ROS智能车创新性实验设计及教学应用.pdf

第卷 第期 年月：智 能 车 创 新 性 实 验 设 计 及 教 学 应 用王 雨 蒙，王欣，朱冰，郑 晋 军（吉 林 大 学汽 车 工 程 学 院；机 械 与 航 空 航 天 工 程 学 院，长 春）摘要：以 我 校 汽 车 工 程 学 院 智 能 汽 车 教 学 和 课 程 成 果 为 基 础，开 发 了 机 器 人 操 作系 统（）智 能 车；在 此 基 础 上 设 计 了智 能 车 实 验 课 程，包 括 自 动 导 航 实 验、自 动 巡 线 实 验、开 放 性 自 主 实 验个 实 验 项 目，并 依 托 学 校 首 门 智 能 汽 车 专 业 课 程汽 车 智 能 化 技 术 开 展 了 实 验 教 学。实 践 表 明，所 设 计 的智 能 车 实 验 课 程 取 得了 良 好 的 教 学 效 果，提 高 了 学 生 的 实 践 能 力 和 创 新 能 力。关 键 词：机 器 人 操 作 系 统；智 能 车；避 障；自 动 导 航；路 径 规 划中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（；，）：，（），：（）；收 稿 日 期：基 金 项 目：教 育 部 产 学 合 作 协 同 育 人 项 目（）；吉 林 大学 研 究 生 精 品 课 的 建 设 项 目（）；吉 林 大 学 研 究 生 教 育 教 学改 革 重 点 项 目（）；吉 林 大 学 本 科 教 学 改 革 研 究 项 目（）作 者 简 介：王 雨 蒙（），男，吉 林 桦 甸 人，硕 士，工 程 师，现 主 要从 事 汽 车 整 车 及 零 部 件 性 能、汽 车 智 能 化 技 术 研 究。：；：通 信 作 者：王欣（），女，天 津 人，硕 士，工 程 师，现 主 要 从 事材 料 力 学 与 工 程 力 学 研 究。：；：引言随 着 新 一 轮 科 技 革 命 和 产 业 变 革 的 不 断 深 化，智能 汽 车 已 成 为 汽 车 产 业 发 展 的 战 略 方 向，代 表 着 未 来汽 车 技 术 的 战 略 制 高 点。智 能 汽 车 装 配 有 先 进 的 车 载传 感 器、控 制 器、执 行 器，具 备 复 杂 环 境 感 知、规 划 决策、智 能 控 制 等 功 能，可 实 现 不 同 等 级 的 自 动 化 驾 驶，是 未 来 汽 车 新 技 术 集 成 的 载 体，代 表 着 未 来 汽 车 科 技的 战 略 制 高 点。为 了 推 动 智 能 汽 车 的 发 展，世 界 各 国 的 高 等 教 育机 构 均 大 力 进 行 智 能 汽 车 领 域 专 业 人 才 的 培 养，推 出了 多 种 创 新 性 实 验 课 程。然 而，我 国 在 智 能 汽 车 人才 培 养 方 面 仍 然 深 受 科 学 范 式 和 技 术 范 式 的 影 响，过于 注 重 理 论 教 学，缺 少 能 够 有 效 提 高 学 生 实 践 能 力 和创 新 能 力 的 实 验 课 程。智 能 汽 车 教 学 应 顺 应 时 代 的 发展，响 应 国 家 汽 车 智 能 化 的 发 展 战 略，不 断 推 陈 出 新，第期王 雨 蒙，等：智 能 车 创 新 性 实 验 设 计 及 教 学 应 用侧 重 培 养 学 生 的 实 践 能 力 和 创 新 能 力，为 国 家 输 送 智能 汽 车 新 工 科 人 才，推 动 新 时 代 下 新 工 科 教 育 的 新 理念、新 结 构、新 模 式、新 质 量 和 新 体 系 转 变。培 养 学 生 实 践 能 力 和 创 新 能 力 的 有 效 手 段 是 进 行创 新 性 实 验 教 学。然 而 在 智 能 汽 车 实 验 教 学 中 所采 用 实 车 教 学 平 台 价 格 昂 贵、危 险 性 高，虽 然 能 够 使 学生 更 加 直 观 地 了 解 智 能 汽 车，但 由 于 人 均 操 作 时 间 不足、系 统 复 杂 度 高，难 以 产 生 良 好 的 教 学 效 果。同 时，自年 以 来，疫 情 持 续 肆 虐，使 线 上 教 学 成 为 新 常态，增 加 了 开 展 各 类 实 验 课 程 的 难 度。为 此，本 文 充 分利 用 我 校 汽 车 工 程 学 院、汽 车 仿 真 与 控 制 国 家 重 点 实验 室 已 有 的 教 学、科 研 成 果，设 计 机 器 人 操 作 系 统（）智 能 车 创 新 性 实 验 课 程。智 能 车 可 以 理解 为 智 能 汽 车 的 微 缩、简 化 版 本，具 有 体 积 小、易 于 控制 和 学 习、安 装 操 作 简 单、便 于 携 带 等 特 点，在 使 用 过程 中 安 全 性 和 稳 定 性 高，能 够 避 免 学 生 在 实 践 中 发 生危 险，可 广 泛 应 用 于 汽 车 智 能 化 技 术 等 相 关 课 程 的 实践 教 学。目 前，国 内 高 校 针 对 本 科 生 的智 能 车 实 验 课程 仍 处 于 探 索 阶 段，智 能 车 创 新 性 实 验 可 为 建 设智 能 汽 车 实 验 教 学 课 程 和 体 系 提 供 帮 助 和 指 导。智 能 车智 能 车 如 图（）所 示，其 长 度，宽 度，高 度，质 量 约，最 大 行 驶 速 度 ，其 主 要 结 构 如 图（）所 示。（）实 物 激 光 雷 达；顶 板；树 莓 派 开 发 板；驱 动 电 机 及编 码 器；车 轮；电 池；单 片 机 集 成 电 路 板；底 板；转 向 舵 机；摄 像 头（）结 构图 智 能 车 智 能 车 工 作 原 理智 能 车 各 部 件 的 关 系 和 控 制 原 理 如 图所示，智 能 车 主 要 通 过 单 片 机 驱 动 车 轮 行 驶，在 行驶 过 程 中 通 过 雷 达、位 姿 传 感 器、摄 像 头 等 感 知 设 备 采集 的 数 据 对 环 境 和 车 辆 位 置 进 行 估 算，从 而 通 过 存 储的 程 序 对 车 辆 行 驶 路 线 进 行 调 整。图 智 能 车 各 部 件 的 关 系 和 控 制 原 理 智 能 车 功 能 及 算 法（）建 图 和 自 动 驾 驶 功 能。行 驶 中 用 节 点 和 位 置 节 点 分 别 监 听 摄 像 头、激 光 雷达、姿 态 传 感 器 发 布 的 话 题，通 过 启 动 节 点 和 位 置 节 点 之 间 互 相 监 听 话 题 进 行 回环 检 测，准 确 识 别 空 间 的 边 界 和 空 间 中 的 障 碍 物。通 过 自 适 应 蒙 特 卡 洛 定 位 算 法 对智 能 车 行 驶 时的 实 际 位 置 进 行 精 确 的 估 计 和 计 算。在 地 图 上 确定 目 标 点 之 后，首 先 通 过 全 局 路 径 规 划 算 法 规 划 出 一条 最 优 的 全 局 路 径，当智 能 车 在 行 驶 过 程 中 遇 到突 发 障 碍 时，再 通 过 局 部 路 径 规 划 算 法 实 现 避 障，从 而实 现 自 动 导 航。全 局 路 径 规 划 算 法 采 用算法，在 搜 索 过 程 中 通 过 建 立 预 估 函 数 判 断 优 先 搜 索节 点。局 部 路 径 规 划 算 法 采 用 动 态 窗 口 法（，），主 要 是 在 速 度 空 间 中采 样 多 组 速 度，并 模 拟智 能 车 在 这 些 速 度 下 一 定时 间 内 的 轨 迹，在 得 到 多 组 轨 迹 以 后，对 这 些 轨 迹 进 行评 价，选 取 最 优 轨 迹 所 对 应 的 速 度 来 驱 动智 能 车运 动。（）巡 线 行 驶 和 车 道 线 识 别 功 能。利 用第卷图 像 处 理 技 术 对 摄 像 头 传 输 的 图 像 进 行 处 理，首 先 将红 绿 蓝 色 彩 模 式（）图 像 转 化 为图 像，通 过 图像 处 理 程 序 中 对 色 调（）、饱 和 度（）、透 明 度（）的阈 值 进 行 设 定，再 对图 像 进 行 分 割 识 别，即 可 对不 同 颜 色 的 车 道 线 进 行 自 动 检 测 和 追 踪。对 图 像中 车 道 线 上 某 设 定 点 与 图 像 中 心 位 置 的 水 平 值 与 高 度值 进 行 差 值 计 算，图 像 高 度 差 值 控 制 车 辆 前 进，水 平 差控 值 制 车 辆 转 向，当 差 值 均 为时，智 能 车停 止。智 能 车 实 验 课 程 设 计智 能 车 课 程 组 在 通 过 几 轮 的 实 验 教 学 应 用和 改 进 后，形 成 了 一 套 较 为 完 整 的 实 验 教 学 体 系。课程 共 分 为次 课，共 计学 时，如 表所 示。第次 课以 老 师 讲 解 为 主，让 学 生 了 解 智 能 汽 车 的 发 展 历 史 及现 状，并 对 智 能 车 功 能 和 算 法 进 行 介 绍；第次 课 以 学生 操 作 为 主，让 学 生 对智 能 车 进 行 实 际 操 作 和 控制，熟 悉 控 制 指 令 并 控 制智 能 车 各 功 能 节 点 的 开启 与 运 行；第次 课 分 为 两 个 实 验 项 目，第个 是 自 动导 航 实 验，要 求 在 特 定 场 景 下 控 制智 能 车 进 行 环境 建 图 并 实 现 自 动 导 航，第个 是 自 动 巡 线 实 验，要 求使智 能 车 在 铺 设 好 的 路 面 上 进 行 寻 线 行 驶。表 智 能 车 创 新 性 实 验 学 时 分 布课 程 次 数 学 时 分 配教 学 内 容智 能 汽 车 发 展 史 及 现 状 介 绍智 能 车 功 能 和 算 法 介 绍对 第 一 次 课 程 内 容 进 行 答 疑对智 能 车 进 行 连 接 和 调 试自 动 导 航 实 验自 动 巡 线 实 验 在个 学 时 之 外 还 设 计 有 开 放 性 自 主 实 验，学 生通 过 对智 能 车 结 构 和 控 制 代 码 的 学 习，利 用 课 余时 间 对 智 能 车 进 行 自 主 实 验。自 动 导 航 实 验学 生 根 据 实 验 指 导 书 中 的 实 验 流 程，按 步 骤 操 作智 能 车 进 行 建 图 和 自 动 驾 驶 实 验，实 验 流 程 如 图所 示，主 要 为：智 能 车 通 电 后 通 过 电 脑 与 智能 车 的 无 线 网 络 进 行 连 接；在 上 位 机 上 启 动 乌 班 图（）系 统，通 过网 盘 加 载智 能 车 的 控 制程 序；在 上 位 机 输 入 指 令 启 动 智 能 车 底 盘 驱 动、激光 雷 达 等 功 能 节 点；启 动可 视 化 工 具模块，并 打 开插 件 控 制 智 能 车 移 动，检 查 智 能 车的 雷 达 和 驱 动 系 统 是 否 正 常 工 作；将 智 能 车 放 入 想要 建 图 的 场 地 中；启 动功 能 节 点，可通 过 电 脑、手 机、平 板 等 设 备 控 制智 能 车 在 场 地内 移 动，对 周 围 环 境 进 行 建 图；查 看 地 图 建 立 是 否完 整 和 准 确，并 对 建 立 的 地 图 进 行 存 储；在 地 图 的任 意 处 放 置智 能 车，并 在 地 图 中 标 记 好智能 车 起 始 位 置，然 后 选 定 自 动 导 航 的 终 点 位 置 以 及 姿态；在 预 计 的 行 进 路 线 上 设 置 新 的 障 碍；在中 查 看 规 划 的 全 局 路 径 和 局 部 路 径，观 察智 能 车能 否 对 设 置 的 障 碍 进 行 避 障，并 准 确 到 达 设 置 的 终 点位 置。图自 动 导 航 实 验 流 程 自 动 巡 线 实 验自 动 巡 线 实 验 的 流 程 如 图所 示，主 要 为：启动智 能 车 电 源，通 过 电 脑 与 智 能 车 无 线 网 进 行 连接；在 上 位 机 启 动系