物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程綜合實驗設(shè)計

摘"要：衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)作為現(xiàn)代科技領(lǐng)域中的代表性技術(shù)，不僅在軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，也被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如汽車導(dǎo)航、物流配送等。為了幫助學(xué)生更好地理解和掌握衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，將衛(wèi)星導(dǎo)航與嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)相結(jié)合，針對導(dǎo)航與定位技術(shù)課程，設(shè)計軟硬件相結(jié)合的衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式智能小車實驗教學(xué)平臺，通過“以樹莓派智能小車實現(xiàn)路徑規(guī)劃”項目案例設(shè)計綜合實驗教學(xué)內(nèi)容。該實驗教學(xué)充分體現(xiàn)了課程交叉學(xué)科的特點，實用性強，能夠增強學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生對課程深入學(xué)習(xí)的興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合實踐和創(chuàng)新應(yīng)用能力，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；導(dǎo)航與定位技術(shù)；實驗教學(xué)平臺；樹莓派；智能小車0"引言隨著移動通信技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷進(jìn)步，導(dǎo)航與定位技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括但不限于地理信息的數(shù)據(jù)采集，車輛監(jiān)控與調(diào)度管理，各類導(dǎo)航服務(wù)、航空和航海行業(yè)的導(dǎo)航支持，軍事應(yīng)用、機械控制系統(tǒng)、無人駕駛技術(shù)的研發(fā)，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以及各種面向大眾消費者的智能應(yīng)用等。導(dǎo)航與定位技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)工程以及其他相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程，面臨許多挑戰(zhàn)。目前，盡管許多高校開設(shè)了導(dǎo)航與定位技術(shù)實驗課程，但其焦點主要是衛(wèi)星信號的解析，主要面向電子信息工程專業(yè)的學(xué)生。這些課程涵蓋了諸如用戶坐標(biāo)計算、導(dǎo)航數(shù)據(jù)解讀、衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號特性分析、信號捕獲技術(shù)、載噪比計算方法、信號搜索策略和信號跟蹤技術(shù)等七個核心實驗內(nèi)容[1]。還有一部分院校采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，設(shè)計了一系列以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的虛擬實驗。這些實驗包括對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理的理解、對其星座結(jié)構(gòu)的探究、衛(wèi)星信號的解算過程、電文信息的解析方法和利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位計算等，旨在通過仿真環(huán)境為學(xué)生提供深入且直觀的學(xué)習(xí)體驗[2]。這些學(xué)校面向電子信息工程專業(yè)的實驗教學(xué)存在如下問題：1）教學(xué)內(nèi)容簡單，綜合性、創(chuàng)新性不足；2）教學(xué)手段單一，難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，針對性不強。針對導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航課程實驗教學(xué)中存在的問題，特別是對學(xué)生的系統(tǒng)分析解決問題能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的情況，文獻(xiàn)[3]設(shè)計建設(shè)了將衛(wèi)星導(dǎo)航與嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)相結(jié)合的實驗教學(xué)平臺。受此啟發(fā)，筆者認(rèn)為，面向物聯(lián)網(wǎng)工程以及其他相關(guān)專業(yè)的導(dǎo)航與定位技術(shù)實驗課程必須圍繞衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力，同時兼顧實驗成本。為此，基于貴州師范大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)導(dǎo)航與定位技術(shù)課程“激發(fā)創(chuàng)新意識，養(yǎng)成善于觀察、獨立思考思維，培養(yǎng)導(dǎo)航與定位技術(shù)綜合應(yīng)用能力”的目標(biāo)，采用樹莓派這一低成本的嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)軟硬件相結(jié)合的衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式智能小車實驗教學(xué)平臺，設(shè)計“以樹莓派智能小車實現(xiàn)路徑規(guī)劃”實驗教學(xué)內(nèi)容，旨在鼓勵學(xué)生充分利用信息和通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)平臺，激發(fā)他們的主觀能動性和創(chuàng)新精神。實踐證明，通過實驗可以有效地實現(xiàn)教學(xué)互動，提升學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和體驗式學(xué)習(xí)的能力，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和提升。1"總體設(shè)計思路與方案本實驗課程教學(xué)遵循開放、開源、可擴展的原則，總體設(shè)計如下。1.1"采用開放式硬件設(shè)計實驗硬件包括智能小車、樹莓派4B、PCB驅(qū)動板、GPSamp;北斗定位模塊、IMU慣導(dǎo)模塊和其他外圍設(shè)備，根據(jù)實驗內(nèi)容由學(xué)生自主選擇。其中，PCB驅(qū)動板包含TB6612FNG驅(qū)動芯片、控制該芯片的STM32F103RCT6單片機、電壓轉(zhuǎn)換模塊和擴展接口，外圍設(shè)備包括多種硬件功能模塊。1.2"采用開源性實驗平臺樹莓派的全部硬件、操作系統(tǒng)和軟件組件都是開源且免費的，這一特性極大地促進(jìn)了其廣泛應(yīng)用和創(chuàng)新。對于樹莓派，Python的硬件開發(fā)庫極為豐富和完善，甚至許多庫都能夠與Arduino平臺實現(xiàn)兼容[4]?；赑ython語言的天然跨平臺優(yōu)勢，可以輕松調(diào)用眾多的開源庫文件，在多種操作系統(tǒng)和硬件平臺上進(jìn)行開發(fā)和使用?？傊瑹o論是進(jìn)行硬件接口編程，還是構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用，樹莓派與Python的結(jié)合提供了無縫且高效的開發(fā)環(huán)境。1.3"擴展綜合性實驗內(nèi)容根據(jù)綜合性實驗?zāi)繕?biāo)要求，利用顯示屏、Web端、云端進(jìn)行人機交互，通過搭載激光雷達(dá)、攝像頭、圖像傳感器等，調(diào)用Dijkstra、A*等不同算法完成智能小車GPS/GNSS模塊集成與數(shù)據(jù)解析、路徑規(guī)劃、衛(wèi)星信號模擬與抗干擾、實時導(dǎo)航與自主駕駛、高精度定位、網(wǎng)絡(luò)增強定位與V2X通信等實驗，完成實驗性能評估與優(yōu)化[5]。同時，還可開展項目式實驗。2"實驗系統(tǒng)搭建2.1"硬件系統(tǒng)組成衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式智能小車實驗教學(xué)平臺的硬件系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括智能小車、樹莓派4B、GPSamp;北斗定位模塊、IMU慣導(dǎo)模塊、PCB驅(qū)動板等硬件設(shè)備。2.1.1"智能小車智能小車采用的是雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)，圖2是智能小車的底盤，可以看到，底盤主要由兩個減速驅(qū)動輪和兩個GA370電動機組成。電動機輸出軸通過齒輪結(jié)構(gòu)和聯(lián)軸器連接，使得兩個驅(qū)動輪并排在同一條軸線上，可以有效保證智能小車運動的穩(wěn)定性。GA370電動機空載轉(zhuǎn)速可達(dá)170r/min，減速比為35，額定轉(zhuǎn)速為130r/min，額定電流小于450mA，最大扭矩可達(dá)2.8kg·cm，可以讓小車更好地適應(yīng)室外的復(fù)雜環(huán)境。2.1.2"樹莓派樹莓派是一款基于ARM架構(gòu)的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡作為存儲介質(zhì)，主板小巧，配備1/2/4個USB接口和一個10/100/1000Mbps的以太網(wǎng)接口（A型型號除外），這些接口使得樹莓派能夠連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)線。更值得一提的是，樹莓派同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，所有這些組件都被巧妙地集成在一張尺寸僅略大于信用卡的主板上。盡管體積小巧，但它具備個人計算機的所有基本功能[6]。除此之外，樹莓派還具有諸多優(yōu)點，如便攜性高、操作相對簡單、價格低廉等，這些特性使其在教育領(lǐng)域以及DIY愛好者中廣受歡迎?？偟膩碚f，樹莓派是一個集多功能、便捷性和經(jīng)濟性于一體的創(chuàng)新科技產(chǎn)品，樹莓派4B是其2019年推出的版本。2.1.3"GPSamp;北斗定位模塊GPSamp;北斗定位模塊是基于ATGM336H-5N的高性能BDS/GNSS定位導(dǎo)航模塊，該系列模塊支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括我國的北斗二號和北斗三號全部衛(wèi)星、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、日本的QZSS。其天線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用Π型電路，阻抗匹配（50Ω），天線駐波比低于1.2，具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢。該模塊具體的接口說明如圖3所示。2.1.4"IMU模塊IMU（InertialMeasurementUnit），即慣性測量單元，是一個集成設(shè)備，主要由三個分別對應(yīng)三維空間各單軸的加速度計和三個同樣單軸的陀螺儀組成。加速度計是檢測物體在自身載體坐標(biāo)系統(tǒng)中三條獨立軸線上的加速度信號，陀螺儀則是測量載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)的角速度變化。通過收集和處理加速度計和陀螺儀獲取的各類信號，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嬎愫头治?。這樣，就能夠精確地確定智能小車在空間中的姿態(tài)和位置信息。簡而言之，IMU通過整合并解析加速度和角速度數(shù)據(jù)，提供了準(zhǔn)確的智能小車運動信息[7]?？梢哉f，IMU模塊彌補了GPSamp;北斗模塊的不足，兩者相輔相成，組合成慣導(dǎo)單元，能精確地感應(yīng)智能小車的姿態(tài)、角度、速度、高度和經(jīng)緯度，使智能小車獲得最準(zhǔn)確的定位信息。默認(rèn)的IMU軸方向如圖4所示，需要注意的是，在智能小車上進(jìn)行安裝時要水平安裝Y軸朝前。2.1.5"PCB驅(qū)動板PCB驅(qū)動板是基于TB6612FNG驅(qū)動芯片、STM-32F103RCT6單片機的定制擴展板，實物如圖5所示，學(xué)生可以通過排針和排母直接連接各種外圍器件。TB6612FNG芯片包含多個關(guān)鍵引腳，其功能為：AIN1和AIN2、BIN1和BIN2、PWMA和PWMB是用于輸入控制信號的端口；A01和A02、B01和B02是用于驅(qū)動兩路電動機的輸出端；STBY引腳則用于控制芯片的工作狀態(tài)，即正常工作或待機。在供電方面，VM引腳接受的電壓范圍是4.5～15V，用于電動機驅(qū)動電壓輸入；而VCC引腳接受的電壓范圍是2.7～5.5V，用于提供邏輯電平輸入。該芯片每個通道能夠提供最高1.2A的連續(xù)驅(qū)動電流，并且在峰值狀態(tài)下，電流可以達(dá)到2A（連續(xù)脈沖）或3.2A（單脈沖）。這使得它支持四種電動機控制模式——正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和停止，足以滿足智能小車的各種基礎(chǔ)運動需求。此外，TB6612FNG芯片還具備高頻率的PWM支持，最高可達(dá)100kHz，這使得對智能小車運動速度的控制更加精準(zhǔn)和細(xì)膩?？偟膩碚f，這款芯片為智能小車的運動控制提供了強大而靈活的解決方案。STM32F103RCT6單片機是一款32位的單片機，處理速度快，內(nèi)存也相對較大，具有72M主頻和64KBFlash存儲，開發(fā)環(huán)境容易搭建。而且它的實時性比一般操作系統(tǒng)的響應(yīng)要快很多，從將引腳置高到用萬用表測外部引腳實際輸出，只需要納秒級時間，可以做實時性非常高的控制[8]。2.2"實驗環(huán)境搭建MobaXterm是一個全面的遠(yuǎn)程計算工具集合，可以滿足各類專業(yè)用戶在遠(yuǎn)程計算和網(wǎng)絡(luò)管理方面的多元需求，只需要簡單地下載并執(zhí)行一個單獨的exe文件，用戶就可以在Windows桌面環(huán)境中輕松接入并操作所有關(guān)鍵的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)工具和技術(shù)，包括SSH、RDP、X11、VNC、SFTP、WSL、FTP、XDMCP、Serial、Telnet、Rlogin等。這種設(shè)計使得Moba-Xterm實現(xiàn)開箱即用，無須復(fù)雜的配置或安裝過程，用戶可以立即開始進(jìn)行高效的遠(yuǎn)程連接和管理任務(wù)。其主窗口如圖6所示。在課程實驗中利用MobaXterm遠(yuǎn)程訪問樹莓派，主要用到RDP和SFTP兩個工具。RDP（遠(yuǎn)程桌面協(xié)議）主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程訪問和控制Windows操作系統(tǒng)主機。要啟動一個遠(yuǎn)程會話，需要在相關(guān)的應(yīng)用程序中選擇“Session”選項。隨后，系統(tǒng)會呈現(xiàn)一個對話框，在這個對話框中，選擇“RDP”作為遠(yuǎn)程連接協(xié)議。接下來，需要在指定的字段中輸入遠(yuǎn)程主機的IP地址，這是唯一標(biāo)識目標(biāo)計算機在網(wǎng)絡(luò)中的位置的數(shù)字標(biāo)簽。除了IP地址和用戶名外，還需要填寫端口號。默認(rèn)情況下，RDP使用3389端口，但如果遠(yuǎn)程主機配置了非默認(rèn)端口，需要輸入相應(yīng)的端口號。一旦準(zhǔn)確無誤地提供了所有必需的信息，只需點擊“OK”按鈕，系統(tǒng)就會開始建立與遠(yuǎn)程主機的連接，并在成功驗證身份后，允許進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄和操作，如圖7所示。SFTP（SSH文件傳輸協(xié)議）的功能主要包括文件傳輸、文件管理、命令行交互等。它允許用戶在本地和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間安全地傳輸文件，同時提供一些方便的文件管理功能，如瀏覽、上傳、下載、刪除等，可以通過圖形化界面上傳和下載文件，如圖8所示。實驗程序編寫使用開源免費的VisualStudio（VS）Code編輯器。VSCode是微軟公司推出的跨平臺代碼編輯器，可以方便地完成C、Python程序語言編寫，具有智能化插件安裝、語法檢查、智能代碼補全、代碼比對等功能。除安裝C語言編譯器和Python解釋器之外，還需在VSCode中安裝C語言和Python語言支持插件C/C++ExtensionPack、Python、Pylance，以提供更好的代碼編輯和調(diào)試體驗，提高編程效率和質(zhì)量。程序編寫好之后，將相應(yīng)的文件通過MobaXterm中的SFTP上傳到樹莓派的對應(yīng)文件夾中，供后續(xù)過程執(zhí)行或調(diào)用[9]。3"實驗設(shè)計為了幫助學(xué)生熟悉GPS/GNSS工程環(huán)境，了解并掌握樹莓派的廣泛用途，學(xué)習(xí)編程語言，培養(yǎng)他們多方面的工程實踐能力，設(shè)計一系列從基礎(chǔ)到進(jìn)階的綜合實驗內(nèi)容，以增強學(xué)生對衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的實際應(yīng)用能力。具體的實驗教學(xué)內(nèi)容如下。3.1"GPS/GNSS模塊集成與數(shù)據(jù)解析實驗GPS/GNSS模塊集成與數(shù)據(jù)解析實驗是整個衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式智能小車項目的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，主要涉及以下幾個實驗。實驗一：硬件集成1）GNSS模塊選擇與連接。學(xué)生首先需要選擇合適的GNSS模塊（支持GPS、北斗等多模衛(wèi)星系統(tǒng)），如GPSamp;北斗定位模塊，并將其通過UART或其他通信接口（如I2C或SPI）與樹莓派進(jìn)行物理連接。2）電源配置。GNSS模塊通常需要獨立的電源供電，學(xué)生需要正確連接電源，并確保電壓穩(wěn)定在模塊的工作范圍內(nèi)。3）啟動與初始化。根據(jù)所選GNSS模塊的數(shù)據(jù)手冊設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式等相關(guān)參數(shù)，確保模塊能正常啟動并開始接收衛(wèi)星信號。實驗二：軟件配置與編程1）驅(qū)動程序安裝。如果模塊有專用的驅(qū)動程序或者庫文件，學(xué)生需要學(xué)習(xí)如何在樹莓派上安裝和配置這些驅(qū)動，以便操作系統(tǒng)能夠識別和讀取GNSS模塊輸出的數(shù)據(jù)。2）讀取NMEA數(shù)據(jù)流。NMEA-0183是一種被廣泛應(yīng)用于GPS設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)協(xié)議。學(xué)生將編寫Python或C語言代碼，通過串口通信讀取GNSS模塊輸出的NMEA數(shù)據(jù)流。3）NMEA數(shù)據(jù)解析。對接收的NMEA報文進(jìn)行解析，提取其中的關(guān)鍵信息，如GPGGA報文中的經(jīng)緯度、海拔高度和時間信息，以及GPVTG報文中的地面速度和航向信息。3.2"路徑規(guī)劃實驗實驗三：衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)與地圖API結(jié)合實現(xiàn)路徑規(guī)劃在這個實驗中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何將實時獲取的衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息與地圖服務(wù)API相結(jié)合，以實現(xiàn)從當(dāng)前位置到目標(biāo)點的最優(yōu)路徑規(guī)劃[10]。1）實時位置更新。學(xué)生首先需要確保小車能夠通過GPS/GNSS模塊實時獲取自身經(jīng)緯度坐標(biāo)，并將此坐標(biāo)信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器。2）地圖API接口調(diào)用。利用地圖API提供的路線規(guī)劃功能，根據(jù)當(dāng)前小車的位置和設(shè)定的目標(biāo)地點，請求最優(yōu)路徑。這通常涉及HTTP/HTTPS請求的構(gòu)造和響應(yīng)數(shù)據(jù)的解析，得到包括轉(zhuǎn)向指令、行駛距離、預(yù)計行駛時間等在內(nèi)的詳細(xì)路線信息[10]。3）路徑可視化及指令生成。將規(guī)劃出的路徑在地圖上進(jìn)行可視化展示，同時將路線分解為一系列基于地理位置的控制指令，如直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，并考慮交通規(guī)則、道路限制等因素。4）指令傳輸與執(zhí)行。將這些控制指令轉(zhuǎn)化為智能小車能夠理解和執(zhí)行的形式，通過串口或者其他通信方式發(fā)送至小車的控制系統(tǒng)，使其能夠按照規(guī)劃路徑自主駕駛。實驗四：自定義路徑規(guī)劃算法在實驗三的基礎(chǔ)上，為了提升路徑規(guī)劃的適應(yīng)性和靈活性，可以設(shè)計并實現(xiàn)一套適用于智能小車環(huán)境的自定義路徑規(guī)劃算法，比如Dijkstra算法、A*搜索算法或其他優(yōu)化算法。1）環(huán)境建模。根據(jù)實際應(yīng)用場景建立一個可表示小車運動環(huán)境的地圖模型，包括障礙物位置、道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等信息。2）算法實現(xiàn)。對于Dijkstra算法，學(xué)生需要實現(xiàn)從起點出發(fā)，對所有可達(dá)節(jié)點計算最短路徑的過程，并選擇到達(dá)終點時的最小代價路徑[11]。對于A*算法，除了考慮移動成本外，還需要引入啟發(fā)式函數(shù)評估每個節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點的接近程度，從而在保證找到最優(yōu)解的同時提高搜索效率[12]。3）路徑轉(zhuǎn)換為控制指令。算法得出最優(yōu)路徑后，同樣需要將其轉(zhuǎn)化為具體的控制指令，以便小車能依據(jù)指令進(jìn)行自主導(dǎo)航。3.3"衛(wèi)星信號模擬與抗干擾實驗實驗五：衛(wèi)星信號模擬與抗干擾策略評估在這個實驗中，學(xué)生將通過專門的軟件工具模擬各種復(fù)雜的衛(wèi)星信號環(huán)境，以研究和測試智能小車在不同不利條件下的定位性能，并探索和實施相應(yīng)的可靠性改進(jìn)措施。1）衛(wèi)星信號狀態(tài)模擬。學(xué)生首先會使用仿真軟件創(chuàng)建并模擬真實世界的多種衛(wèi)星信號挑戰(zhàn)情況，具體如下。①遮擋（LOS，LineofSight）：模擬建筑物、地形或者其他障礙物對衛(wèi)星信號的遮擋效果，分析小車在城市峽谷、隧道、地下車庫等場景中的定位表現(xiàn)。②多徑效應(yīng)：模仿信號經(jīng)過多個路徑到達(dá)接收器，產(chǎn)生相位差和衰減，造成定位誤差的情況，如在高樓林立或水面反射強烈的環(huán)境中[13]。③噪聲干擾：模擬來自電子設(shè)備、天氣狀況或其他無線電源的隨機噪聲，影響GPS/GNSS接收機的信噪比和數(shù)據(jù)解調(diào)質(zhì)量。2）定位性能評估。在不同的模擬環(huán)境下運行小車的定位系統(tǒng)，記錄并分析其定位精度、收斂速度、首次定位時間和連續(xù)定位穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，有助于理解現(xiàn)有系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的局限性和弱點。3）抗干擾策略制定與驗證。針對識別出的問題和不足，設(shè)計并實施一系列抗干擾和優(yōu)化方案，具體如下。①多星座融合：結(jié)合不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，提高定位冗余度和可靠性[14]。②信號增強技術(shù)：采用更先進(jìn)的接收機硬件或算法，增強抗多徑干擾和噪聲的能力，如RAIM（ReceiverAutonomousIntegrityMonitoring）和SBAS（Satellite-BasedAugmentationSystems）等輔助增強系統(tǒng)。③自適應(yīng)濾波算法：運用卡爾曼濾波或其他濾波算法實時估計并校正位置誤差，提升定位性能[14]。4）改進(jìn)措施的實測驗證。將上述改進(jìn)措施應(yīng)用到小車定位系統(tǒng)后，在相同的模擬條件下重新進(jìn)行測試，對比改進(jìn)前后的定位性能差異，驗證所提出策略的有效性。3.4"實時導(dǎo)航與自主駕駛實驗實驗六：實時導(dǎo)航與自主駕駛功能實現(xiàn)在這個實驗中，學(xué)生將把之前通過衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃算法得到的最優(yōu)行駛路徑應(yīng)用到智能小車的實際運行中，實現(xiàn)基于衛(wèi)星導(dǎo)航的自動駕駛基本功能。1）路徑跟蹤控制。學(xué)生需要編寫程序，將規(guī)劃好的行駛路徑轉(zhuǎn)化為小車能夠理解并執(zhí)行的一系列控制指令，如速度設(shè)定、轉(zhuǎn)向角度等。利用PID（比例—積分—微分）控制器或其他高級控制策略，確保小車能夠在跟隨預(yù)設(shè)路徑時保持良好的穩(wěn)定性，并能對路徑變化做出快速響應(yīng)[15]。2）運動控制模塊集成。將這些控制指令傳遞給小車的電機驅(qū)動系統(tǒng)，通過調(diào)整左右輪的速度或轉(zhuǎn)角差來實現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎和停止等動作。集成車輛動力學(xué)模型，考慮小車自身的動態(tài)特性，以優(yōu)化控制效果和保證行駛安全。3）實時反饋與修正。在實際行駛過程中不斷地獲取小車當(dāng)前的位置信息并與規(guī)劃路徑進(jìn)行對比，實施在線路徑校正，確保在受到環(huán)境影響（如風(fēng)阻、路面狀況等）的情況下仍能準(zhǔn)確地沿著預(yù)定軌跡行駛。實驗七：GPS導(dǎo)航結(jié)合多傳感器避障技術(shù)在實驗六的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強小車的安全性和環(huán)境適應(yīng)能力，通過融合GPS導(dǎo)航與其他傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)計并實現(xiàn)避障功能。1）多傳感器數(shù)據(jù)融合。安裝超聲波測距傳感器、紅外傳感器、激光雷達(dá)等設(shè)備，采集周圍環(huán)境的實時距離信息。對接收到的多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合，消除噪聲干擾，提高障礙物檢測準(zhǔn)確性[16]。2）障礙物檢測與規(guī)避策略。當(dāng)檢測到前方存在障礙物且可能影響既定行駛路線時，觸發(fā)避障算法，重新規(guī)劃一條繞過障礙物的新路徑。實現(xiàn)緊急制動、減速避讓、轉(zhuǎn)向避開等多種避障策略，并根據(jù)障礙物大小、位置和速度等因素選擇最合適的應(yīng)對措施。3）GPS導(dǎo)航與局部避障的聯(lián)動。保持全局GPS導(dǎo)航路徑的前提下，結(jié)合局部避障策略，實現(xiàn)在遵循整體導(dǎo)航目標(biāo)的同時，靈活應(yīng)對復(fù)雜道路環(huán)境中的未知障礙。3.5"高精度定位技術(shù)探索實驗實驗八：高精度定位技術(shù)與RTK應(yīng)用在這個實驗中，學(xué)生將深入研究和實踐RTK（Real-TimeKinematic）等高精度定位技術(shù)在智能小車上的應(yīng)用，提升小車的定位精度至厘米級別。1）RTK系統(tǒng)原理介紹。學(xué)生首先需要了解RTK系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，包括基準(zhǔn)站、移動站和數(shù)據(jù)鏈路之間的關(guān)系，以及雙頻或多頻GPS接收機如何通過載波相位差分技術(shù)實現(xiàn)高精度定位[17]。2）RTK硬件集成。購置并安裝支持RTK功能的GNSS模塊，配置相應(yīng)的天線、電臺或網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備（如4G/5G/NTRIP），建立與基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)連接。3）RTK軟件配置與調(diào)試。學(xué)習(xí)使用RTK相關(guān)軟件進(jìn)行基準(zhǔn)站設(shè)置、移動站初始化和參數(shù)調(diào)整，確保能夠接收連續(xù)且穩(wěn)定的差分改正數(shù)。4）厘米級定位實測。在開闊無遮擋的環(huán)境下，啟動RTK系統(tǒng)并記錄小車在行駛過程中的實時位置信息，對比分析RTK定位結(jié)果與常規(guī)GPS定位結(jié)果的差異，驗證RTK技術(shù)帶來的定位精度提升效果[17]。5）環(huán)境適應(yīng)性評估。在不同場景下測試RTK系統(tǒng)的性能，如城市高樓區(qū)、山區(qū)峽谷、林地等，分析多路徑效應(yīng)、信號遮擋等因素對RTK定位精度的影響，并探討改進(jìn)方案。6）誤差源分析與補償。分析RTK系統(tǒng)可能存在的各種誤差來源，包括衛(wèi)星鐘差、大氣延遲、多徑效應(yīng)、儀器偏差等，研究并實施相應(yīng)的誤差模型和校正方法，進(jìn)一步提高定位精度。3.6"網(wǎng)絡(luò)增強定位與V2X通信實驗實驗九：網(wǎng)絡(luò)增強定位與V2X通信技術(shù)集成在這個實驗中，學(xué)生將深入研究如何通過結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)（如4G/5G）或Wi-Fi輔助定位技術(shù)以及V2X（Vehicle-to-Everything）通信技術(shù)來增強智能小車的定位效果和環(huán)境感知能力。1）移動通信網(wǎng)絡(luò)輔助定位。學(xué)生首先需要了解并實踐使用4G/5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基站定位的基本原理，包括基于CELLID、AOA（AngleofArrival）、TDOA（TimeDifferenceofArrival）等方法實現(xiàn)位置估計[18]。在實驗過程中，學(xué)生將配置智能小車連接到4G/5G網(wǎng)絡(luò)，并利用運營商提供的API或開源庫獲取基站信息，計算出小車的粗略位置信息，然后將移動通信網(wǎng)絡(luò)輔助定位結(jié)果與衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)融合，以提高在信號遮擋或多徑干擾嚴(yán)重的城市環(huán)境中的定位精度。2）Wi-Fi輔助定位。學(xué)習(xí)Wi-Fi指紋定位技術(shù)，收集特定區(qū)域內(nèi)的Wi-FiAP（AccessPoint）信號強度數(shù)據(jù)，建立室內(nèi)或室外的Wi-Fi指紋數(shù)據(jù)庫[13]。在實驗環(huán)境中，讓智能小車實時檢測周圍Wi-FiAP的信號強度，并與預(yù)建的指紋數(shù)據(jù)庫比對，通過匹配算法確定小車的位置。同樣的，將Wi-Fi輔助定位結(jié)果與衛(wèi)星導(dǎo)航定位相結(jié)合，優(yōu)化整體定位性能。3）V2X（Vehicle-to-Everything）通信技術(shù)應(yīng)用。探索V2X通信技術(shù)在定位增強方面的潛力，如V2I（Vehicle-to-Infrastructure）、V2V（Ve-hicle-to-Vehicle）通信，使智能小車能夠與其他車輛、交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實時信息交互[19]；利用V2X通信技術(shù)接收來自路邊單元（RSU）、其他裝有V2X設(shè)備的車輛或其他定位服務(wù)節(jié)點的位置信息，作為定位參考源，進(jìn)一步提高定位精度和可靠性；設(shè)計和實施應(yīng)用場景，比如通過V2X通信獲取前方路口紅綠燈狀態(tài)、道路擁堵情況等動態(tài)信息，配合高精度定位技術(shù)優(yōu)化路徑規(guī)劃和行駛策略。3.7"性能評估與優(yōu)化實驗實驗十：性能評估與優(yōu)化在本實驗中，學(xué)生將對智能小車的定位性能、響應(yīng)速度和功耗等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測試與全面評估，并根據(jù)測試結(jié)果采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，以提升整個衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式系統(tǒng)的綜合性能。1）定位性能評估。使用實際道路測試或模擬環(huán)境測試方法，對比不同定位技術(shù)（如GPS單模、多模GNSS、RTK、網(wǎng)絡(luò)輔助定位等）下的定位精度、收斂速度以及在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。制定一套量化評估標(biāo)準(zhǔn)，包括均方根誤差（RMSE）、連續(xù)定位精度、首次定位時間等參數(shù)，記錄并分析實驗數(shù)據(jù)。2）響應(yīng)速度評估。測試系統(tǒng)從接收到外部指令到執(zhí)行相應(yīng)動作（如轉(zhuǎn)向、加速、減速、停止等）所需的時間，評估控制系統(tǒng)的實時性和響應(yīng)能力。分析在路徑規(guī)劃更新、避障策略調(diào)整、定位信息更新等情況下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。3）功耗評估。記錄并分析各種狀態(tài)下（待機、行駛、接收衛(wèi)星信號、處理數(shù)據(jù)、通信等）智能小車各個模塊的能耗情況，特別是GNSS模塊、處理器、傳感器、無線通信模塊等核心部件。設(shè)計并實施節(jié)能策略，比如休眠模式、低功耗運行模式、智能電源管理方案等，通過實測驗證其降低功耗的效果。4）系統(tǒng)優(yōu)化。根據(jù)上述性能評估結(jié)果，識別系統(tǒng)中存在的瓶頸和不足，提出針對性的優(yōu)化措施，如改進(jìn)定位算法、優(yōu)化硬件配置、升級軟件協(xié)議、增強抗干擾能力、合理分配計算資源等。實施優(yōu)化措施后重新進(jìn)行性能測試，對比優(yōu)化前后的性能差異，確保改進(jìn)措施的有效性。3.8"項目式學(xué)習(xí)實驗實驗十一：衛(wèi)星導(dǎo)航智能小車“尋寶”競賽在本課程的最后階段，為了檢驗和鞏固學(xué)生對導(dǎo)航與定位技術(shù)課程所學(xué)知識的理解與應(yīng)用能力，將組織一次以團(tuán)隊形式參與的綜合項目——遠(yuǎn)程遙控衛(wèi)星導(dǎo)航智能小車“尋寶”競賽。1）項目介紹與分組。學(xué)生將被分為若干個團(tuán)隊，每個團(tuán)隊負(fù)責(zé)設(shè)計并制作一輛具備衛(wèi)星導(dǎo)航功能的智能小車，并結(jié)合本課程所學(xué)的各項技能（如路徑規(guī)劃、實時導(dǎo)航、避障、高精度定位等）完成任務(wù)。競賽規(guī)則設(shè)定為小車需要根據(jù)預(yù)設(shè)的GPS坐標(biāo)信息尋找一系列隱藏的目標(biāo)地點，最先找到所有目標(biāo)并返回起點的隊伍獲勝。2）需求分析與方案設(shè)計。每個團(tuán)隊首先進(jìn)行需求分析，明確小車應(yīng)具備的功能特性，包括但不限于準(zhǔn)確的衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)、高效的道路選擇算法、靈敏的避障機制和遠(yuǎn)程遙控通信模塊。設(shè)計詳細(xì)的硬件配置方案，選用合適的GNSS模塊、微控制器、傳感器、無線通信設(shè)備等，并編寫相應(yīng)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)各項功能。3）原型制作與調(diào)試優(yōu)化。利用實驗教學(xué)平臺提供的軟硬件資源，團(tuán)隊成員分工協(xié)作，共同完成智能小車的組裝與集成，同時開發(fā)配套的控制軟件。在實驗室或戶外空曠場地進(jìn)行多次實地測試和調(diào)試，不斷優(yōu)化小車的性能參數(shù)，確保其在比賽中能夠穩(wěn)