張曉冬王海燕李繼光沈 巖

1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 河南鄭州 450002

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院教務(wù)處 河南鄭州 450002

汽車模塊化思想在“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽中的應(yīng)用

張曉冬1王海燕1李繼光2沈 巖1

1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 河南鄭州 450002

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院教務(wù)處 河南鄭州 450002

把汽車模塊化思想應(yīng)用在大學(xué)生智能車競(jìng)賽中，即把智能車開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化分類，使不同組別間共用相同的模塊，集中精力進(jìn)行不同模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)。在有限的時(shí)間內(nèi)，減少了重復(fù)環(huán)節(jié)，提高了智能車的開發(fā)效率，并取得了不錯(cuò)的效果。

模塊化；智能車；設(shè)計(jì)；效率

“汽車平臺(tái)”這一概念產(chǎn)生于上世紀(jì)80年代，它是由汽車制造廠商設(shè)計(jì)，幾個(gè)車型共用的產(chǎn)品平臺(tái)。汽車平臺(tái)與車輛的基本結(jié)構(gòu)相關(guān)，出自于同一平臺(tái)的不同車輛具有相同的結(jié)構(gòu)要素，例如車門立柱、翼子板、車頂輪廓等。同一平臺(tái)車型的軸距一般情況下是相同的，同時(shí)一些配件也通用。在模塊化生產(chǎn)方式下，汽車技術(shù)創(chuàng)新的重心在零部件方面，零部件要超前發(fā)展，并參與汽車廠商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。汽車廠商方面則以全球范圍作為空間，進(jìn)行汽車模塊的選擇和匹配設(shè)計(jì)，優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)方案，將汽車裝配生產(chǎn)線上的部分裝配工作轉(zhuǎn)移到裝配生產(chǎn)線以外的地方進(jìn)行。采用模塊化生產(chǎn)方式有利于提高汽車零部件的品種、質(zhì)量和自動(dòng)化水平，提高汽車的裝配質(zhì)量，并縮短汽車的生產(chǎn)周期。目前，許多知名汽車廠商如大眾、通用等走的就是這條路。[1]

1 “飛思卡爾”杯智能車簡(jiǎn)介

全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽由教育部高等學(xué)校自動(dòng)化類專業(yè)教指委主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦。競(jìng)賽過程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，協(xié)同工作，初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。該競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競(jìng)賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵(lì)探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能。

競(jìng)賽首先在各個(gè)分賽區(qū)進(jìn)行報(bào)名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊(duì)伍將參加全國(guó)總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊(duì)伍和隊(duì)員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、電磁組、創(chuàng)意組等多個(gè)賽題組別。該項(xiàng)賽事已經(jīng)發(fā)展成全國(guó)30個(gè)省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中科技人文競(jìng)賽之一(教高函〔2007〕30號(hào)文)[2]，目前已經(jīng)進(jìn)行到第九屆。

2 模塊化思想在智能車中的應(yīng)用

由于“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽要求參賽學(xué)生具備自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科知識(shí)[3]，同時(shí)更重要的是團(tuán)隊(duì)合作。從購(gòu)買元器件，搭建車模，選擇合適的傳感器，制作PCB，組建外圍電路，編程，優(yōu)化算法，上道測(cè)試，反復(fù)調(diào)試直到硬件與軟件互相匹配，小車達(dá)到最佳性能等，這些智能車競(jìng)賽準(zhǔn)備過程的工作量是非常大的。[4]而往往參加智能車競(jìng)賽的學(xué)生主要以高年級(jí)為主，但是高年級(jí)學(xué)生課程較為繁重，為了參加智能車競(jìng)賽只能利用課余時(shí)間。為了保證在不影響正常學(xué)習(xí)的情況下快速提高智能車的參賽水平，我們把汽車模塊化思想應(yīng)用到智能車競(jìng)賽中，盡量縮短重復(fù)工作的開發(fā)流程，使學(xué)生把精力集中于智能車研發(fā)中一些重點(diǎn)和關(guān)鍵問題的解決[5]，而不至于被重復(fù)性的環(huán)節(jié)分散精力，從而在智能車開發(fā)過程中起到事半功倍的效果。

由于智能車競(jìng)賽指定了車模、單片機(jī)和相關(guān)的傳感器，因此所謂汽車模塊化思想在智能車競(jìng)賽中的應(yīng)用就是根據(jù)競(jìng)賽組委會(huì)規(guī)定的參賽組別，硬件要求，參賽規(guī)則等。[6]對(duì)不同組別的智能車分別進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，然后通過交叉比較，發(fā)現(xiàn)其模塊差異，并共用相同的模塊，從而把設(shè)計(jì)者的精力投入到不同模塊的開發(fā)中，以達(dá)到縮短開發(fā)周期，減少材料損耗，提高開發(fā)效率，提升競(jìng)賽成績(jī)的目的。以第九屆全國(guó)“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽為例，組委會(huì)規(guī)定參加競(jìng)速組比賽分為3個(gè)組別，分別是光電組、電磁組以及攝像頭組。光電組采用線陣CCD傳感器，四輪競(jìng)速的方式；電磁組采用電感傳感器，四輪競(jìng)速的方式；攝像頭組采用面陣CCD，兩輪直立競(jìng)速的方式。

我們把這3個(gè)組別的開發(fā)流程分別進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)：光電組由電源模塊、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)模塊、線陣CCD模塊、舵機(jī)模塊和直流電機(jī)模塊組成(如圖1所示)；電磁組由電源模塊、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)模塊、電感傳感器模塊、舵機(jī)模塊和直流電機(jī)模塊組成(如圖2所示)；攝像頭組由電源模塊、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)模塊、面陣線陣CCD模塊、陀螺儀傳感器模塊、加速度計(jì)傳感器模塊和直流電機(jī)模塊組成(如圖3所示)。在這3個(gè)組別的開發(fā)模塊設(shè)計(jì)中，電源模塊負(fù)責(zé)給智能車提供總的電源輸出，驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)壓模塊負(fù)責(zé)給單片機(jī)模塊和各類傳感器供電，同時(shí)單片機(jī)模塊負(fù)責(zé)接受各類傳感器的采集信息并控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。當(dāng)這些模塊協(xié)調(diào)一致，程序中“PID”參數(shù)經(jīng)過整定，智能車也就可以完整的運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

圖1 光電組智能車開發(fā)模塊圖

圖2 電磁組智能車開發(fā)模塊圖

圖3 攝像頭組智能車開發(fā)模塊圖

從光電組、電磁組以及攝像頭組3個(gè)組別的開發(fā)模塊圖可以看出，由于組委會(huì)規(guī)定不同組別的智能車可以使用同一款單片機(jī)。[7]因此電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓模塊、單片機(jī)模塊可以3個(gè)組別共用，只需要設(shè)計(jì)出一種電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓模塊和單片機(jī)模塊的硬件電路即可，不需要開發(fā)人員分別對(duì)這4種模塊設(shè)計(jì)出3種硬件電路。3個(gè)組別的設(shè)計(jì)者可以同時(shí)使用這一硬件電路開發(fā)智能車，只不過在同一硬件電路的基礎(chǔ)上需要移植不同的程序，即軟件編程上需要對(duì)單片機(jī)控制直流電機(jī)模塊進(jìn)行參數(shù)的修正適應(yīng)不同組別的智能車即可。

同理而言，光電組和電磁組可以共用1個(gè)舵機(jī)模塊，包括硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)，不需要兩組分別開發(fā)2套舵機(jī)方案。通過模塊化設(shè)計(jì)思路，參加光電組的設(shè)計(jì)者只需要把精力投入到線陣CCD模塊開發(fā)中，即如何設(shè)計(jì)該模塊的硬件和軟件，單片機(jī)讀取該模塊的數(shù)據(jù)后，并設(shè)計(jì)“PID”編程算法控制舵機(jī)和直流電機(jī)。參加電磁組的設(shè)計(jì)者只需要把精力投入到電感傳感器模塊的開發(fā)中，即如何設(shè)計(jì)該模塊的硬件和軟件，單片機(jī)讀取該模塊的數(shù)據(jù)后，并通過“PID”算法控制舵機(jī)和直流電機(jī)。參加攝像頭組的設(shè)計(jì)者只需要把精力投入到陀螺儀傳感器模塊、加速度計(jì)傳感器模塊和面陣CCD模塊的開發(fā)中，即如何設(shè)計(jì)模塊的硬件和軟件，單片機(jī)讀取該模塊的數(shù)據(jù)后，并通過“PID”算法控制直流電機(jī)使小車直立行駛。不難看出，在智能車競(jìng)賽的準(zhǔn)備過程中，通過共享的模塊化設(shè)計(jì)，可以使智能車設(shè)計(jì)者在有限的時(shí)間內(nèi)把精力投入到解決小車的關(guān)鍵核心問題上，大大解放了設(shè)計(jì)者的外圍工作精力，不在兼顧智能車的所有設(shè)計(jì)，而是保證“重點(diǎn)”模塊的研發(fā)，從而提高了智能車的研發(fā)效率。

3 結(jié)束語

實(shí)踐證明，我們?cè)谥悄苘嚫?jìng)賽中應(yīng)用汽車模塊化思想，即把智能車開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化，并通過3個(gè)組別共用相同的模塊，把設(shè)計(jì)者的精力集中到不同模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)中，即智能車的核心問題上，在有限的時(shí)間內(nèi)，減少了重復(fù)環(huán)節(jié)，大大提高了智能車的研發(fā)效率，取得了一定的效果。在2014年8月結(jié)束的第九屆全國(guó)“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽中，我校參加了3個(gè)組別(光電組、電磁組和攝像頭組)的競(jìng)賽，在參賽隊(duì)員少，準(zhǔn)備時(shí)間短等不利的條件下，我們采用了汽車模塊化思想，合理分配了參賽者的精力，提高了智能車的研發(fā)效率，最后光電組和攝像頭組兩組智能車從華北賽區(qū)預(yù)賽中脫穎而出，進(jìn)入到了全國(guó)總決賽，這也是我校目前參加全國(guó)“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽以來最好的成績(jī)。

[1] 汽車生產(chǎn)平臺(tái)[EB/OL].http://baike.haosou.com/doc/6788307. html.

[2] 飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽官網(wǎng),全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽介紹[EB/OL].[2014-11-2].http://www.smartcar. au.tsinghua.edu.cn/column/jsjs.

[3] 張瑞成,陳至坤.學(xué)科競(jìng)賽內(nèi)容向大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)轉(zhuǎn)化的探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(7):130-132.

[4] 夏百戰(zhàn),呂炎炎.學(xué)科競(jìng)賽對(duì)獨(dú)立學(xué)院教學(xué)工作的重要意義[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2009(17):167-169.

[5] 趙書朵,周云旭,陳云生.淺析學(xué)科競(jìng)賽與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2011,14(6):4-6.

[6] 張曉冬,侯海興,郝俊紅.教學(xué)中實(shí)現(xiàn)科研與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合 培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力[J].信息系統(tǒng)工程,2011(6):151-152.

[7] 張曉冬,蘇玉玲,李繼光,曹偉風(fēng),云康.以智能車競(jìng)賽為依托提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力探索.職業(yè)教育研究,2014(1):125-127.

[8] 信息學(xué)院本科生競(jìng)賽項(xiàng)目簡(jiǎn)介.[EB/OL].[2012-3-2].http://wenku. baidu.com/view/7fbb5c8dd0d233d4b14e6931.html.

The Application of Modularization in Freescale Smart Car Competition

Zhang Xiaodong, Wang Haiyan, Li Jiguang, Shen Yan
Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, 450002, China

We apply modularization in "Freescale" smart car competition, namely modularizing the design of smart car, students of different groups can share the design of same modules , and concentrate on it of different modules. In this way students reduce their effort and improve their effciency within limited time， fnally achieve good results.

modularization； smart car； design； effciency

2014-11-04

張曉冬，在讀博士研究生，講師。