CarSim软件在高职院校汽车专业教学中的应用

摘 要：随着汽车不断向智能化发展，高职院校的汽车专业教学也面临新的挑战。本文分析了智能网联汽车技术这类新课程在教学中存在的问题，结合高职院校的教学特点，提出在教学中引入仿真软件CarSim，以实现自动驾驶相关新技术的仿真模拟、动画播放和数据分析等，旨在为学生提供更优质的教学资源，培养创新型应用人才。以车道保持辅助功能的授课为例，介绍了CarSim软件在教学中的具体应用。

关键词：CarSim 仿真软件 高职 汽车专业 教学

1 引言

随着汽车行业的飞速发展，汽车的智能化已越来越凸显其重要性。智能化指的是汽车搭载智能传感器、控制器和执行器，融合通信、网络和人工智能技术，以V2X信息交换实现自动驾驶，让驾驶体验更加安全、舒适和高效。我国对驾驶自动化分为L0-L5级，目前市场上以组合驾驶辅助L2级为主，2022年燃油车在L2及以上的渗透率为32%，而新能源汽车渗透率则达到了46%，预计到2025年能达到70%以上，可见汽车向智能化发展的强劲趋势。随之而来的人才需求也变得更加迫切，但传统汽车工程人才已不能满足要求，亟需培养一批既精通软件又懂汽车技术的复合型人才[1]。高职院校传统的汽车专业教学以汽车基础理论为主，而对于新兴技术的教学还处于探索阶段，已有一些学者在课程设计上做出新的尝试[2-3]。基于这样的背景，本文以智能网联汽车技术这门课程为基础，提出在教学中引入仿真软件CarSim，实现自动驾驶相关新技术的仿真模拟、动画播放和數据分析等，旨在为学生提供更优质的教学资源，培养创新型应用人才。

2 课程教学面临的问题

智能网联汽车技术这门课程是高职院校汽车专业新开设的公共课，涉及传感器、计算机、大数据、云计算、人工智能、无线通信、导航定位、模式识别、机器视觉、智能控制等多种先进技术，是一门跨学科、跨领域的全新课程，其覆盖的知识面非常广泛，对教师教学和学生学习都带来了挑战，当前的课程主要存在以下几点问题。

2.1 课程难度大

智能网联汽车技术分为环境感知层、决策规划层和控制执行层三个层次[4]，每个层次包含的知识内容各不相同。环境感知层主要是各类智能传感器，包括超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达、视觉传感器和惯性导航单元，还有导航定位系统、高精地图、无线通信和C-V2X技术；决策规划层主要是各种识别技术，包括道路识别、车辆识别、行人识别、交通标志识别、交通信号灯识别、驾驶员疲劳识别等，还有路径规划、行为决策等技术；控制执行层主要是车辆的五大控制系统，包括驱动控制、制动控制、转向控制、底盘控制和档位控制，还有各类安全预警和人机交互系统等。每个层级涉及到的技术繁杂，需要教师对各个相关领域都有所了解，能够将知识融汇贯通。

同时，每个层级也有各自的侧重点，环境感知层更注重智能传感器硬件的学习，一方面要让学生认识、了解硬件相关知识，另一方面也要学习不同参数对硬件性能的影响。决策规划层相当于智能网联汽车的大脑，更注重软件方面的知识传授，例如各种识别、规划和决策算法。控制执行层则更接近传统汽车专业的知识，其主要的技术是线控技术，包括检测反馈技术、指令信号处理技术、转换放大技术等。根据这些层级不同的侧重点需要在教学中引入不同的手段和方法，帮助学生更好的学习本门课程。

2.2 技术更新快

不同于传统汽车专业，智能网联汽车技术的更新迭代速度更快，例如环境感知层的激光雷达，按照有无旋转部件分为机械激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达，它们的特点和性能以及在汽车上的应用都在不断更新发展中，学习不同类型激光雷达的原理，及时了解业界动态就成为学习这门课程的重要手段。决策规划层的内容也在不断更新中，例如各种识别技术需要教师紧跟技术前沿，主动学习各种前瞻技术，并将这些知识和应用深入浅出地教授给学生。最后控制执行层则是线控技术和人机交互技术的不断演进，不断需要对传统汽车底盘技术有深刻的理解，还需要结合新的技术点加以深入，这就对教师高效授课提出了更高的要求。

2.3 实践机会少

智能网联汽车相关的技术虽然繁多，但对学生而言能实际操作的内容却较少，这与高职学生喜欢动手实践的学情特点不相符，学生单纯学习理论知识容易产生枯燥厌烦的情绪，不利于课程的学习。如何能提升学生的学习兴趣，增加实践机会是本门课程设计需要思考的问题。尤其是学习自动驾驶算法相关偏软件的技术，需要引入工具帮助学生学习，因此仿真软件就是一个非常好的选择，其提供仿真模拟、动画播放和数据分析等功能，帮助学生更好的理解所学知识。

3 CarSim软件介绍

CarSim是一款专门针对车辆动力学的仿真软件，可以实现对驾驶员、不同路况和空气动力学输入的响应，通过设置整车各系统的参数、自定义算法对自动驾驶功能进行仿真。仿真结果通过三维动画播放，并生成数据分析图形帮助用户理解具体功能。其强大的后台数据，包括车型、工况和自动驾驶算法能让用户在短时间内就完成一次仿真练习并实时观察数据结果。CarSim也能与数学模型很好地结合，例如跟Matlab/Simulink进行联合仿真，建立自动驾驶算法模型，更深入地理解自动驾驶功能。

4 CarSim软件在汽车专业教学中的应用

针对智能网联汽车技术在教学上的问题，以车道保持辅助（LKA）功能的授课为例，介绍CarSim软件在教学中的应用。LKA是通过主动监测汽车行驶时的横向偏移，对转向系统和制动系统进行协调控制，使汽车稳定行驶在预定的车道上，以减轻驾驶员负担、减少交通事故的系统。将CarSim应用于教学中主要从以下三个方面展开。

4.1 分层设计具象化

学生在学习该系统时，仅学习理论知识无法建立起该系统具象化的工作过程，容易产生表面懂了的假象。引入了仿真软件后，从智能网联汽车技术的三个结构层次入手，每个层次都施以具体的展示，帮助学生理解，真正学习到功能内涵。

如图1所示，在环境感知层用CarSim通过车辆配置来设置不同传感器，例如使用毫米波雷达，那么毫米波雷达应如何分类，如何选择工作频段、设置测距范围等都可以在此过程中一一向学生讲解，让学生对环境感知层的传感器有直观的认识。接着配置道路的几何参数、附着系数、阻力系数、周围环境等来设置不同工况，例如直道和弯道的选择，启发学生思考在不同的道路下LKA功能应该如何运行。在决策规划层可以在Matlab/Simulink中构建数学模型，设计不同的车道偏离预警算法和车道保持控制算法，再放到Carsim中进行联合仿真，以验证算法的有效性，可以对学生讲解在智能网联汽车的设计流程中模型在环的概念，即在软件开发之前先用模型验证需求，在前期预防错误发生能有效减小后期软件开发中的投入。在控制执行层可以通过在CarSim中设置车辆的操作与运行环境、告警系统等，实现车辆的控制和预警，并启发学生思考应该何时进行干预，何时进行预警，让学生充分理解LKA功能的设计思路，而不是囫囵吞枣学习该功能原理。

4.2 软件仿真可视化

仿真结果的可视化体现在：（1）三维动画演示。通过切换不同视角，可全方位查看车辆在运行过程中各个角度的情况。学生对软件的学习兴趣较高，可在演示过程中鼓励学生自主发现“彩蛋”功能，激发他们的学习兴趣，对软件操作不畏惧。（2）各参量的线性关系表示。纵向和横向的位移、速度与时间的关系，都可以通过变化曲线图展示出来，便于分析仿真结果。ADAS功能的仿真能够在短时间内完成并展现通过数据展现，能够很快吸引学生注意力，一方面传授查看图表的方法，另一方面要鼓励他们自己通过数据发现问题，培养学生积极探索和发现的个人素养。

在环境感知层，如图2所示，车辆左右两侧的矩形方块标识毫米波雷达在侧面的测距范围，车辆前端延伸出来的线条是视觉传感器监测到的车道线。在讲解该内容时要启发学生自己寻找动画中的“异常”标识，学生通过寻找、发现，进一步思考标识的作用，对不同的感知传感器的作用和特点能理解更深入。

在决策规划层，根据车道偏离预警算法对车辆偏离正常行驶轨道进行预警，如图3所示。在演示动画后向学生提问，如何能改变预警时机，引出LKA功能中阈值设定的内容，同时介绍不同车型上该功能的表现，能够让学生进一步理解功能实现过程。

在控制执行层，对车辆的横向位移进行控制，通过将仿真结果可视化帮助用户分析车道保持控制的效果。如图4所示，车辆的横向实际运行轨迹和目标轨迹基本重合，说明车道保持功能的效果良好。

4.3 学习实践任务化

经过课上的讲解和演示，课后给学生布置拓展任务进一步巩固所学，例如设置不同的车型、车辆的各种参数、不同的工况路径、算法、修改传感器的监测距離等。一方面检测了课堂学习效果，另一方面通过增加学生的实操训练，增强学生的动手能力，避免一看就会一用就废的现象。任务可以让学生分组完成任务，展示仿真结果并通过具体参量的变化说明修改前后的差异，解释ADAS功能性能如何通过数据解读。

将学习实践以任务的形式展开，让学生带着目的来学习，而不是一味跟随老师学习，真正让学生成为学习的主体，更深入理解和掌握所学内容。小组内的同学共同完成任务，也有利于培养学生团结合作的意识，形成良好的职业素养。

5 结论

将仿真软件引入汽车专业的教学当中，一定程度上解决了智能网联汽车技术课程存在的问题，激发了学生的学习热情，将这种新手段融入课程教学，旨在提升汽车专业教学的多样性、先进性，避免了课程老旧、跟不上前沿技术等问题。在实际实施中还存在一些问题，例如学生的接受能力有限，需要多次反复引导学生进行观察、思考，也要不断插入巩固已学知识点，让学生对所学内容融会贯通。相信在不久的将来，汽车专业的学生对于这类仿真软件的使用会越来越娴熟，能涉足的行业也会越来越广阔。

参考文献：

[1]蒋北艳，梁晔，徐小红.智能网联汽车技术课程体系构建方法[J].时代汽车，2023（12）：71-73.

[2]李俊凯，肖挥厘，李国强.高级驾驶辅助系统课程教学探索[J].汽车实用技术，2022，47（7）：156-160.

[3]杨浩.CarSim/Simulink软件在教学中的应用[J].汽车实用技术，2019（17）：237-238，258.

[4]曾鑫，付昌星，李洲荣. 智能网联汽车技术[M].北京：航空工业出版社，2021.