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物联网工程专业课程综合实验设计

摘要：卫星导航定位技术作为现代科技领域中的代表性技术，不仅在军事领域被广泛应用，也被广泛应用于民用领域，如汽车导航、物流配送等。为了帮助学生更好地理解和掌握卫星导航定位技术，将卫星导航与嵌入式系统集成开发相结合，针对导航与定位技术课程，设计软硬件相结合的卫星导航嵌入式智能小车实验教学平台，通过“以树莓派智能小车实现路径规划”项目案例设计综合实验教学内容。该实验教学充分体现了课程交叉学科的特点，实用性强，能够增强学生对理论知识的理解和应用，激发学生对课程深入学习的兴趣，从而培养学生的工程综合实践和创新应用能力，达到预期的教学效果。

关键词：物联网工程；导航与定位技术；实验教学平台；树莓派；智能小车

0引言

随着移动通信技术和卫星定位技术的不断进步，导航与定位技术已经被广泛应用于各个领域，包括但不限于地理信息的数据采集，车辆监控与调度管理，各类导航服务、航空和航海行业的导航支持，军事应用、机械控制系统、无人驾驶技术的研发，智慧农业的发展，以及各种面向大众消费者的智能应用等。导航与定位技术作为物联网工程以及其他相关专业的重要专业课程，面临许多挑战。

目前，尽管许多高校开设了导航与定位技术实验课程，但其焦点主要是卫星信号的解析，主要面向电子信息工程专业的学生。这些课程涵盖了诸如用户坐标计算、导航数据解读、卫星导航定位信号特性分析、信号捕获技术、载噪比计算方法、信号搜索策略和信号跟踪技术等七个核心实验内容[1]。还有一部分院校采用虚拟仿真技术进行教学，设计了一系列以北斗卫星导航系统为核心的虚拟实验。这些实验包括对北斗卫星导航系统基本原理的理解、对其星座结构的探究、卫星信号的解算过程、电文信息的解析方法和利用北斗系统进行定位计算等，旨在通过仿真环境为学生提供深入且直观的学习体验[2]。这些学校面向电子信息工程专业的实验教学存在如下问题：

1）教学内容简单，综合性、创新性不足；

2）教学手段单一，难以调动学生学习兴趣，针对性不强。

针对导航工程专业卫星导航课程实验教学中存在的问题，特别是对学生的系统分析解决问题能力和创新能力培养不足的情况，文献[3]设计建设了将卫星导航与嵌入式系统集成开发相结合的实验教学平台。受此启发，笔者认为，面向物联网工程以及其他相关专业的导航与定位技术实验课程必须围绕卫星定位技术的应用，激发学生兴趣，培养学生自我学习的能力，同时兼顾实验成本。为此，基于贵州师范大学物联网工程专业导航与定位技术课程“激发创新意识，养成善于观察、独立思考思维，培养导航与定位技术综合应用能力”的目标，采用树莓派这一低成本的嵌入式系统，开发软硬件相结合的卫星导航嵌入式智能小车实验教学平台，设计“以树莓派智能小车实现路径规划”实验教学内容，旨在鼓励学生充分利用信息和通信技术与互联网平台，激发他们的主观能动性和创新精神。实践证明，通过实验可以有效地实现教学互动，提升学生协作学习、自主学习和体验式学习的能力，促进学生综合能力的培养和提升。

1总体设计思路与方案

本实验课程教学遵循开放、开源、可扩展的原则，总体设计如下。

1.1采用开放式硬件设计

实验硬件包括智能小车、树莓派4B、PCB驱动板、GPSamp;北斗定位模块、IMU惯导模块和其他外围设备，根据实验内容由学生自主选择。其中，PCB驱动板包含TB6612FNG驱动芯片、控制该芯片的STM32F103RCT6单片机、电压转换模块和扩展接口，外围设备包括多种硬件功能模块。

1.2采用开源性实验平台

树莓派的全部硬件、操作系统和软件组件都是开源且免费的，这一特性极大地促进了其广泛应用和创新。对于树莓派，Python的硬件开发库极为丰富和完善，甚至许多库都能够与Arduino平台实现兼容[4]。基于Python语言的天然跨平台优势，可以轻松调用众多的开源库文件，在多种操作系统和硬件平台上进行开发和使用。总之，无论是进行硬件接口编程，还是构建复杂的系统应用，树莓派与Python的结合提供了无缝且高效的开发环境。

1.3扩展综合性实验内容

根据综合性实验目标要求，利用显示屏、Web端、云端进行人机交互，通过搭载激光雷达、摄像头、图像传感器等，调用Dijkstra、A*等不同算法完成智能小车GPS/GNSS模块集成与数据解析、路径规划、卫星信号模拟与抗干扰、实时导航与自主驾驶、高精度定位、网络增强定位与V2X通信等实验，完成实验性能评估与优化[5]。同时，还可开展项目式实验。

2实验系统搭建

2.1硬件系统组成

卫星导航嵌入式智能小车实验教学平台的硬件系统组成如图1所示，主要包括智能小车、树莓派4B、GPSamp;北斗定位模块、IMU惯导模块、PCB驱动板等硬件设备。

2.1.1智能小车

智能小车采用的是双驱动结构，图2是智能小车的底盘，可以看到，底盘主要