是良好的本科教学实验平台[1]。笔者在教学和实验操作中，经过对实验内容的摸索与改进，设计了一套支持迭代演进的智能车创新实验[2]。整套创新实验可以满足各个年级学生的学习需求，并且可根据学生的专业及年级差异，个性化设计实验内容，递进式增加实验难度。

1 创新型实验现状及可行性分析

1.1 本科实验教学现状分析

目前，各高校本科实验教学仍以课程实验为主，其内容包括演示性实验、验证性实验、综合性实验和设计性实验4部分[3]。实验内容多以验证性实验为主，且实验大纲对于实验内容与课程知识点的匹配程度有严格的要求，这导致学生无法将实验内容进行有效的融合与贯通，忽略各门课程之间的联系，加上验证性实验过多、实验结果唯一性导致学生思维受到束缚，其综合性动手能力无法得到有效的锻炼。快速发展的教学需求迫切需要开发设计综合性、开放性的创新实验教学体系。

1.2 基于智能车的创新实验可行性分析

基于智能车的创新型实验围绕着智能车迭代演进式展开实验内容，涉及计算机、通信、电子、自动化等多学科的知识，不再拘泥于某一门课程体系，将多学科、多课程的知识融合，锻炼学生动手实践能力，同时将实验难度递进式增加，在终极实验中要求学生自主设计并实现，开拓学生思维，培养其创新设计能力。

将智能车作为创新实验的基础，主要考虑到智能车本身的趣味性与灵活性，且智能车实验的起始实验难度低，学生容易上手，不容易产生抵触心理；同时在学生不断学习的过程中，实验内容及实验难度可迭代演进式调整，保证学生的学习需求。

在实验装置方面，创新实验用到的硬件装置主要包括基础车体构件、智能装置构件和扩展构件3部分[4]。整套实验装置价格低廉，有利于创新实验的开展。

2 创新实验内容设计

所谓智能车就是在普通车辆的基础上增加嵌入式芯片、传感器、执行器等装置，实现智能信息交换的嵌入式系统[5]。智能车的硬件结构如图1所示。

图1 智能车硬件结构

创新实验共分为4部分：基础实验部分、单传感器实验部分、多传感器及车车通信实验部分、综合实验部分。实验包括7个关卡的实验内容：智能车的基本动作、智能车的光电对管寻迹、智能车的CCD寻迹、智能车的避障、智能车的红外综合、智能车的蓝牙接力、信使智能车的设计，其中前6个内容大约需要4～8小时的完成时间，最后一部分内容用于探索，约需要32小时，实验模式如图2所示。

图2 创新实验模式

2.1 基础实验

本阶段要求学生完成智能车的拼装及基本动作，实现对于智能车的初步探索[6]。以STC89C52系列单片机芯片为核心，配套外部模块，要求学生在1min内让小车自动完成直行、左转、右转、后退、停止5个基本动作。

2.2 单传感器实验

在单传感器实验中，要求学生在车上加装传感器，自主编程分别实现智能车的红外寻迹、智能车的CCD寻迹、智能车的避障，考查学生对于简单算法的设计能力[7-9]。

2.3 多传感器及车车通讯实验

随着实践环节的不断深入和完善，本阶段计划引入多种传感器，基于智能车进行复杂的算法设计与实现，完成基于M4核心的STM32系列芯片的有限输入输出点的智能车设计[10]，完成智能车的红外综合；同时，在上述内容的基础上引入无线通讯的知识，在智能车上加入无线通信模块，实现车车通讯。

2.4 综合设计实验

综合设计实验部分要求学生完成信使智能车的设计，并为完成以上所有实验内容的学生提供自主创新设计思路。该思路是基于google无人驾驶汽车的思想，能够实现简单的传送信件的功能[11]。学生需要学习并实现的内容包括智能车的路径规划算法、智能车的避障算法、手机端预约送货地点等。

3 实验应用情况

这种创新实验模式已经在东北大学计算机学院暑期夏令营、电子设计大赛培训、嵌入式系统及其应用课程的实验教学中进行过多次应用，已覆盖计算机学院计算机科学与技术、物联网工程、电子信息工程、通信工程4个专业4个年级的学生，覆盖学生人数近800人。

3.1 暑期夏令营

为了将实验内容与夏令营更好地结合，针对暑期夏令营的特点，将实验内容以关卡的形式发布，要求学生组队闯关，提高学生兴趣。在近两年计算机学院举办的暑期夏令营中，智能车主题共培训学生近160人，累计人数达8 960。

3.2 电子设计大赛培训

基于智能车的创新实验作为电子设计大赛前期培训的一部分，面向通信电子类专业低年级的学生展开，每年服务学生约1 440人。

在培训过程中，针对通信电子类专业学生动手能力强、编程能力较弱的特点，调整实验内容，加强器件的多样性和综合性，弱化算法的复杂度。面对CCD寻迹算法等代码量较高的算法时，将部分代码以模块化的形式提供给学生。在2018年的“TI杯”辽宁省电子设计大赛中，经过此培训的学生中有多人取得优异的成绩。

3.3 嵌入式系统及其应用课程开放性实验

嵌入式系统及其应用是计算机专业重要的硬件类课程，面向计算机专业大三年级的学生开展，其实验内容为基于嵌入式控制器完成小型智能系统的设计，包括共享单车的设计、智能快递柜的模拟、智能车的设计等。

在嵌入式系统及其应用课程的开放性实验中，为学生提供32学时的扩展实验空间，鼓励学生完成智能车综合设计实验，实现一个简易信使智能车的设计；将学生所学的多门计算机专业课程知识融合，从底层的硬件电路设计到算法设计等，均由学生自主完成。

4 结 语

基于智能车的创新实验模式不再依附于某一门理论课，而是将多专业、多方向的知识基于智能车进行融合，形成一个综合性创新实验体系。该创新实验模式已经经过两年时间的验证，实践表明，与传统的实验课程相比，这种迭代演进式的实验教学模式对于学生来说，更容易激发他们的兴趣，开拓其思维。学生以兴趣为导向参与，有利于提高其动手实践能力。另外，整个实验模式具有连贯性，可以随着新技术的发展不断延拓。