《工程实践与科技创新IV-D》课程大纲
一、课程简介
“工程实践与科技创新”系列实践课程属于一类新型的实验课程，独立于理论课程体系，并不直接从属或服务于单一的某门理论课程，却又与众多理论课程关系紧密，着重于训练学生的创新实践能力。本课程围绕智能车自动控制这一复杂工程应用问题，综合训练学生理论联系实际的动手能力及自主学习和团队协作的习惯，提高学生的创新实践能力。
课程以学习小组方式配套提供实验装置Cyber-Dorm，安排有6个实验，内容覆盖嵌入式控制系统的应用开发及调试方法、人机界面设计、传感器信号采集与处理、电机运动控制、反馈控制、控制算法设计等。
通过本课程的学习，让学生对典型复杂自动控制系统从局部到整体进行深入了解，分步骤系统地培养学生的分析、设计与调试能力；通过小组学习的管理方式，锻炼学生的团队协作与沟通能力。本课程综合训练学生理论联系实际的动手能力以及自主学习和团队协作的习惯，以提高学生的创新实践能力。
主要教学内容包括：
1) 课程简介，导论
2) 实验装置软硬件系统入门
3) GPIO接口实验
4) 嵌入式系统人机交互实验
5) 嵌入式控制系统综合调试方法
6) 传感器信号采集与处理
7) 小车运动控制
8) 传感器信号测试与分析
9) 线阵CCD导引方案
10) 面阵摄像头导引方案
11) 小车控制综合实验
二、课程目标
配合课程配套的Cyber-Dorm“口袋实验室”，在学习人机交互、串行通讯、传感器信号采集与处理、电机驱动与控制、控制算法设计基本原理的基础上，让学生对典型复杂自动控制系统从局部到整体进行深入了解，分步骤系统地培养学生的分析、设计与调试能力；通过小组学习的管理方式，锻炼学生的团队协作与沟通能力。
课程教学以课堂学习、课外实验操作、网上微信学习群讨论交流等多种方式结合。
通过本课程的学习，使学生具备下列能力：
1. 掌握智能车控制系统的基本工作原理，能够对复杂控制系统对象进行功能模块抽象，并综合运用专业基础理论知识对系统进行建模和分析。（支撑毕业要求1-3）
2. 熟悉复杂控制对象中常用的传感器、控制器与执行器工作原理及典型技术方案，针对智能车应用掌握多种传感器的信号调理、采集与处理方法，实现智能车方向与速度的反馈控制。（支撑毕业要求2-2）
3. 课程学习以小组方式进行，组内同学需要协作完成所有的软硬件调试、智能小车自动循线控制以及课程总结报告，以培养学生的团队协作与沟通能力。（支撑毕业要求9-1）
4. 课程配套提供“口袋实验室”，并采用实验测试、总结报告与小组评价的综合方式进行考核，培养学生自主学习的意识、文献查找以及写作的能力，通过小组的协调理解项目管理。（支撑毕业要求10-3，11-1）
三、教学内容
教学内容 |
学时 |
教学方式 |
作业及要求 |
基本要求 |
考查方式 |
课程简介，导论 |
3 |
课堂教学 |
课后下载和安装软件 |
了解无人驾驶技术的原理、应用和发展，了解典型自动控制系统的组成，了解内容进度、教学目的及后续安排 |
课后作业 |
实验装置软硬件系统入门 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
发放实验装置后，小组内协调使用计划 |
了解嵌入式控制系统的常用接口功能，了解其软件开发平台及工具链使用方法 |
课后作业 |
GPIO接口实验 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
|
掌握IDE下开发单片机程序的完整流程；掌握单片机IO及时钟系统的配置方法；了解程序流程设计思路 |
- |
嵌入式系统人机交互实验 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
Lab#1: 人机交互操作实验 |
掌握嵌入式系统中常用的人机交互方式及实现方法，GPIO和IIC总线两种接口方式下具体功能的实现 |
课后作业 技术报告 |
嵌入式控制系统综合调试方法 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
练习#1: 通过串口修改RTC时间 扩展： SD卡数据记录仪功能 |
综合了解多种调试方法的使用：SWD、有线串口、无线串口、SD卡数据记录、FreeMaster上位机等，提高系统调试开发效率 |
课后作业 技术报告 |
传感器信号采集与处理 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
Lab#2: 上位机调试方法 扩展： 识别任意姿态下的“跌落”状态 |
以三轴MEMS加速度传感器和光敏三极管对为例，了解传感器工作原理及其信号特性，通过ADC接口采集信号并进行处理 |
课后作业 技术报告 |
小车运动控制 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
练习#2： 电机速度PID控制 |
学习直流永磁电机的工作原理及机械特性，了解H桥电路工作原理，掌握生成PWM信号控制H桥工作的方法；了解舵机工作原理并实现准确控制 |
课后作业 技术报告 |
传感器信号测试与分析 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
Lab#3: 使用光敏三极管对的“追光”实验 扩展： 电磁导引探头设置方案探讨 |
了解传感器方案选型的基本因素；了解工况条件对传感器工作状态的影响；掌握信号测试与分析的基本方法（仪器测量分析、软件仿真分析） |
课后作业 技术报告 |
线阵CCD导引方案 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
练习#3: 具有光强自适应能力的黑线位置检测方法 扩展： 线阵CCD应用探讨 |
了解线阵CCD传感器工作原理；掌握其逻辑驱动、信号采集与流程控制的方法；了解常用信号处理方法（动态阈值、归一化） |
课后作业 技术报告 |
面阵摄像头导引方案 |
3 |
课堂教学 + 实验 |
Lab#4: 偏差检测与速度、方向的联动控制 扩展： 不同路线特征识别方法 |
了解摄像头传感器工作原理；掌握多种接口方式下信号特征、数据采集与处理的方法；了解常用信号处理方法（二值化、滤波） |
课后作业 技术报告 |
小车控制综合实验 |
3 |
课堂教学 + 综合实验 |
1）实验总结报告； 2）组长评分 |
课程知识总结，并发布小车控制综合实验题目，3周时间内完成 |
课后作业 技术报告 |
四、考核方式
1. 平时成绩（60分）：4次实验，每次计15分，按小组评分。
2. 技术报告（30分）：小车控制综合实验，按小组评分。
3. 小组评分（10分）：按个人评分，组内互评。
五、教材或参考资料
1. 教材
◆ 自编讲义：《智能车控制系统创新设计与实践》
◆ Cyber-Dorm 实验板全套电路原理图
2. 参考书目
◆ 恩智浦公司K66 Sub-Family Reference Manual 单片机用户参考手册
◆ 恩智浦公司MCUXpresso 软件相关资料及在线帮助文档