宋 曉，吳云潔

(北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

“C語言程序設(shè)計(jì)”是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要課程，在研究生階段是其開展科研的重要技能之一。然而，目前C語言課程的上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以書本上和習(xí)題集的例題或習(xí)題為主，缺乏一個(gè)比較接近工程項(xiàng)目實(shí)際的并包括界面/文件輸入輸出操作等在內(nèi)的綜合訓(xùn)練案例。

本文介紹我們?cè)谝延械能囕v仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提取部分代碼，開發(fā)了以車輛隊(duì)形變換模型為核心的本科生C語言實(shí)驗(yàn)案例［1-3］。我們以該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為范例，在實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)給學(xué)生講解和示范運(yùn)用C語言開發(fā)實(shí)際計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的基本過程，并且要求學(xué)生運(yùn)用數(shù)組、指針和文件輸入輸出等編程手段完成解決已有系統(tǒng)的一系列編程問題。

1 案例背景—車輛隊(duì)形變換模型

在實(shí)際工程中，每3輛車為一編隊(duì)，可能出現(xiàn)的隊(duì)形如圖1所示，包括橫隊(duì)、縱隊(duì)、前三角和后三角等。其中標(biāo)號(hào)1是長車，標(biāo)號(hào)2和3是從車。隊(duì)形變換模型主要考慮的是車隊(duì)在行進(jìn)過程中接收到要求變換隊(duì)形的命令時(shí)，駕駛員應(yīng)該如何執(zhí)行自己的動(dòng)作。實(shí)際情況中，一般以長車為基準(zhǔn)進(jìn)行隊(duì)形變換，即長車?yán)^續(xù)按先前的動(dòng)作行進(jìn)，而從車駕駛員執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作力求與長車保持指令下達(dá)的隊(duì)形。

圖1 車輛隊(duì)形

我們可以采用如下的算法：

(1)由于隊(duì)形變換是以長車為基準(zhǔn)的，因此長車駕駛員不需要針對(duì)隊(duì)形變換而改變動(dòng)作。我們首先估算出長車以當(dāng)前時(shí)刻的速度和加速度運(yùn)動(dòng)到下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)。

(2)根據(jù)上級(jí)下達(dá)的需要改變的隊(duì)形信息，計(jì)算出其余從車下一時(shí)刻要與長車保持指令下達(dá)的隊(duì)形需要達(dá)到的位置坐標(biāo)(x0，y0)。

(3)估算從車以當(dāng)前時(shí)刻的速度和加速度，將偏航角方向調(diào)整為朝著點(diǎn)(x0，y0)方向，從當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)(xt，yt)出發(fā)，下一時(shí)刻能到達(dá)的位置坐標(biāo)為

式中，vt是車輛速度絕對(duì)值，Δt是仿真步長，α為連接點(diǎn)(xt，yt)與(x0，y0)的線段與x軸之間的夾角。

2 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)

為了鞏固學(xué)生學(xué)到的數(shù)組、函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體和文件等知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，拓展學(xué)生的編程能力，要求學(xué)生在已有的車輛機(jī)動(dòng)模型中加入以下功能模塊。

(1)定義隊(duì)形枚舉類型和位置點(diǎn)結(jié)構(gòu)：

(2)定義隊(duì)形變換函數(shù)：

該函數(shù)中參數(shù)1是仿真步長，參數(shù)2是輸入的隊(duì)形命令，參數(shù)3是長車的當(dāng)前位置，參數(shù)4是輸出的從車1下一時(shí)刻的位置，參數(shù)5是輸出的從車2下一時(shí)刻的位置。函數(shù)體一般要求學(xué)生按以上算法進(jìn)行編寫。

3 實(shí)驗(yàn)解決方案

在本實(shí)例實(shí)施時(shí)，4個(gè)小班(110人)有約20名學(xué)生較好地完成了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)，下面以某一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案為例說明。

此例為車輛編隊(duì)由縱隊(duì)變橫隊(duì)，其結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示了預(yù)先規(guī)劃的隊(duì)形變換軌跡，如圖2所示。圖中曲線1是長車軌跡，曲線2和3分別是從車2和3的軌跡。

圖2 車輛由縱隊(duì)變橫隊(duì)

假設(shè)長車做勻速直線運(yùn)動(dòng)

下面我們以從車2為例詳細(xì)介紹從車的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)過程。

我們規(guī)劃從車在隊(duì)形變換時(shí)做圖3所示圓弧曲線運(yùn)動(dòng)(al≠0時(shí))，al是變隊(duì)形后車與車之間的間距，bl是隊(duì)形變換開始點(diǎn)A到結(jié)束點(diǎn)B之距離。

圖3 從車2運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

圖3中，從車在AC段做勻角加速度圓周運(yùn)動(dòng)。在此加速過程中總的轉(zhuǎn)過角度為

圖中，由相似三角形ΔAOD：ΔABE可得到

式中，R=(a2+b2)/4a。進(jìn)一步，由 θ0=ω0t+αt2/2可得出

代入θi=ω0i+αt2/2(i為循環(huán)變量)后，再進(jìn)行直角坐標(biāo)變換為

圖3中，從車在CB段做勻角加速度圓周減速運(yùn)動(dòng)，在此加速過程中角加速度α大小保持不變，方向反向，由θ0=ω0t+αt2/2得出

代入θi=ω0i+αi2/2(i為循環(huán)變量)后，再進(jìn)行直角坐標(biāo)變換為

從車的直線運(yùn)動(dòng)(a=0時(shí))分為勻加速直線運(yùn)動(dòng)階段和勻減速直線運(yùn)動(dòng)階段。

1)勻加速直線運(yùn)動(dòng)階段

由s=vt+at2/2得出

代入si=vi+ai2/2(i為循環(huán)變量)后，得到直角坐標(biāo)：

2)勻減速直線運(yùn)動(dòng)階段

加速度a大小保持不變，方向反向，由s=v0t+at2/2得出

代入si=v0i+ai2/2(i為循環(huán)變量)后，得到從車的直角坐標(biāo)變換公式：

總的來說，本程序的設(shè)計(jì)較為靈活，應(yīng)用范圍較為廣泛?？梢宰龅綄?duì)于任意輸入速度v和步長step進(jìn)行四種編隊(duì)之間任意的隊(duì)形變換，且變換靈活，所需距離較短，不受函數(shù)設(shè)計(jì)的限制。同時(shí)，可以在此程序的基礎(chǔ)上根據(jù)不同的作戰(zhàn)環(huán)境與要求，改變相關(guān)始末坐標(biāo)(x0，y0)和(x1，y1)，也能形成符合特殊要求的軌跡曲線。

4 結(jié)語

我們通過對(duì)多名學(xué)生在實(shí)際上機(jī)過程的觀察和記錄，體會(huì)到在實(shí)際上機(jī)過程中，應(yīng)根據(jù)學(xué)生掌握C語言編程技巧的程度實(shí)施如下差異化要求。

(1)對(duì)有一定基礎(chǔ)的學(xué)生，只把以上功能需求提出，結(jié)構(gòu)體、函數(shù)的定義以及函數(shù)體的實(shí)現(xiàn)都要求學(xué)生自己實(shí)現(xiàn)，在學(xué)生遇到編程困難時(shí)，教師可給予一定提示;

(2)對(duì)基礎(chǔ)比較差的學(xué)生，可以給出結(jié)構(gòu)體和函數(shù)的定義，要求其實(shí)現(xiàn)函數(shù)體。同時(shí)，每當(dāng)其遇到困難時(shí)采取討論的方式進(jìn)一步講解，直至學(xué)生理解并實(shí)現(xiàn)函數(shù)功能。

實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的車輛隊(duì)形變換案例可以有效地應(yīng)用于大一或大二本科生的C語言上機(jī)實(shí)驗(yàn)，是幫助學(xué)生理解課程中諸多C語言概念和掌握相應(yīng)編程技巧的行之有效的教學(xué)手段。

［1］汪沛，基于OpenCV庫的C語言編程學(xué)習(xí)方法，［J］南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(4)

［2］趙鋒，劉進(jìn)，肖順平，仿真在“雷達(dá)原理與系統(tǒng)”課程教學(xué)中的應(yīng)用，［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(1)

［3］侯春望，薄迎春，宋曙芹，“Visual C+ +語言”課程教學(xué)改革研究，［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(4)