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1、基于两轮直立平衡智能车实践教学平台的研究以学生综合素质培养为目标我国自正式加入华盛顿协议后，工程教育认证标准在工科专业全面开展，东北林业大学自动化专业结合自有情况，改革了控制类核心课程的综合实验环节，设计了基于CCD和PID控制的直立两轮平衡车的控制系统，更好地融合了理论课程与实验课程以及实践环节，培养了学生的创新意识。如下给出并论述了课程改革的具体设计要求，并对直立平衡两轮CCD智能车（简称模型智能车）实施的主要技术问题和非技术问题展开全面分析，以科学教育和人文教育两条路径相结合来探索学生综合素质的培养策略。1 设计要求实验室提供标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，学生分组作业，制作一台
2、能够自主识别路径的模型智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道，并且技术报告评分较高者为获胜者，以此类推。模型智能车的设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等，是多学科工程知识的综合，其创新实践教学平台的架构【4】，见第41页图1。该创新实践课程对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用【5】。2 模型智能车的主要技术问题2.1 工作原理分析1）目标任务。模型智能车以mini编码器和电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）、加速度、陀螺仪3种传感器为感应手段，通过CPU计算驱动模型智能车在
3、具有多种元素的道路环境中行驶，以速度取胜，以少发生错误为前提。2）道路识别。深入分析道路元素特征，设计有针对性的识别方案。3）机械。熟知模型智能车的自身特性，设计合理的机械结构，实现直立平衡。在此基础上，依据模型智能车的运动稳定性和加速特性，深度挖掘车辆速度潜力。4）电路。学生在学习了基本模拟/数字电路的基础上，在模型智能车电路设计中遇到的都是实际的、非理想电路的问题。如模拟放大电路如何从环境噪声背景中提取有效信号；控制电路如何抑制电机驱动电路的干扰；在数字图像处理中如何对环境光的变化自适应等。学生既要能够灵活应用相关基础知识原理，又要学会查阅英文原版芯片手册等大量资料，部分学生还要开始尝试阅
4、读学术文献。5）控制算法。必须熟知道路元素组合特征和机械特性，才能设计合理的控制方案。通过控制完成以下3个目标：一是控制模型智能车平衡，通过控制两个电机正反向运动保持模型智能车直立平衡状态；二是调节模型智能车的倾角，实现模型智能车速度控制；三是控制模型智能车的方向，通过控制两个电机之间的转动差速实现模型智能车的转向控制。6）软件工具的使用。完成一个跨学科的工程设计，需要学生掌握多种软件工具知识，普遍掌握基于模型的CAD方法。如电路建模仿真的PSPICE，MultiSIM；机械结构设计的ProE，AutoCAD；图形算法模拟计算的Matlab等。2.2 解决冲突因素1）综合性。一是涉及机械结构、
5、信号分析、控制理论、电路设计等多方面的理论和技术；二是稳定性、适应性等要求；三是涉及经费、制版、调试电路等具体问题；四是赛道的光学环境、摩擦力等工程问题；五是对于追求速度更快的队伍还要考虑车辆的配重、悬挂，考虑赛道切弯等。2）相互冲突的多个因素。一是行驶速度和稳定性、道路识别鲁棒性和复杂性等；二是经费与控制效果和元器件性能之间、控制的精确性与速度之间、光学条件和摩擦系数与控制的鲁棒性之间等均有冲突。例如，为了稳定需要模型智能车尽可能重一些，而为了速度需要模型智能车尽可能轻一些；电池的质量与容量之间也是有矛盾的，电池重意味着可提供的电能更多，需要充电的次数更少，但对于模型智能车的运行就形成了过大
6、的负担。2.3 建立抽象模型对于直立行走两轮车，要兼顾直立、行走、速度三者之间的关系，情况比较复杂。对被控对象建立模型并通过仿真调试是解决问题的有效方法。需要学生查阅相关文献、利用所学专业知识才能完成，创造性极强。2.4 特殊问题的处理1）利用道路宽度提高速度以达到弯道等环境的要求。2）舵机等机械性能以及传感器的温度系数需做大量实验寻找规律和最佳工作点。3）学生将面临传感器、控制器、模型智能车等器件的差异性，数模混合、机电一体电路调试的复杂性，而带来程序调试过程的独特性。因此会遇到独特的问题，需要用不寻常方法进行调试解决。2.5 课程外的其他因素对于本科教学，以控制为例，讲授的都是线性系统和理
7、想条件下的控制问题。而对于模型智能车的控制，则存在各种类型的非线性。如加载到电机上的控制量与实际获得的速度之间不是线性的，从而为控制方案带来非线性控制问题。模型智能车在高速运动过程中，所采集的信号有各种非标准情况，对于数据的处理过程也有其独特的方法。在考虑速度要求和处理器能力限制的情况下，信号的处理过程是被简化过的，尤其是在滤波过程中，采取简化算法进行编程非常重要。3 模型智能车的主要非技术问题1）团队协作。学生能够在团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。本教学活动由35名同学组成专业团队，在指导老师组织指导下完成，这样既锻炼了作为团队成员承担任务的能力，又培养了协助团队其他成员共同完成设
8、计任务的团队协作能力。2）沟通交流。能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野。3）项目管理。理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在该教学活动中得到应用。经过市场调研，对设计方案核算经济成本，按照高性价比的研究结果确定最终设计方案。4）终身学习。具备自主学习和终身学习的意识，学生通过竞赛享受到自主学习的快乐，具有不断学习和适应发展的能力。4 结束语笔者根据成果反向设计理念，依照毕业生核心能力要求，以现代实际、成熟的复杂工程问题的研发过程为载体，分析控制科学与工程学科的模拟复杂工程问题综合实训实践平台
9、;的关键问题，改进传统教学过程，增设系统化、可操作的实验内容，培养学生的综合素质，特别是在实验过程中观察、发现、分析问题的能力，以及利用所学理论知识和掌握的实验方法研究与解决问题的能力。第论文网DyLW.NET参考文献：【1】 姜宇,姜松.基于工程教育认证的教师教学创新能力研究.高校教育管理,2015,9(6):105-109.【2】 吴迪,贾鹤鸣,宋文龙.互联网+;时代实现教育公平的路径探索.当代教育科学,2016(23):34-37.【3】 方峥.中国工程教育认证国际化之路成为华盛顿协议预备成员之后.高等工程教育研究,2013(6):72-76.【4】 林健.工程教育认证与工程教育改革和发展.高等工程教育研究,2015(2):10-19.【5】 贾鹤鸣,戴天虹,吴迪.自动化专业课程的研究性教学模式初探以东北林业大学为例.科教文汇,2015(11):59-60.