傅 林，黃 林，魏 慶，馮江平，段濠宇

(成都工業(yè)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院， 四川 成都 611730)

0 引 言

智能自主尋跡機(jī)器人的一個(gè)典型就是智能小車(chē).智能小車(chē)涉及電子電氣、計(jì)算機(jī)、傳感器、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制理論與工程、模式識(shí)別、信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)、軟件工程、通信工程、智能計(jì)算和傳動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科的科技設(shè)計(jì).作為一種實(shí)用的機(jī)器人系統(tǒng)，智能小車(chē)廣泛應(yīng)用于航天工程、國(guó)防科技、工礦企業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、醫(yī)療衛(wèi)生、商業(yè)服務(wù)、險(xiǎn)情救援等相關(guān)場(chǎng)所和領(lǐng)域，并且發(fā)揮了巨大的作用，深受受重視.國(guó)內(nèi)外諸多企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)都有許多研究成果或商業(yè)化產(chǎn)品問(wèn)世，而且國(guó)內(nèi)有很多學(xué)科競(jìng)賽都有智能小車(chē)類(lèi)題目，比如全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽、飛思卡爾杯智能車(chē)競(jìng)賽等.所設(shè)計(jì)、推出或參賽的智能小車(chē)形態(tài)、功能、性能創(chuàng)意各異，但是題目的基本架構(gòu)都是嵌入式系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)+計(jì)算核心+驅(qū)動(dòng)控制及其軟件+傳感器+通信接口.本項(xiàng)目主要目標(biāo)在于使得學(xué)生通過(guò)智能小車(chē)演示系統(tǒng)的研發(fā)，鍛煉學(xué)生的工程思維方式，提高其工程實(shí)踐應(yīng)用能力.

1 系統(tǒng)方案和框架設(shè)計(jì)

引導(dǎo)引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立使命感和責(zé)任感,要求學(xué)生全面了解國(guó)內(nèi)外智能小車(chē)以至于智能車(chē)行業(yè)領(lǐng)域研發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，研發(fā)真正符合市場(chǎng)和我國(guó)人民實(shí)際生活需要的產(chǎn)品.根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們要求學(xué)生從文獻(xiàn)檢索開(kāi)始，教他們?nèi)绾螖M定搜索關(guān)鍵詞、如何定義目標(biāo)網(wǎng)址范圍，如何確定目標(biāo)文獻(xiàn)擴(kuò)展文件名等，激發(fā)學(xué)生熱情，使之從開(kāi)始的茫然不知所措，到逐漸發(fā)生濃厚興趣，積極主動(dòng)投入搜集消化相關(guān)資料和文獻(xiàn).通過(guò)這一過(guò)程，項(xiàng)目組最終得出結(jié)論：根據(jù)不同的應(yīng)用需求，智能小車(chē)整車(chē)架構(gòu)、主控器芯片、傳感器種類(lèi)數(shù)量、通信接口等都有所不同或者大相徑庭.本課題終極目標(biāo)是希望推出新產(chǎn)品進(jìn)入商用市場(chǎng)，但首先是參照各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽智能小車(chē)設(shè)計(jì)制作的需要，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)演示系統(tǒng)，并且在整個(gè)過(guò)程中達(dá)到提升學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的目的，從而使得學(xué)生有視野和能力去面向商用智能小車(chē)、工業(yè)用智能機(jī)器人以至于實(shí)際智能汽車(chē)等市場(chǎng)和需求去提高與拓展.小車(chē)整體框架結(jié)構(gòu)，則主要設(shè)計(jì)兩輪輔助平衡和四輪小車(chē)(仿蜘蛛四足機(jī)器人)兩種類(lèi)型.其中兩輪輔助平衡小車(chē)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，而仿蜘蛛四足機(jī)器人系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖1 兩輪輔助平衡智能小車(chē)整車(chē)框架結(jié)構(gòu)圖

這樣做的好處是，目標(biāo)一致，互不沖突；有利于整個(gè)項(xiàng)目從立項(xiàng)、方案評(píng)審、詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真、制作、測(cè)試和驗(yàn)收運(yùn)行所有環(huán)節(jié)，貫徹自頂向下、逐步分解、模塊化設(shè)計(jì)原則；有利于團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作；有利于提高同學(xué)們的工程思維能力和實(shí)際研發(fā)水平；有利于拓展每一個(gè)學(xué)生的視野，開(kāi)闊其思路，可以由點(diǎn)及面、由表及里、舉一反三地較為全面和深入的理解、掌握智能小車(chē)研發(fā)軟硬件資源以及相關(guān)理論與工程技術(shù)方法.

圖2 仿蜘蛛四足機(jī)器人系統(tǒng)框圖

通過(guò)項(xiàng)目方案論證和提出、確定過(guò)程，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，原來(lái)所需要的理論知識(shí)和工程技術(shù)是如此豐富眾多，進(jìn)一步深刻理解到自身存在的不足，同時(shí)認(rèn)識(shí)到我國(guó)目前教育之所以存在諸多缺失，根本原因在于沒(méi)有準(zhǔn)確地回答大學(xué)生的主要矛盾是什么這一個(gè)根本性的問(wèn)題.大學(xué)生的主要矛盾，是社會(huì)日益增長(zhǎng)的綜合素質(zhì)需求與他們自身水平和能力不足的矛盾.這個(gè)主要矛盾，既要學(xué)校等教育機(jī)構(gòu)、每一個(gè)教師有深刻認(rèn)知與理解，同時(shí)也要讓每一個(gè)學(xué)生深刻解讀，從而落實(shí)到他們的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中.[1]

2 樹(shù)立和落實(shí)正確的教育教學(xué)理念

教育的目標(biāo)，對(duì)于國(guó)家、社會(huì)和民族，就是培養(yǎng)人才及其隊(duì)伍；對(duì)于學(xué)校，就是輸出合格的教育產(chǎn)品；而對(duì)于學(xué)生個(gè)人，就是既增能又立德，以保證他們既能夠自力更生，修身齊家，同時(shí)又能夠回報(bào)國(guó)家、社會(huì)和民族，造福子孫后代.學(xué)生讀書(shū)是在全維拓?fù)浣逃砟钕碌闹鲃?dòng)、自覺(jué)、積極、創(chuàng)造性地教學(xué)過(guò)程.所謂全維拓?fù)?，既包含教育目?biāo)的全維化：個(gè)人能力和綜合素質(zhì)全面培育與提高；又包含了教育教學(xué)過(guò)程的全員、全過(guò)程、全方位即三全育人思想，以及包括產(chǎn)教融合和全社會(huì)協(xié)同育人導(dǎo)向與實(shí)施.第三，還同時(shí)包括教育教學(xué)主體、內(nèi)容和形式的課程、科研、實(shí)踐(課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽等)、文化、網(wǎng)絡(luò)、家庭、社交圈、媒體、社會(huì)和環(huán)境等十大育人體系.

3 采用面向?qū)ο蠼逃Ｊ?/h2>

所謂面向?qū)ο蠼虒W(xué)，就是教學(xué)過(guò)程直接面向行業(yè)領(lǐng)域，面向生產(chǎn)實(shí)踐，面向科研項(xiàng)目，圍繞這樣的對(duì)象展開(kāi).這些對(duì)象就是各個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目和科研課題、生產(chǎn)任務(wù)及其解決方案和過(guò)程、途徑，它們是將各種各樣創(chuàng)新性乃至于創(chuàng)造性的運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐的方法與特定的知識(shí)封裝在一起的.我們將單片機(jī)原理與接口、單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、傳感器原理與應(yīng)用、計(jì)算智能、控制理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)等理論知識(shí)和工程技術(shù)方法，封裝在智能小車(chē)設(shè)計(jì)制作課題這個(gè)具體對(duì)象中，讓學(xué)生們邊學(xué)邊干、邊干邊學(xué)，將項(xiàng)目作為學(xué)習(xí)對(duì)象，反過(guò)來(lái)又將所學(xué)用于對(duì)對(duì)象的研發(fā).

4 實(shí)現(xiàn)途徑

本文的實(shí)現(xiàn)途徑，可以在學(xué)校自身培育產(chǎn)業(yè)要素、形成企業(yè)元素，通過(guò)內(nèi)涵式增長(zhǎng)，形成教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化、教學(xué)成果產(chǎn)品化、教學(xué)目標(biāo)工程化、教學(xué)過(guò)程管理公司化、教學(xué)人員技能工程化、教學(xué)模式體系化、教學(xué)質(zhì)量和效果評(píng)估過(guò)程化的教育教學(xué)機(jī)制和體系，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合，校企結(jié)合的人才培養(yǎng)模式.本文主要討論在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范遵照等問(wèn)題，使學(xué)生們認(rèn)識(shí)到，非常有必要參與各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽以及老師的科研項(xiàng)目和課題，通過(guò)學(xué)校這個(gè)平臺(tái)和老師的指導(dǎo)學(xué)到真正有用的東西，從而熱愛(ài)學(xué)校、熱愛(ài)專(zhuān)業(yè)，尊重和敬愛(ài)老師的情感更加深入和強(qiáng)化.

4.1 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范遵守

智能小車(chē)也要受到多種標(biāo)準(zhǔn)和工程規(guī)范規(guī)約，包括系統(tǒng)電路、軟件標(biāo)準(zhǔn)，可靠性、安規(guī)、電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，以及所涉及到具體技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范.標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等四級(jí).本項(xiàng)目中，電路設(shè)計(jì)有原理圖規(guī)范，PCB規(guī)范、電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝規(guī)范等，軟件設(shè)計(jì)有嵌入式編碼規(guī)范、C/C++國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等.除了要求學(xué)生遵照這些標(biāo)準(zhǔn)外，我們還引導(dǎo)學(xué)生熟悉和掌握智能汽車(chē)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如中國(guó)智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)T/ITS0102-2019：自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能定義，中國(guó)軟件測(cè)評(píng)中心——車(chē)載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)參考架構(gòu)1.0(2019年)，華為等十六家企業(yè)和單位聯(lián)合頒布的智能駕駛功能軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范v1.0系列5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，等等；以及華為華為MDC智能駕駛計(jì)算平臺(tái)白皮書(shū)V1.1，華為核心網(wǎng)自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)白皮書(shū)等等.遵照標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)國(guó)際慣例，一是可以實(shí)現(xiàn)兼容性，二是維護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和話語(yǔ)權(quán)，三是獲得市場(chǎng)準(zhǔn)入證.而我們的還要求學(xué)生理解到，如果不遵照標(biāo)準(zhǔn)電路、程序進(jìn)行設(shè)計(jì)， 則器設(shè)計(jì)結(jié)果不可能通過(guò)工程軟件編譯和硬件設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)，就注定是失敗的設(shè)計(jì).

4.2 電路設(shè)計(jì)

智能小車(chē)電路設(shè)計(jì)內(nèi)容很多，包括主控器模塊、電源模塊、傳感器模塊、電機(jī)(含舵機(jī))驅(qū)動(dòng)和控制模塊、通信模塊(藍(lán)牙、WIFI或GPRS、5G等)、顯示和報(bào)警模塊等等.采用不同芯片和元器件設(shè)計(jì)的電路又各個(gè)不同,而且設(shè)計(jì)平臺(tái)和軟件也不同，比如EDA軟件，各類(lèi)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)Arduino等.在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們提醒學(xué)生，芯片，尤其是單片機(jī)、FPGA、DSP和CPLD、ASIC等，以及諸多ADC和DAC、集成傳感器芯片，都是我國(guó)的短板，而工業(yè)軟件尤其是EDA等以及編譯器、操作系統(tǒng)等都是我國(guó)遭受米國(guó)佬圍堵和打壓的行業(yè)領(lǐng)域.目前，全球EDA軟件供應(yīng)者主要是國(guó)際三巨頭Synopsys、Cadence和Mentor Graphic，它們的產(chǎn)品占全球市場(chǎng)的份額超過(guò)60%.我國(guó)EDA軟件占比小，目前只有立創(chuàng)EDA和華大九天EDA等.我們鼓勵(lì)和提倡學(xué)生使用國(guó)產(chǎn)軟件進(jìn)行自己的電路設(shè)計(jì)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提高其影響力和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，用實(shí)際行動(dòng)支持國(guó)產(chǎn)品牌；同時(shí)也使得學(xué)生在實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)中，能夠拓展專(zhuān)業(yè)視野和思路，在邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科方面拓展和提升自己的技能和水平,比如能自己動(dòng)手研發(fā)EDA程序等.[2]

4.3 軟件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)的各個(gè)模塊，都需要軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)操控.我們要求學(xué)生按軟件工程項(xiàng)目管理規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照V模型(或者W模型、H模型)規(guī)劃好系統(tǒng)，接口，以及各個(gè)模塊的功能，給出系統(tǒng)框圖、畫(huà)出流程圖，再進(jìn)行詳細(xì)編碼設(shè)計(jì)，然后通過(guò)各種必要的測(cè)試環(huán)節(jié)直到驗(yàn)收.在軟件及程序編碼方面，要求學(xué)生熟悉和理解《GB/T 28169-2011嵌入式軟件 C語(yǔ)言編碼規(guī)范》,[3]IEC-9899C語(yǔ)言規(guī)范和IEC14882C++規(guī)范，及華為中興等公司的編碼規(guī)范等.引導(dǎo)學(xué)生在嚴(yán)格遵守編碼規(guī)范的同時(shí)，也要在日常的學(xué)習(xí)和工作和生活中嚴(yán)格遵守社會(huì)行為規(guī)范.至于軟件研發(fā)平臺(tái)，編譯器方面，我們鼓勵(lì)51單片機(jī)組的同學(xué)使用南京偉福實(shí)業(yè)有限公司W(wǎng)ave6000進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，支持國(guó)產(chǎn)品牌.

智能小車(chē)軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)主要任務(wù)就是智能自主尋跡算法及其編碼實(shí)現(xiàn).本課題首先采用A*算法，該算法是一種在靜態(tài)路網(wǎng)中求解最短路最有效的路徑規(guī)劃方法.其流程如圖3所示.我們要求學(xué)生編碼實(shí)現(xiàn)該算法，并且利用Matlab仿真，對(duì)其它算法進(jìn)行編碼、仿真，進(jìn)而提出改進(jìn)算法，以提高搜索精度和避障靈敏度，以及小車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定度、系統(tǒng)程序健壯性和可靠性.由此拓展學(xué)生探索、創(chuàng)新的能力.

4.4 小車(chē)實(shí)作

小車(chē)實(shí)作，從電路板設(shè)計(jì)、加工，到元器件購(gòu)買(mǎi)、安裝、焊接，模塊組裝，電路和系統(tǒng)調(diào)試，軟件測(cè)試全過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)，細(xì)致到杜邦線的剪截、剝線，都要求學(xué)生嚴(yán)格按照工藝規(guī)范實(shí)施.通過(guò)實(shí)物制作直至最終成功的過(guò)程歷練，學(xué)生體驗(yàn)到一種剝繭而出的成就感，一方面心情非常愉悅，一方面又從不足中得到激勵(lì)，站到更高的臺(tái)階尋找新的方向，眺望更遠(yuǎn)更美的景色，感到受益匪淺，收獲頗豐.

圖3 自主智能尋跡控制程序流程圖

結(jié) 論

本文課題來(lái)自于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)作,取得了產(chǎn)教融合、新工科建設(shè)、課程思政等教育改革實(shí)踐方面的創(chuàng)新，做出了有益而積極的探索和實(shí)踐.一是在教育教學(xué)理念、模式方面進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐，貫徹落實(shí)了全維拓?fù)浣虒W(xué)理念和面向?qū)ο蠼逃Ｊ?二是在產(chǎn)教融合教育教學(xué)改革和新工科建設(shè)過(guò)程中，提高了學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)水平，既提高學(xué)生工程技能，又提高了他們的綜合素質(zhì).三是使得師生深刻認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)學(xué)研以致用，不能夠流于口號(hào)，要落到實(shí)處、接地氣，一定要把學(xué)到的用起來(lái)，想到的設(shè)計(jì)出來(lái)、設(shè)計(jì)好的做出來(lái)，再把做出來(lái)的用起來(lái)，而不能夠把科研和教學(xué)僅僅當(dāng)作追逐個(gè)人名利的手段.四是拓展了課程思政內(nèi)容和空間，以生動(dòng)而且無(wú)需刻意為之的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生核心價(jià)值、愛(ài)國(guó)主義、愛(ài)集體教育等，是實(shí)現(xiàn)三全育人、協(xié)同育人的有效途徑和方式.