“内部招标”模式下智能循迹小车设计

实验题目：“内部招标”模式下智能循迹小车设计

课程简要信息

课程名称：嵌入式系统课程设计

课程学时：32学时

项目学时：课内16学时+课外16学时

适用专业：电子信息工程专业

学生年级：大三，第五学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

教师将实际工程问题转化为案例包，围绕稳定性、可靠性、准确性等工程要求设计具体技术指标要求，同时发布招标需求；实验教学内容围绕嵌入式系统的设计与实现，引导学生进行需求分析和实验方案设计，掌握智能循迹小车的开发流程和关键技术，培养其在解决复杂工程问题中的实践能力、创新意识及项目管理思维；同时，划分“基础功能、拓展功能、自拟功能”等多层次任务，锻炼学生的思考能力和培养学生科研兴趣；最后，在项目评审环节以方案评审+实物评审的方式，学生将深入了解真实项目流程，锻炼项目开发和管理能力。本课程的核心任务是设计一辆智能循迹小车，能在指定路径上自动行驶，同时形成规范的投标文件和投标样机。具体基础功能包括：

(1) 循迹：小车能够沿着设定轨迹自动行驶，利用传感器检测路线，实现稳定循迹。

(2) 避障：小车具备障碍物检测能力，能根据传感器数据采取相应的避障策略，如减速、绕行。

(3) 速度测量：采用姿态传感器对小车的速度进行测量。

(4) 速度控制：小车能够根据需求调整行驶速度，并在不同路况下保持平稳运行。

(5) 自主泊车：小车能够识别特定区域并自动停车。

(6) 数据显示：实时显示小车的运行速度、角度等相关参数。

拓展任务：实现至少1个拓展功能或基础核心功能的复杂化设计。

(1) 功能优化：对基础功能进行优化，如PID算法优化循迹，提高小车循迹的精度与响应速度。

(2) 智能路径规划：小车可动态调整路线，不依赖固定轨迹，提高自主决策能力。

(3) 环境感知：增加更多传感器（如激光雷达、摄像头），实现更复杂的环境感知与交互。

(4) 无线控制：通过无线通信（如蓝牙/Wi-Fi）远程控制小车运行状态，设有运行状态指示灯和功能按键，方便用户操作和监视小车状态。

自拟任务（可选）：针对项目研发过程中遇到的问题，开展自由探索。

实验过程及要求（限300字）

本实验采用“内部招标”模式，模拟真实工程项目流程，如图1所示。学生将通过招投标流程，完成智能循迹小车的设计与制作，培养项目思维和工程实践能力：

图 1 实验流程图

(1) 发布“招标”需求，模拟真实工程项目流程，明确智能循迹小车的基本功能和技术要求，让学生体验从问题定义、方案设计、成本核算、方案评审、实物验收等工程开发全过程。

(2) 背景选取和需求分析：关注国家战略领域和产业核心技术，结合国家智能制造、自动驾驶等方向，自拟工程背景，明确智能循迹小车的功能需求。

(3) 资料查询与自学预习：查找相关资料，了解核心算法和原理、传感器的特性和选型原则，以及各种传感器之间通信协议的使用。

(4) 方案设计与项目管理：根据项目要求，设计智能循迹小车的硬件架构与软件流程，规划实验进程以及估算开发成本，对项目可行性进行评估。

(5) 器件选择与电路设计：根据所学知识和功能需求，选择合适的元器件，并设计相应的硬件电路，包括主控的核心电路以及外设传感器电路等。

(6) 软件开发与功能调试：编写循迹、避障、速度控制等核心功能的代码，实现小车的智能控制，并通过串口调试等功能测试系统稳定性。

(7) 现象观察与数据测试：观察小车在不同环境、不同路径下的循迹能力，测试避障响应速度、运动稳定性、无线控制等性能指标。

(8) 实验报告撰写：总结实验过程中遇到的问题及解决方法，对实验结果进行分析和评价，并提出优化解决方案。

(9) 跟进项目投标：在Canvas系统上进行投标。在此阶段，由AI作为“评标委员会”辅助进行方案设计的可行性、创新性、成本控制等初评综合评定。最后进行实物验收，包括代码验证、功能测试、实物演示、结题答辩。

相关知识及背景（限150字）

随着工业化和智能交通技术的发展，自动驾驶汽车在智能物流、无人配送、智能巡检等领域的应用日益广泛。作为未来交通的重要方向，自动驾驶技术能够替代人类驾驶员，实时感知复杂的交通环境，并自主完成路径规划、避障决策和车辆运动控制。相比传统人工驾驶，智能汽车不仅能显著提升运输和巡检效率，还能降低运营成本，减少人为失误带来的安全隐患。

实验环境条件

项目实施需要的环境条件如下：

(1) 实验教学平台

• 采用自主设计的嵌入式教学开发板作为核心实验平台，支持学生进行硬件与软件的开发与调试。

• 结合Canvas线上教学系统，实现课后交流与互动，支持作业提交、批改，以及项目进度的实时跟踪与管理，提高教学效率。

(2) 线上虚拟仿真平台

• 利用本校自主研发的远程虚拟仿真平台，为学生提供便捷的远程实验环境。

• 学生可通过网络进行虚拟仿真操作，验证实验方案的正确性与可行性，提升学习效率及实践能力。

(3) 企业合作与硬件自定义

• 在嘉立创平台创建课程群，支持学生自主设计PCB板，培养实践创新能力。

• 实验室配备完善的硬件开发工具与设备，包括嵌入式教学开发板、万用表、多功能电源、电路元件模块等，确保实验顺利开展。

• 提供必要的仪器与仪表，支持学生完成硬件设计与调试工作，确保项目的高质量实施。

教学目标与目的（限150字）

(1) 方案设计与优化：依据招标文件要求，制定智能循迹小车的技术方案，并对其可行性、经济性和性能进行评估与优化，以满足项目需求。

(2) EDA工具应用：熟练运用EDA软件进行电路设计与PCB布局，确保硬件设计符合技术标准，提高产品可靠性。

(3) 项目管理与成本核算：具备项目成本估算与核算能力，能够合理管理项目进度与资源，确保项目在预算范围内按时完成。

(4) 系统软件设计：熟练运用嵌入式开发工具进行系统软件设计，能够完成功能模块的编码、调试与测试，实现系统功能的完整实现。

(5) 系统调试与测试：能够利用软件模拟工具和硬件在线仿真工具进行系统调试与测试，发现并解决系统运行中的问题，确保系统的稳定性与可靠性。

(6) 成果展示与技术汇报：编写项目文档，制作竞标演示材料，清晰表达设计思路，提升技术交流与答辩能力。

教学设计与实施进程

本案例采用 “内部招标”模式，模拟实际工程项目的竞标流程，分为招标需求发布、背景调研、方案设计、成本核算、项目管理、项目评审等6个环节，学生通过小组协作完成智能循迹小车的设计、实现与优化。

1.教学设计如下：

(1) 课堂知识讲解、方法引导、背景介绍

• 以“大众排放门”事件为切入点，引导学生思考工程伦理与职业素养的重要性，为后续学习奠定正确的价值观。

• 系统讲解智能循迹小车的设计原理，深入解析各个功能模块的作用及其相互关系；结合嵌入式系统设计的理论知识，帮助学生构建完整的知识体系，为后续实践奠定基础。

• 引导学生掌握智能循迹小车的系统设计方法，包括如何根据性能指标选择合适的元器件、设计系统框图以及绘制软件流程图等；通过案例分析与实践指导，培养学生解决实际工程问题的能力。

• 重点讲授芯片选型与EDA软件的应用，帮助学生快速理解嵌入式系统的设计理念与开发流程；结合实际操作演示，提升学生对硬件设计与软件开发的综合运用能力。

• 鼓励学生结合国家战略需求与产业核心技术，自拟智能循迹小车的设计背景，探索解决复杂工程问题的创新方案；融入课程思政教育，引导学生树立科技报国的责任感与使命感，培养其成为具有家国情怀的工程技术人才。

(2) 实验资源、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计

• 提供实验室的硬件设备（如嵌入式开发板、测试仪器等）和软件工具（如EDA软件、开发环境等），为学生创造良好的实验条件；教师将全程提供实验指导与辅导，帮助学生解决设计与调试中的问题。

• 建立软件例程库和电路功能库，支持学生根据自拟背景自由选择功能模块，按需组合，培养其创新设计与实践能力；围绕智能循迹小车的设计与实现，组织学生进行系统方案设计、元器件选型、硬件设计与软件开发等方面的深入讨论；通过小组研讨与案例分析，激发学生的思考与创新，提升其解决复杂工程问题的能力。

• 重点考察学生在系统设计、软硬件调试与测试等环节的表现，评估其动手能力与问题解决能力；对作品的功能实现情况进行全面观察，确保设计目标的达成。

• 验收将依据招投标评审标准，重点考察学生对项目任务的完成情况，包括作品的功能性、稳定性与优化质量。同时，评估其技术方案的实施效果、成本控制与资源管理能力。课程设计报告的撰写质量与答辩表现也将纳入评分体系，确保通过多维度的综合评价，全面反映学生的学习成果与工程实践能力。

• 质询环节将围绕学生在设计过程中遇到的挑战、解决问题的方法与思考展开讨论，考察其分析与总结能力；同时，将深入探讨学生对设计原理与实现细节的理解，确保其掌握核心知识与技能。

2.教学实施进程

(1) 实验实施进程的各个环节：

• 任务安排：依据招投标流程，明确项目任务的目标与技术要求，引导学生理解项目的整体架构、实施路径与核心设计要点，确保团队能够精准把握方案方向。

• 预习自学：学生通过查阅相关资料、技术文献和行业标准，深入理解实验涉及的核心技术与实现原理，为方案设计和实施奠定理论基础，提高标书编写质量。

• 技术讲解：教师针对项目实施涉及的关键技术、工程标准及评审指标进行讲解，帮助学生掌握各模块的设计原理与优化方法，提升理论与实践结合的能力。

• 方案研讨：学生团队围绕技术方案、成本控制、优化策略等问题进行研讨，在竞标环节模拟实际工程决策过程，通过交流激发创新思维，提升团队协作能力。

• 项目实施：学生依据中标方案进行硬件搭建与软件开发，完成电路连接、程序调试及系统优化，掌握实验设备的应用方法，提高实践动手能力与工程问题解决能力。

• 项目验收：教师对学生的实验成果进行验收与评估，检查是否符合技术指标和实验设计要求，并提供反馈意见与改进建议，帮助学生优化设计方案，提高工程可行性和竞争力。

• 总结汇报：各团队通过竞标汇报形式向评审小组及全班展示项目成果、实施过程及经验总结，培养团队的项目陈述能力与技术表达能力，同时促进不同团队间的技术交流与经验共享。

• 报告评审：教师对学生提交的设计报告进行评审与打分，重点考察方案的完整性、可行性分析、成本控制及优化策略，确保学生对项目实施全过程的深入理解，并符合工程项目管理要求。

• 长期目标建立：鼓励学生自主调研相关企业，形成需求报告；撰写强相关实用新型专利；申报大学生创新创业训练项目；参加任意强相关学科竞赛。针对不同学生特点从四个维度实现教学闭环。

(2) 嵌入式系统课程设计实验教学安排如下：

教师和学生的角色分工如图2所示。通过精心设计的多环节教学过程，从课堂讲授、自主探究、小组讨论以及思维引导，使学生全面掌握嵌入式系统设计的理论知识和实践技能，培养其解决工程问题的能力和终身学习的意识。

图 2 教师和学生的角色分工

实验原理及方案

(1) 系统结构

以STM32F103C8T6为主控处理器，按照功能将总体电路分为感知模块、控制模块、显示反馈模块、执行模块及电源管理五大模块，模块框图如图3所示。

(2) 元器件选型及原理

• 红外传感器

本系统采用4路红外循迹/避障传感器，该传感器的探测距离可通过电位器旋钮进行调节，有效测量范围1mm-60cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器具有干扰小、便于装配、使用方便等特点。环境数据采集是实现精准控制和自主导航的关键环节，主要依赖4路红外传感器模块来获取轨迹、障碍物等信息。该传感器对环境光线适应能力强，确保在不同光照条件下都能稳定工作。每个红外传感器都具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），用于后续数据分析和控制决策，红外传感器的部分电路如图4所示。

图4 红外循迹/避障传感器电路图

• 电机驱动

本系统采用双H桥L298N电机驱动芯片，该芯片是一款可接受高电压（工作电压可达46V）、大电流（输出电流最高可至4A）双路全桥式电机驱动芯片，采用 Multiwatt 15脚封装，适用于智能循迹小车的电机控制。L298N电机驱动通过驱动两个直流电机，支持PWM（脉冲调制）调速，控制电机的转速和转向，实现精准运动。它接受标准TTL逻辑电平信号，并配备两个使能控制端，可通过板载跳帽动态调整电路的运行模式，即便在无输入信号的情况下，也可灵活控制电机的启停状态。L298N 具有独立的逻辑电源输入端，并内置78M05稳压芯片，使内部逻辑电路在低电压下稳定运行，同时可向外提供5V 逻辑电压。值得注意的是，为了防止稳压芯片损坏，当驱动电压超过12V时，应通过外部5V接口独立供电，以确保系统的安全性与稳定性。L298N电机驱动的电路如图5所示。

图5 L298N电机驱动电路图

L298N控制直流电机运转的逻辑如表1所示。

表1 L298N控制逻辑

• 姿态检测

姿态检测采用的是MPU6050姿态传感器，该传感器是一个6轴惯性测量单元（IMU），集成了3轴加速度计和3轴陀螺仪，可以测量X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，并通过数据融合和处理计算出小车的姿态角，实现精确的姿态感知和控制。MPU6050具备高精度、低功耗的特点，广泛应用于运动控制、姿态检测及导航系统。MPU6050姿态传感器的部分电路如图6所示。MPU6050姿态传感器获得小车姿态数据的步骤如下：

a) 采用I2C总线方式连接MPU6050与主控处理器STM32F103C8T6，实现数据通信；

b) 在STM32F103C8T6上初始化I2C总线，定适当的波特率，确保MPU6050的数据能够稳定读取；

c) 初始化MPU6050，包括解除休眠、设置加速度计和陀螺仪量程、滤波、配置采样率等操作，保证传感器正常工作；

d) 读取MPU6050寄存器中的加速度数据和角速度数据，对原始数据进行预处理（如去噪、归一化等），以提高测量精度；

e) 采用Kalman滤波，结合加速度计和陀螺仪的数据，优化姿态解算，用于小车姿态控制和轨迹修正。

图6 MPU6050电路图

• 运动控制

小车的循迹控制核心是PID控制算法，用于优化循迹效果，使小车能够平稳沿着轨迹行驶。PID 控制（比例-积分-微分）是一种闭环控制算法，根据红外传感器检测小车运行的状态计算误差，从而产生相应的PWM波，调整左右电机的速度差，从而实现小车转向，使其保持在期望轨迹上。PID控制的计算公式如下：

为当前误差，即小车偏离黑线的程度；、、为PID控制的比例环节、积分环节和微分环节系数。PID 控制的关键是参数整定，通过实验调试使小车在不同环境下都能稳定循迹，避免出现震荡、偏移过大或滞后的问题。

小车的运动控制信号是通过PWM（脉宽调制）技术产生的。主控处理器STM32F103C8T6内置定时器产生的PWM可控制小车的转速和方向，通过控制信号的占空比来调节电机的输出功率，从而实现电机的加速、减速和精确控制。此外，主控处理器通过读取传感器数据，结合 PID 控制算法 调整 PWM 信号，以实现小车的精准循迹与避障控制。

• 屏幕显示

本系统采用SSD1306 OLED显示屏进行信息可视化，提供实时数据反馈。OLED屏幕通过I2C总线驱动，仅需SDA、SCL、GND以及VCC四个引脚即可完成通信和供电，可用于实时显示小车的速度和角度等运行状态相关信息，电路如图7所示。

图7 OLED屏幕驱动电路 图 8 蜂鸣器驱动电路

• 蜂鸣器驱动

蜂鸣器使用GPIO控制，电路如图8所示。在程序设计中，小车通过定时器中断 监测运行状态，当小车到达指定的行驶轨迹时系统会将状态变量设置为Warning，并触发蜂鸣器鸣叫，以提醒用户。蜂鸣器鸣叫由GPIO端口控制高低电平翻转实现。其中通过调节蜂鸣器的上电频率，改变其鸣叫的音调（音量）高低，通过PWM模式控制蜂鸣器，可以更加精准地调整警报音效，使小车的状态提示更加直观和高效。

(3) 方案设计

本系统需要使用的外设较多，因此，每种通信使用的总线协议需要分配清楚。

a) 主控处理器与红外传感器通信方式采用GPIO，红外传感器选择4路循迹传感器模块，既可实现小车的循迹功能，又能实现避障功能。该传感器对环境光线适应能力强，有效距离范围1mm-60cm，且可通过电位器旋钮调节检测距离，探测角度为35°，使用宽电压LM339比较器，信号干净，驱动能力强。

b) 主控处理器与屏幕通信方式采用I2C，SPI、MPU等方式驱动的屏幕普遍价格高，很多为TFT触摸屏（如ILI9325）。屏幕只是用于展示数据，对交互需求不用太高，使用I2C连接的OLED屏幕，便宜且便于控制。

c) 主控处理器与姿态传感器通信方式采用I2C，姿态传感器采用MPU6050，采用I2C方式通信可减少GPIO资源的占用，且可使用Kalman滤波处理传感器获得的数据，并结合PID对小车进行平衡、姿态调整。

d) 主控处理器与电机驱动之间使用GPIO控制和PWM调速，电机驱动采用L298N，发热量低，抗干扰能力强，驱动能力强，既可驱动直流电机也能驱动步进电机，具有过热自断和反馈检测功能，可对电机进行直接控制，通过主控芯片的I/O输入对其控制电平进行设定，就可为电机进行正转反转驱动，操作简单、稳定性好，可以满足直流电机的大电流驱动条件。

e) 主控处理器与蜂鸣器之间采用的是GPIO方式通信，采用的是一个低电平无源蜂鸣器，需要采用2k-5k的方波驱动，声音频率可控。

(4) 实施方案

• 系统运作流程

系统运作整体流程图如图9所示，主要分为感知模块、控制模块、执行模块和交互显示模块。

• 芯片设计

本实验鼓励学生自主设计芯片，使用立创EDA进行原理图设计。主控处理器原理图，如图10所示。PCB顶层设计，如图11所示。PCB底层设计，如图12所示。

图 11 主控处理器PCB顶层设计图

图 12 主控处理器PCB底层设计图

• 作品展示

学生通过自主设计车体外形和核心控制芯片，成功打造出多款具有特色的智能循迹小车。各式作品充分展现了学生在硬件选型、软件开发、系统优化等方面的创新能力和实践成果，作品展示如图13所示。

图13 作品展示

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

(1) 功能需求分析与性能指标确定：结合实际工程背景详细分析课程设计题目的功能需求，明确系统的核心功能与性能指标，参考相关行业标准或已有技术，提供合理的设计依据。

(2) 初步方案设计：基于需求分析，设计出合理的系统架构，并初步规划各个功能模块。详细说明智能循迹小车的基本组成，包括传感器、电机驱动、电源管理、主控单元等，说明各部分单元电路和软件的设计思路，并绘制系统框图，确保设计方案的逻辑性与可行性。

(3) 成本估算：根据设计方案，进行详细的成本估算，包括PCB加工、元器件采购、焊接、耗材、运输等费用，对成本分配进行分析，提出优化成本的方案，确保项目在预算范围内实施。

(4) 原理图与PCB图设计：根据制定的项目方案、功能与性能指标，利用立创EDA进行电路原理图与PCB图设计。用文字与图示说明设计思路，确保设计过程的清晰与规范。

(5) 程序设计思路与流程图：根据需求分析与方案设计，详细描述程序设计思路，绘制总体流程图与各个模块的流程图。附上关键代码，说明代码实现的功能与逻辑。

(6) 系统硬件与软件调试：详细记录系统硬件与软件的调试过程，说明使用的调试工具与方法。附上相关图片，直观展示调试过程与结果。

(7) 系统测试与结果分析：设计测试用例，搭建测试环境，对系统进行全面测试。将测试结果与设计功能和性能指标进行对比，分析出现问题的原因，并提出改进建议。

(8) 项目成本核算：对设计完成的系统进行项目成本核算，列出系统开发过程中所有实际支出，包括硬件、软件、调试费用等，分析实际成本与预算的差异，并分析原因。提出可能的成本降低方案，如替换部分元器件、优化制造工艺等。评估成本控制效果。

(9) 实验报告撰写：按照实验报告模板，规范撰写实验报告，确保内容完整、逻辑清晰、格式规范。报告应包括封面、目录、正文、参考文献等部分，正文部分需层次分明、重点突出。

(10) 总结与反思：总结设计过程中的收获与不足，反思遇到的问题及解决方法。提出对未来设计工作的改进建议，体现对设计过程的深入思考。联系实际应用，思考如何将本实验的成果应用于更复杂的工程项目中。

考核要求与方法（限300字）

本课程最终通过多维度考核方式。总成绩由平时成绩（团队总结、操作规范、个人反思）和实验成绩（课程报告、作品演示、汇报答辩）组成，平时成绩占40%，实验成绩占60%。

1. 平时成绩（40%）

• 团队总结：团队合作性（10%）

• 操作规范：项目管理完善性（20%）

• 个人反思：课程总结和拓展研究（10%）

2. 实验成绩（60%）

• 课程报告：需求分析准确性、方案设计合理性、书面规范性（20%）

• 作品演示：软件代码可读性、硬件功能完整性（20%）

• 汇报答辩：个人表达沟通能力、PPT逻辑完整及美观性（20%）

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1) **基于“内部招标”式教学模式：**将实际工程问题转化为教学案例包，通过模拟真实工程招投标流程，将学生定义为项目经理加工程师的复合角色，强化学生的工程素质意识，将知识掌握、能力培养和职业素养贯穿整个项目周期。

2）**以半自主+AI辅助式案例设计思想进行课程内容重构：**鼓励学生自主设定工程背景，结合AI辅助进行探究式学习，以学生自主解决工程问题为导向激发学习兴趣，培养其问题分析与解决能力，同时设计多维度综合评价体系支撑课程目标。