《无人驾驶车辆理论与设计》教学大纲

PAGEPAGE4《无人驾驶车辆理论与设计》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：04152101课程性质：专业选修课学分：3学分学时：48学时（理论40学时，实验8学时）先修课程：电工与电子技术、汽车电器与电控技术、智能网联汽车技术概论后续课程：无适用专业：车辆工程开课单位：车辆与交通工程学院一、课程说明《无人驾驶车辆理论与设计》是车辆工程专业的一门专业选修课。本课程主要讲授无人驾驶车辆的基本理论和一般设计思路，为学生的毕业设计（论文）及毕业后从事技术工作打下必要的基础，本课程注重基本理论知识的深入学习，同时还设置了一定的实验环节，提升学生利用理论知识解决生产设计实际中问题的能力，培养能适应智能汽车发展趋势的高素质复合型人才。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：了解体会无人驾驶车辆的发展历程、应用前景和社会意义，掌握无人驾驶车辆的体系构成、传感器融合技术、无线通信技术，能够运用专业知识分析无人驾驶汽车相关复杂工程问题并提出解决方案，培养学生分析和归纳能力。课程目标2：掌握环境感知技术、定位导航技术和路径规划技术的基本原理，体会汽车智能化化发展历程、重大产业和社会意义及其发展的内在动力，能够依据无人驾驶汽车标准规范，识别与表达车辆相关的复杂工程问题。课程目标3：能体会我国在无人驾驶汽车领域国家发展规划和前瞻性政策的引领下，相关产业近年来所取得的巨大成就，把握无人驾驶车辆的相关前沿理论、技术的发展动态，并不断更新、深化和进一步充实最初获得的知识，适应快速发展的社会。三、课程目标与毕业要求《无人驾驶车辆理论与设计》课程教学目标对车辆工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.3能够将车辆工程基础知识用于分析车辆工程相关复杂工程问题并提出解决方案。课程目标1：了解体会无人驾驶车辆的发展历程、应用前景和社会意义，掌握无人驾驶车辆的体系构成、传感器融合技术、无线通信技术，能够运用专业知识分析无人驾驶汽车相关复杂工程问题并提出解决方案，培养学生分析和归纳能力。H2.问题分析2.1能应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和标准规范，识别与表达车辆相关的复杂工程问题。课程目标2：掌握环境感知技术、定位导航技术和路径规划技术的基本原理，体会汽车智能化化发展历程、重大产业和社会意义及其发展的内在动力，能够依据无人驾驶汽车标准规范，识别与表达车辆相关的复杂工程问题。M12.终身学习12.2能适应职业发展要求，及时关注并跟踪、把握车辆工程及相关专业领域前沿理论、技术的发展动态，具备不断获取新的知识、技能，持续自我提升的能力。课程目标3：能体会我国在无人驾驶汽车领域国家发展规划和前瞻性政策的引领下，相关产业近年来所取得的巨大成就，把握无人驾驶车辆的相关前沿理论、技术的发展动态，并不断更新、深化和进一步充实最初获得的知识，适应快速发展的社会。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.绪论1.1发展历程1.2无人驾驶车辆的应用前景1.3无人驾驶车辆结构组成教学要求：了解体会无人驾驶车辆的发展历程、应用前景；了解无人驾驶车辆发展的重大产业和社会意义；掌握无人驾驶车辆的体系构成、关键技术组成和发展目标。重点：无人驾驶的重大产业和社会意义；自动驾驶车辆的分级标准。难点：无人驾驶系统组成。21、2、32.无人驾驶车辆常用感知传感器2.1激光雷达2.2毫米波雷达2.3车载摄像机教学要求：使学生掌握无人驾驶车辆常用的感知传感器，掌握毫米波雷达、激光雷达、车载摄像机等的工作原理和基本结构。重点：毫米波雷达、激光雷达、车载摄像机的工作原理和基本结构。难点：双目视觉的测距原理。62、33.无人驾驶车辆环境感知技术3.1结构化道路车道线检测3.2越野环境可通行区域检测3.3交通信号灯与交通标志检测3.4前方车辆检测教学要求：使学生掌握无人驾驶车辆环境感知关键技术；了解结构化道路车道线检测、交通信号灯与交通标志检测、前方车辆检测的模型和算法。重点：目标检测的要素；结构化道路车道线检测、交通信号灯与交通标志检测、前方车辆检测的模型和算法。难点：视觉与雷达的融合检测。621、34.无人驾驶车辆定位导航4.1全球卫星导航定位4.2GPS/DR组合定位4.3视觉定位技术教学要求：使学生掌握无人驾驶车辆的导航定位技术；了解全球导航卫星系统的组成和原理；了解航迹推算技术、视觉定位技术。重点：惯性导航与航位推算技术、高精度地图技术。难点：视觉定位技术。621、35.无人驾驶车辆路径规划5.1路径规划概述5.2环境地图表示方法5.3常用算法介绍5.4应用实例教学要求：使学生掌握无人驾驶车辆的路径规划技术；了解路径规划的功能和分类；了解环境地图表示方法、路径规划算法。重点：路径规划的功能和分类。难点：路径规划算法。61、2、36.无人驾驶车辆路径跟踪6.1阿克曼转向车辆运动学6.2阿克曼转向车辆路径跟踪算法6.3速差转向车辆运动分析6.4速差转向车辆的路径跟踪控制教学要求：使学生掌握无人驾驶车辆的路径跟踪技术；了解阿克曼转向车辆运动学模型、路径跟踪算法；了解速差转向车辆运动分析和路径跟踪控制的相关模型。重点：阿克曼转向车辆运动学、动力学模型。难点：速差转向车辆运动学、动力学模型。81、2、37.无人驾驶车辆设计与测试7.1功能需求分析与总体设计7.2分系统设计7.3仿真与实车测试教学要求：使学生掌握无人驾驶车辆的设计方法；了解无人驾驶车辆的仿真测试方法、实车测试方法。重点：无人驾驶车辆的功能需求分析、总体设计方法。难点：基于V-REP的无人驾驶车辆仿真测试办法。641、2、3合计4082.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.无人驾驶车辆环境感知技术虚拟仿真实验内容：通过matlab车辆检测器实现车道线检测、交通信号灯识别技术；体会软件智能识别的原理和识别效果。。实验要求：能够掌握某项识别技术的关键算法，理解智能识别的工作原理。21、32.无人驾驶车辆定位导航虚拟仿真实验内容：定位导航技术、航迹推算技术；视觉定位技术的算法实现。实验要求：了解定位导航技术、航迹推算技术；视觉定位技术的matlab算法实现方式和基本原理。21、33.无人驾驶车辆仿真测试实验内容：通过V-REP等仿真软件体会无人驾驶车辆的仿真场景及运动、路径跟踪控制仿真测试方法。实验要求：了解仿真开发软件，了解车辆运动仿真的基本原理。41、2、3合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、网络视频资源等教学手段完成课程理论教学任务和相关操作能力的培养。使学生通过案例和视频资源学习，比全面深刻地理解无人驾驶车辆的传感器、环境感知、导航定位、路径规划、路径跟踪基本原理和无人驾驶车辆设计与测试的基本方法，并体会到汽车智能化所带来的便利、安全和挑战。本课程将以丰富的教学资源巩固课堂知识，以加深学生对相关知识的理解。同时，使学生体会到我国在无人驾驶领域国家发展规划和前瞻性政策的引领下，相关产业近年来所取得的巨大成就，树立努力学习为国奋斗的远大理想。在实验教学环节中，确保每位同学都动手动脑、严格遵守实验纪律，按操作规程使用教学软件，保证电脑等实验硬件设备安全和软件正常功能；实验结束后，按规定对设备进行规范化存放；通过启发式教学使学生掌握无人驾驶技术仿真的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题的能力和自主学习能力，激发学生的创新思维。六、课程资源1.推荐教材：（1）陈慧岩,熊光明,龚建伟.无人驾驶车辆理论与设计[M].北京:北京理工大学出版社.2018.2.参考书：（1）杨世春.自动驾驶汽车决策与控制[M].北京:清华大学出版社.2020.（2）王建.自动驾驶技术概论[M].北京:清华大学出版社.2019.（3）刘少山.第一本无人驾驶技术书（第2版）[M].北京:电子工业出版社.2019.3.期刊：（1）魏子茹,卢延辉,王鹏宇等.基CRITI法的灰色关联理论在无人驾驶车辆测试评价中的应用[J].机械工程学报,2021,57(12):99-108.（2）宫文峰,王元哲,陈辉等.基于深度学习的无人驾驶汽车导航传感器异常诊断方法[J].机械工程学报,2021,57(24):268-278.（3）白国星,孟宇,刘立等.无人驾驶车辆路径跟踪控制研究现状[J].工程科学学报,2021,43(04):475-485.（4）赵治国,周良杰,朱强.无人驾驶车辆路径跟踪控制预瞄距离自适应优化[J].机械工程学报，2018,54(24):166-173.（5）HouzhongZ,XiangtianY,JiashengL,etal.GPSPathTrackingControlofMilitaryUnmannedVehicleBasedonPreviewVariableUniverseFuzzySlidingModeControl[J].Machines,2021,9(12):304-323.4.网络资源：（1）熊光明.北京理工大学.中国大学MOOC./course/0818BIT059-1207432808.（2）都来学汽车学习平台./ComputerHome.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂活动10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442实验20（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分。（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√1082作业10（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分。（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442期末考核60（1）以课程论文方式对学生进行考核，论文成绩100分，以论文成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核无人驾驶关键技术的现状、内容或发展趋势等内容。√√√203010合计：100分384616八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂活动、实验、作业、课程论文等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由课程论文成绩和过程性考核成绩组成。其中：课程论文成绩为100分（权重60%）；课堂活动、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性评价和课程论文分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100≥x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂活动25按时上课，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。按时上课，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。缺课两次以内，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。缺课两次以内，上课不认真，偶尔参与教学活动。缺课三次以上，上课不认真，基本不参与教学活动。实验50实验预习认真，能够熟练掌握方法与步骤，实验操作过程熟练、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果详实、结论清晰、讨论合理。实验前有预习，能够掌握方法与步骤，实验操作