面向自动驾驶人才培养的“车辆动力学及其控制”课程改革探索

摘 要：面向新工科建设和自动驾驶人才培养需求，对车辆工程、交通运输工程等相关专业研究生的核心课程《车辆动力学及其控制》进行教学改革探索，更新了课程内容，自主研制了“智能无人电动汽车教学实验平台”，综合运用多种教学方法，改进课程考核方式，取得了较好的教改实践效果，可以为自动驾驶人才培养提供有益参考。

关键词：自动驾驶 车辆工程 动力学 控制 教学改革

1 绪论

具有高级别自动驾驶功能的智能网联电动汽车，能够极大地方便人们的出行，是可以被打造成自动驾驶产业链和生态系统的理想终端，具有巨大的商业价值和工业价值，已经成为各大传统车企、造车新势力以及互联网公司追逐的焦点，成为汽车产业的发展方向[1]。在自动驾驶产业快速发展的过程中，急需高校培养大批具备新知识体系和创新思维的自动驾驶人才。自动驾驶智能网联汽车是指搭载了先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（车、路、人、云等）（V2X）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现安全、高效、舒适、节能行驶，并最终实现无人驾驶的新一代汽车[2]。自动驾驶是智能网联汽车的核心功能，包括感知、定位、规划、决策和控制执行5个过程，具有明显的多学科交叉属性，涉及环境感知、智能决策、控制执行、车联网等多种复杂技术。

目前，研究生是科研人才培养的主力军，也是高校自动驾驶人才培养的中坚力量。《车辆动力学及其控制》是一门面向智能车辆工程、交通运输工程、车辆工程等专业研究生的核心课程，主要研究车辆运动与受力的关系，通过建模和仿真分析车辆的运动规律及其在加速、制动、转向、振动等过程中的性能，并研究如何控制和改善性能，与自动驾驶车辆的线控技术密切相关，对于自动驾驶应用型和复合型高层次人才培养具有重要作用[3]。鉴于这门课程的重要性，国内有车辆工程专业的理工科高校大都开设了这门课程，课程名称存在一些差异，常用的课程名称包括《车辆系统动力学》《车辆动力学与控制》《汽车动力学》等，但教学内容和知识体系基本一致[4-5]。目前，自动驾驶技术更新换代快，企业希望入职毕业生能够马上独立承担工作，对人才培养提出了新的要求，导致传统的课程知识体系、教学方法、培养模式已经出现诸多问题。因此，本文以《车辆动力学及其控制》课程为例，面向自动驾驶人才培养的需求，从课程内容、教学方法、考核方式等方面开展教学改革研究和实践探索。

2 目前存在的不足和改革方向

汽车是一个由成千上万个零部件组成的复杂跨界交叉系统，随着计算机、电子、人工智能等技术的发展，汽车的内涵和外延在不断地变化。对于汽车动力学系统，有两次大的变革，第一次是20世纪90年代开始的汽车防抱死系统、驱动防滑系统等电子装备大量开发和应用，第二次是2010年之后的线控系统、自动驾驶、智能座舱等技术的快速发展和应用。但是，目前国内很多高校汽车动力学相关的教材仍然使用20世纪米奇克编著的《汽车动力学》、安部正人编著的《车辆操纵动力学》等经典书籍[6]，课程知识体系和内容已经落后于汽车技术的进步，无法满足自动驾驶行业的需求。因此，急需补充电动汽车、线控底盘、智能控制等新知识。

智能手机、平板电脑等电子产品在方便人们生活的同时，也对学生的学习造成了威胁，例如，有的学生在课堂上玩手机，课下做作业不动笔，遇到问题不思考，而依赖于网络搜索引擎。尤其是在学习一些理论难度大、知识点多的课程时，提不起学习兴趣，遇到困难容易放弃。此外，自动驾驶技术还没有本科专业，很多学习自动驾驶技术的学生是跨专业的，本科的基础和培养体系千差万别。在有限的课时内，如何兼顾学生的基础差异和前修课程，激发学生学习兴趣，引导学生思考，减少智能手机的依赖，提升课程的学习效果，是非常具有挑战性的难题。

车辆动力学与控制相关的专业课程，具有较强的应用性和实践性，需要理论与实践密切关联。但是，目前很多高校的车辆动力学课程仍以课堂理论教学为主，缺乏实践环节。课程考评方法，对学生的学习方式、知识运用等具有重要的引导作用。但是，目前很多高校仍以单一的闭卷考试方式进行成绩评定，导致学生常常采用死记硬背的方式记忆知识点，然后大量做课后习题和模拟试题，没有摆脱高中的刷题学习模式，不利于学生应用能力、分析能力和创造能力的培养。

3 更新课程教学内容，改进教学方法

面向自动驾驶人才培养的需求和挑战，本课程团队调研、汇总和分析了汽车的新技术，尤其是与自动驾驶相关的车辆动力学系统的发展和应用情况，在美国学者Rajesh Rajamani编著的《Vehicle Dynamics and Control》（第2版）（中译本《车辆动力学及控制》，王国业主编）的基础上，补充了电动汽车驱动、四轮转向、线控转向、现代控制理论、智能控制等内容，并且形成了定期地更新机制，编写了《基于线性参数时变理论的电动汽车增益可调鲁棒估计和控制》（Robust Gain-Scheduled Estimation and Control of Electrified Vehicles via LPV Technique），如图1所示，以分布式轮毂驱动电动汽车为对象，重点讲授了电动汽车侧向动力学系统的状态参数非线性估计和侧向稳定性鲁棒控制策略。

车辆动力学主要研究车辆系统运动与受力的关系，例如：悬架系统、转向系统、制动系统、驱动系统等，实验往往是系统级的，对软硬件的要求高，实验成本高，难以像材料力学、机械原理等课程开展材料样件或零件级的实验，导致理论与实践联系不紧密。自动驾驶技术与车辆动力学结合之后，进一步增大了实验的难度。为了给学生创造更多的实践机会和更好的实验条件，本课程团队研制了“智能无人电动汽车教学实验平台”，如图2所示，具有功能全面、实用可靠、外设接口丰富、便于二次开发等特点，解决了自动驾驶类课程缺少专业教学平台设备的问题，为理论教学与工程实践结合提供了条件。

为了提升课程的教学效果，激发学生学习兴趣，增强学生对知识的理解、掌握和运用，本课程采用了启发式教学、问题导向式教学、案例式教学、多媒体声像教学、任务驱动教学、对比教学等方法。例如，引导学生站位自动驾驶底盘系统控制执行工程师，在理解横摆稳定性控制原理的基础上，启发学生思考提高汽车操纵稳定性的理论方法和技术途径。在进行汽车垂向动力学章节学习时，对比了汽车被动悬架、半主动悬架和主动悬架的动力学模型，通过三种悬架系统的仿真分析案例讲解，帮助学生理解和掌握知识。在进行侧向动力学章节学习时，由机械转向系统到电动助力转向系统，再到线控转向系统，递进式教学，结合动画和视频，使学生能够更加直观地认识汽车转向系统的发展过程和原理。通过上述教学方法的综合运用，学生的学习效果明显提升。

4 优化课程考核评价方式，增强实践性，强化应用能力导向

课程成绩的评定方式，是教学中的关键环节，对学生具有重要的引导作用。为了引导学生主动理解知识，并运用知识解决工程问题，避免出现死记硬背的现象，本课程采用考查制的考评方式，将课程成绩分为三部分，即平时表现成绩、实验成绩和结课论文成绩。平时表现，主要是根据学生的课堂活跃程度、回答问题、参与讨论等情况给定。实验成绩，是根据学生开展“基于Apollo自动驾驶平台的控制仿真实验”并撰写实验报告情况而评定。本课程基于百度Apollo自动驾驶平台的开放资源，设计了控制仿真实验。由学生自己注册百度Apollo仿真平台账号，针对线控车辆设计横向和纵向控制器，编写并运行代码，计算车辆的横纵向位置偏差、转角、速度和加速度补偿量等信息。结课论文是安排学生以小组为单位，完成一个车辆动力学与控制系统相关的课题，撰写一篇论文，论文需要包含动力学建模、系统特性分析、系统指标、控制系统设计、结果分析等内容；学生制作多媒体演示文稿，进行演讲和答辩，学生与教师分别打分，综合计算后给出成绩。从三年的实践效果来看，与闭卷考试相比，学生们更喜欢和接受这种多级式、开放式的考核方式，能够加深知识理解，提高分析和解决问题的能力，丰富实践经验。

5 结语

汽车产业规模大，产值高，是国民经济的支柱产业之一。在汽车产业加速变革和新工科建设快速推进的背景下，面向自动驾驶人才培养的需求，本文对车辆工程、交通运输工程等相关专业研究生的核心课程《车辆动力学及其控制》开展教学改革研究。首先，剖析了课程教学存在的不足和面临的挑战；然后，结合新进发展和应用的汽车技术，补充了四轮转向、线控转向等内容，编写了分布式轮毂驱动电动汽车控制的书籍，自研了“智能无人电动汽车教学实验平台”，为学生提供更好的实践条件，综合运用启发式教学、多媒体声像教学、对比教学等方法；最后，改进课程的考评方式，将课程成绩分为平时表现成绩、实验成绩和结课论文成绩，为学生提供项目实践和展示的机会。上述教改举措应用，激发了学生的学习兴趣，提升了学生对知识的理解程度，引导学生主动运用课程知识解决工程问题，取得了较好的教学实践效果，可以为汽车相关专业课程的教改和自动驾驶人才培养提供有益参考。

基金项目：北京航空航天大学研究生精品课程建设项目《车辆动力学及其控制》；中国交通教育研究会教育科学研究课题“交通类院校智能车辆学科建设研究”（编号：JT2024ZD014）。

参考文献：

[1]欧阳明高.欧阳明高院士：汽车强国靠“四化”电动化、智能化、低碳化与全球化[J].高科技与产业化，2024，30（03）：12-15.

[2]陈刚，殷国栋，王良模.自动驾驶概论[M].北京：机械工业出版社，2019.

[3]李韶华，王伟达.车辆动力学与控制研究进展[J].动力学与控制学报，2021，19（03）：1-4.

[4]张帅，彭巧励，徐立友，等.车辆系统动力学课程教学改革探索及实践[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），2024，34（02）：92-96.

[5]唐芳云，朱旭，余晨光.论汽车动力学课程思政的内在机理与实现路径[J].高教学刊，2023，9（10）：174-177.

[6]潘公宇，杨晓峰.研究生精品课程车辆系统动力学教材建设初探[J].教育教学论坛，2020，7（27）：105-106.