第二章智能车机械结构调整与优化学习资料
第十二届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛
技术报告
学校：华南理工大学
队伍名称：华工冰魄队
参赛队员：郑立楷黄理广
杨少基黄迪臻
带队教师：陈安
邓晓燕
目录
关于技术报告和研究论文使用授权的说明................................................... 错误!未定义书签。第一章系统设计方案说明. (4)
1.1 系统设计要求 (5)
1.2 系统总体方案设计 (5)
第二章智能车机械结构调整与优化 (6)
2.1 智能车整体 (6)
2.2 前轮定位 (6)
2.3舵机安装 (7)
2.4 传感器安装 (7)
2.5 编码器的安装 (7)
第三章电路设计说明 (8)
3.1 主板硬件设计方案 (8)
3.1.1 电源管理模块 (8)
3.1.2 电机驱动模块 (9)
3.1.3 数模转换模块 (10)
3.1.4 单片机及其他电路部分设计 (10)
3.2 智能车传感器模块设计 (11)
3.2.1 电感传感器的原理 (12)
3.2.2 磁传感器信号处理电路 (12)
第四章智能车软件控制模块 (15)
4.1 控制系统整体 (15)
4.1.1系统整体结构图 (15)
4.1.2整体底层模块说明 (15)
4.2.赛道偏移量计算与处理 (16)
4.2.1电感值采集与处理 (16)
4.2.2赛道识别 (16)
4.3 电机与舵机控制 (16)
4.3.1模糊控制算法简介 (16)
4.3.2 基于模糊控制的速度与舵机控制 (16)
4.3.3基于位置式pid的速度控制 (17)
4.4 双车控制 (17)
4.4.1 双车距离获取 (17)
4.4.2双车距离控制 (18)
4.4.3环形超车 (18)
4.4.4十字超车 (18)
第五章总结 (19)
参考文献 (20)
第一章系统设计方案说明
本章主要简要地介绍智能车系统总体设计要求及方案，在后面的章节中将整个系统分为控制电路模块和控制算法两部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。
1.1 系统设计要求
根据竞赛规则相关规定，智能车系统采用大赛组委会统一提供的 B型车模，以飞思卡尔半导体公司生产的 32 位微控制器 K60 作为核心控制器，在 keil开发环境中进行软件开发。要求赛车能够识别赛道中心的电磁线信号，并根据该信号完成循迹。整个智能车控制系统要求尽可能稳定，快速，并具有较好的适应性。
1.2 系统总体方案设计
根据系统的设计要求，大体可将系统分为以下几个模块：K60 最小系统模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、舵机控制模块、辅助调试模块。各模块的作用如下：
1、K60 最小系统模块，作为整个智能车系统的控制中枢，将采集电感传感器、编码器、超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服舵机完成对智能车的控制。
2、传感器模块，是智能车的获取赛道信息途径，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的 K60 控制中枢做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。
3、电源模块，为整个智能车的硬件系统提供稳定合适的电源。
4、电机驱动模块，驱动直流电机按照控制中枢给出的控制信号进行加减速。
5、速度检测模块，反馈智能车两路后轮的实时转速，用于电机转速的闭环控制。
6、舵机控制模块，控制小车的左右转向。
7、调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。
第二章智能车机械结构调整与优化
2.1 智能车整体
2.2 前轮定位
前轮的调整包括前轮主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束的调整。在调试过程中，我们发现前轮定位对小车的转向影响很大。
主销后倾，是指将主销（即转向轴线）的上端略向后倾斜。从汽车的侧面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销后倾角。主销后倾的作用是增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使前轮自动回正。主销后倾角越大，方向稳定性越好，自动回正作用也越强，但转向越沉重。主销后倾角一般不超过3°。B车模的主销后倾角不易调节，我们保持了车模原有的后倾角。
主销内倾，是指将主销（即转向轴线）的上端向内倾斜。从汽车的前面看去，主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主销内倾角。主销内倾的作用是使车轮转向后能及时自动回正和转向轻便。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°~3°左右，不宜太大。
前轮外倾角，是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1°左右。
前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹
角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。
2.3舵机安装
参考往年的舵机安装方式我们发现舵机有立式安装和卧式安装两种，比较两种安装方式，我们可以发现力臂较短的连接方式优点是能够输出更大力矩，调节精度更高，但是不足的是反应速度不够快，而对于长的连接方式优点是反应速度快，但是调节精度低，输出力矩不足，所以综合考虑SD-5舵机输出力矩较大，速度较慢的特性我们决定立式安装舵机，最大限度地增加舵机的灵敏度，舵机安装如下图所示：
2.4 传感器安装
以工字电感为采集信号的传感器，需安装于车模前上方，有一定的前瞻用以预测赛道信息，并使车模结果紧凑、稳定，减轻重量，最终选用直径5mm的碳棒为基本构架，再利用3D打印件固定于车模底板上，做到在车子运行时，传感器不会出现抖动的现象，以保证得出电感值的可靠性，为了采集更精确的赛道信号，同时考虑到程序控制方面的便捷性，我们设计用六个电感传感器采集赛道信号。三个横向电感，两个斜向电感，一个中间竖直电感。而为了减轻车前重量使整车车身重心靠后，传感器的架设采用双杆结构。
2.5 编码器的安装
速度传感器一般可以选择对射式光栅或光电编码器。对射式光栅的重量轻，阻力小精度也高，然而光栅暴露在外界容易受到外界光线或粉尘等的影响，导致计数不准确；而光电编码器就不存在此类问题。所以最后我们选择了光电编码器，该编码器线数为512线，可以达到很高的精度，符合我们的要求。在安装编码器的时候要保证有合适的齿轮咬合。咬合完美的原则是：两个传动齿轮轴保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力；传动部分要轻松、顺畅，容易转动。判断齿轮传动是否调整好的一个依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传
动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，咬合过紧，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。
第三章电路设计说明
3.1 主板硬件设计方案
可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，将大电流的电机驱动部分与小电流的控制电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。
3.1.1 电源管理模块
本车模上存在4 种供电电压：
（1）智能车使用镍镉充电电池，充满时电压在7.8～8.2V。直接用于驱动电机以获得足够的驱动能力。在电池输入的两端做好滤波处理，并联大容量极性电容和小电容滤除电源电压的低频及高频噪声，防止出现在电机加减速过程中，由于电机电流过大而使电池电压突变的情况出现。模拟电路模块，数字电路模块，和舵机，MOS驱动模块分别通过0欧电阻单点接地，以隔离各个模块的信号。
（2）逻辑电路和编码器的供电使用直流5V，5V 电源选用线性稳压芯片LM2940。
（3）使用3.3V为单片机供电，采用线性稳压芯片AMS1117-3.3。输入端接LM2940输出端。
（4）使用6.5V为舵机供电，采用线性稳压芯片LM2941。
该部分电路如图所示。
3.1.2 电机驱动模块
电机驱动电路由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器组成，其功率元件由8 支N 沟道功率MOSFET 管组成，额定工作电流可以轻易达到100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：PWM 信号输入接口、升压电路、上桥臂功率MOSFET 管栅极驱动电压泵升电路、功率MOSFET 管栅极驱动电路。
该部分原理图如图所示。
3.1.3 数模转换模块
由于K60 的内部AD 比较精确，所以使用了单片机内部AD，简化了电路设计，考虑到我们所使用的传感器数量，引出8路AD(留两路备用)。其接线方法如图所示。
3.1.4 单片机及其他电路部分设计
核心控制单元：K60（主频150MHz，FlashRom512KB，具备SPI，SCI，IIC，FTM 等常用接口）
测速模块：在电机前方架编码器，当电机转动时带动编码器转动，由此获取速度信息。
用编码器测速较光栅片测速精度更高。测速模块供给主板的信号要经过整波，使用上拉电阻提高其峰值电压。
该部分电路原理图：
。
人机交互：增加五向开关，拨档开关用于输入参数，策略调整，加入液晶屏显示小车状态便于调试。蜂鸣器，led指示灯用于提示小车运行状态，蓝牙模块用于实时回传小车运行过程中的各种状态。
该部分整体电路如图所示。
3.2 智能车传感器模块设计
根据竞赛组委会的相关规定，电磁组的智能车是基于100mA 的交变电流产生的电磁场上，由于赛道是通有20KHz 交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁
场确定道路与小车的相对位置。
3.2.1 电感传感器的原理
根据电磁学，我们知道在导线中通入变化的电流（如按正弦规律变化的电流），则导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化规律具有一致性。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同。据此，则可以确定电感的大致位置。
3.2.2 磁传感器信号处理电路
确定使用电感作为检测导线的传感器，但是其感应信号较微弱，且混有杂波，所以要进行信号处理。要进行以下三个步骤才能得到较为理想的信号：信号的滤波，信号的放大，信号的检波。
（1）信号的滤波
比赛选择20kHz 的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz 的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。使用LC 并联谐振电路来实现选频电路（带通电路），如图所示。
其中，E是感应线圈中的感应电动势，L是感应线圈的电感值，R0 是电感的内阻，C 是并联谐振电容。电路谐振频率为：
已知感应电动势的频率 f =20kHz，感应线圈电感为L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为C=6.33×10-9 F。通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF，所以在实际电路中选用 6.8nF 的电容作为谐振电容。
（2）信号的放大
由第一步处理后的电压波形已经是较为规整的20kHz 正弦波，但是幅值较小，随着距离衰减很快，不利于电压采样，所以要进行放大，官方给出的如下参考方案即用三极管进行放大，但是用三极管放大有一个不可避免的缺点就是温漂较大，而且在实际应用中静电现
象严重。
因此我们放弃三极管放大的方案，而是采用集成运放进行信号的放大处理，集成运放较三极管优势是准确受温度影响很小，可靠性高。集成运放放大电路有同相比例运算电路和反相比例运算电路，我们在实际中使用同相比例运算电路。运放使用双电源供电。
关于运放的选型，我们选用的是双电源运放NE5532
其具有10Mhz的带宽，电源输入范围为+-3到+-20V，在实际测量中，NE5532具有优秀的信号放大能力，在+-5V的电源输入下，能够将信号放大到峰峰值8V不失真。
运放电源方案
我们采用双电源运放，我们采用LM2940线性稳压电源提供5V电源，采用电荷泵电源芯片，输入接7.2V电源电压，达到-7.2V电源输出，输出接线性稳压电源得到-5V输出。
（3）信号的检波
测量放大后的感应电动势的幅值E 可以有多种方法。最简单的方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的AD 采集获得正比于感应电压幅值的数值。
我们采用的为竞赛组委会给出的第一种方案即使用两个二极管进行倍压检波。倍压检波电路可以获得正比于交流电压信号峰峰值的直流信号。为了能够获得更大的动态范围，倍压检波电路中的二极管推荐使用肖特基二极管或者锗二极管。由于这类二极管的开启电压一般在0.1~0.3V 左右，小于普通的硅二极管（0.7V），可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。这里选用常见的的肖特基二极管ss12。
最终方案确定如下
第四章智能车软件控制模块
4.1 控制系统整体
4.1.1系统整体结构图
智能车的控制系统主要分为两大部分：赛道信息反馈和运动控制。其中，赛道信息的反馈主要由电磁传感器反馈小车与赛道的相对位置，而运动控制部分则是小车通过对小车速度和偏移量的实时检测完成对电机，舵机的实时控制。
4.1.2整体底层模块说明
（1）FTM模块：K60中集成3个FTM模块，由于B车是单电机驱动，所以我们将FTM0通道用于控制电机PWM，FTM2控制舵机PWM，FTM1用于使用正交解码读取编码器的值。
（2）ADC模块：用于读取当前的电感值，输入单片机，用于计算偏移量。
（3）定时器模块：K60有4个定时器模块，我们使用PIT0产生3ms中断用于处理采集，控制，输出的时序。
（4）通信协议模块：UART0模块用于串口发送数据，与上位机通讯；UART2模块用于串口发送数据，进行双车通讯。
4.2.赛道偏移量计算与处理
4.2.1电感值采集与处理
我们的电磁小车共使用了六个电感，利用K60芯片的ADC功能，每隔5毫秒采集一次电感值，并对电感值进行加权平均滤波处理，得到了相对准确的电感电压值。
有了这六个电感值，我们就可以利用他们的数量表达式来表示出偏移量，即小车到电流线的距离。以及偏移量的变化率，作为模糊控制的输入量。
4.2.2赛道识别
偏移量的获取主要由三个水平电感获得，其电压值与对应电感和电流线距离近似成正比关系。通过对三个电感的电压大小比较，可获得小车的大致位置，即偏左或偏右。左右电感求差和比得到偏移，中间电感用于修正。
左右斜电感与垂直电感用于十字，环形赛道的识别。
4.3 电机与舵机控制
4.3.1模糊控制算法简介
模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。
模糊控制主要包括模糊化输入，根据模糊控制表完成模糊推理，去模糊化得到输出精确值这几个步骤。其中，对输入模糊化过程的归一化范围，模糊推理过程的模糊表调整可以实现对系统性能的调节，以使小车适应不同赛道，相比传统PD算法，具有更强的适应性，而且参数的整定更加灵活简单。
4.3.2 基于模糊控制的速度与舵机控制
我们采用模糊自适应算法，将由电感所得到的值计算之后可得到偏移量e，利用‘四
点中心差分法’得出偏移变化率Δe。将e与Δe分别作为两个模糊表的输入。
将两个输入平分为七个论域，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。将偏移量归一化之后的输入量代入比较公式，在通过加权平均得出输出的设定速度。
舵机控制所得设定值与电机控制类似，也采用模糊表，而且采用相同的输入量。得到设定值，直接作用于舵机。
4.3.3基于位置式pid的速度控制
速度的控制每6ms执行一次，通过FTM模块的正交解码功能对编码器的脉冲数进行累计以完成速度的实时检测。
得到设定速度之后我们通过pid控制器，将测速编码器所采集的数据与模糊设定速度求偏差，我们采用位置式pid算法来构造速度环。
位置式：
PID控制器各校正环节的作用如下：
比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。
微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在该偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
4.4 双车控制
4.4.1 双车距离获取
测距模块是运用的鸳鸯超声波。这个模块上有超声波模块和红外模块，发送模块上是超声波发送和红外发送，接收模块有超声波模块和红外接收模块。发送模块同时发出超声波和红外，由于光速远远大于声速，当红外信号到达接收模块时作为一个起点，用程序吧管脚电平拉高，然后等待声波的到来，当声波信号到来时，从而得到一个时间差，最终计算得距离。数据20 毫秒更新一次，通过计算，测得较为准确的距离。
我们将发送的超声波都装在同一辆车上，相同的我们将接受装在另一辆车上，即，一辆作为接受车一辆作为超声波发送车。
4.4.2双车距离控制
双车设定的距离是70cm，用的是简单的p调节，由于超声波干扰大，不适用积分还有微分。简单的比例控制就已经可以是双车保持在设定距离附近。由于超声波有时发生距离丢失或者大幅的跳动，但该过程持续时间非常小，所以若发生这些状况，可将距离值保持不变或者保持设定距离。
通过将目前距离与设定距离做差，来决定设定速度的改变，若距离过近，前车减速后车加速，若距离过远，则相反。但由于加速可能会使行驶在弯道的智能车偏离轨迹，所以速度的增加需要限幅。
4.4.3环形超车
由于第十二届的赛道元素中加入了新型环形。在环形可完成一次超车。超车通过前后车分别走环线左右两边道路完成。
4.4.4十字超车
由于B车宽度大，一个直道两辆智能车并行是很极限的。所以可以利用十字路口进行超车。具体操作如下图
第五章总结
智能车竞赛是一个考验大学生动手能力，学习能力，团队合作能力等各方面能力的一项比赛。从最开始决定做电磁双车组，到确定硬件方案，完成整体控制算法，调试优化，我们差不多花了半年多的时间。期间遇到过无数问题，都最终在我们四人的齐心合作下一一攻克。一路走来，很庆幸自己身边有这些队友陪伴，很庆幸自己最初选择了智能车。
这个比赛让我们学会了很多：画硬件电路板，电子设计的各种细节；C语言写程序，debug 的能力；以及自控课本上的各种控制理论，PID,模糊等等…这些都是课堂上学不到的东西。正是智能车，让我们有机会自己动手实践，搭建一个控制系统，去验证课本上的死知识，丰富了我们的学习生活。
智能车更告诉我们：控制系统的稳定性与鲁棒性是多么的重要！在赛场上，能笑到最后的绝对不是在实验室能跑最快的赛车，而是最稳定，最适应赛场的赛车！东北赛区，据说是电流源问题，决赛只有一组跑完；华北赛区，赛道反光，无数光电车冲出赛道…这些，真的完全是赛道的问题吗？我觉得并不是。智能车，除了速度，适应性也是考验其性能的关键因素，只能在特定场地，特定电流源，特定光线下跑的赛车，何称得上“智能”二字？卓老师也说过：“到底是应该赛车适应赛道？还是赛道适应赛车？”答案显然是前者！在东北赛区，依然有强队跑完了决赛，在华北赛区，在其他赛场铺满遮光黑布的同时，北科的赛场，一块遮光布都没有！却依旧完美完成比赛…我想：这才是真正的强队，真正的智能车吧！
一路走来，国赛不觉已在眼前，我们期待着能在全国赛场上，与各区强校争锋，相互竞争，相互交流，为我们的第十二届智能车竞赛画上完美的句号！
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智能小车的结构与设计
智能小车俯视图结构说明： 本产品是由一个语音模块、一个+5V的辅助电源(LM7805数字压控电路)、一个电机驱动模块、四个电机、一块IAP单片机，一对无线发送接收模块。 功能与使用： 这辆语音控制智能小车通过语音识别来判断我们人所说的指令来行走的，给不同的指令就会按不同的指令来行走。可以根据我们说的去执行，更加人性化，同时也能起到人车交流的效果，操作简单，易于使用。 图2：智能小车全景图 平台选型说明 单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心) 设计说明 设计原理图如下：
3 设计原理图 设计方案： 语音控制智能小车，主控电路是由单片机开发板(以IAP15F2K61S2芯片为控制核心)来控制小车，主要是由语音控制模块通过无线模块发送信号来控制小车的前进、后退、左右转等功能。 语音模块主要是由LD3320 ASR非特定语音识别芯片组成的，通过识别人的语言，从从而实现轻松的语控制。我们采用锂电池通过7085稳压输出5V的直流电，方便携带，轻巧灵活，设计合理。通过对单片机开发板编写系统程序，调试出合适的程序，才能很好地处理信号和控制小车，以及各种电器。 作品特色 先进性： 传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩具行业发展的主流。本文设计一个具有语音识别功能的智能遥控小车。本文还在小车的控制系统中采用语音识别系统，使控制者可以用语音对小车进行控制，产生相应的动作，而且小车和控制者还具有一定的交互功能，体现出了现代科技想智能化发展的潮流。 实用性： 当我们的技术成熟的时候我们可以向机动车改装，这样的话手脚残疾人也能开车了，还有就是该技术可以应用到智能家居中，让我们能够更加轻松地控制家里面的用电设备，使我们的住所更加人性化。
机械优化设计课后习题答案
第一章习题答案 1-1 某厂每日（8h 制）产量不低于1800件。计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为25件／h ，正确率为98％，计时工资为4元／h ；二级检验员标准为：速度为15件／h ，正确率为95％，计时工资3元／h 。检验员每错检一件，工厂损失2元。现有可供聘请检验人数为：一级8人和二级10人。为使总检验费用最省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？ 解：（1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ?? ????=? ??? ??二级检验员一级检验员 21x x ； （2）建立数学模型的目标函数； 取检验费用为目标函数，即： f (X ) = 8*4*x 1+ 8*3*x 2 + 2（8*25*0.02x 1 +8*15*0.05x 2 ） =40x 1+ 36x 2 （3）本问题的最优化设计数学模型： min f (X ) = 40x 1+ 36x 2 X ∈R 3· s.t. g 1(X ) =1800-8*25x 1+8*15x 2≤0 g 2(X ) =x 1 -8≤0 g 3(X ) =x 2-10≤0 g 4(X ) = -x 1 ≤0 g 5(X ) = -x 2 ≤0 1-2 已知一拉伸弹簧受拉力F ，剪切弹性模量G ，材料重度r ，许用剪切应力[]τ，许用最大变形量[]λ。欲选择一组设计变量T T n D d x x x ][][2 32 1 ==X 使弹簧重量最轻，同时满足下列限制条件：弹簧圈数3n ≥， 簧丝直径0.5d ≥，弹簧中径21050D ≤≤。试建立该优化问题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 3 22234 881 ,1,(2n s s F D FD D k k c d c d Gd τλπ==+==旋绕比）， 解： （1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ????? ? ????=??????????n D d x x x 2321； （2）建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即： f (X ) = 322 12 4 x x rx π （3）本问题的最优化设计数学模型：
飞思卡尔智能车电机资料上课讲义
3.1.6驱动电机介绍 驱动电机采用直流伺服电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机，这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点: (1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。 (2)调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。 (3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。 (4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的 影响。 (5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行 于停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连续堵转电流。 图3.1为该伺服电机的结构图。图3.2是此伺服电机的性能曲线。 图3.1 伺服电机的结构图
图3.2 伺服电机的性能曲线 3.1.7 舵机介绍 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图3.3所示。图3.4为舵机的控制线。 图3.3 舵机控制要求
第二章-机械优化设计复习过程
主讲:阮学云 安徽理工大学 第一节绪论 1.1 概念 ~是一种规格化的设计方法，它首先要求将设计问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，选择合适的优化方法及计算机程序，然后再通过计算机的计算，自动获得最优设计方案。（三级减速器，V降低23%） 1.2 优化设计发展概况 时间：60年代开始，在化工，建筑领域得到应用 内容：机构优化设计，机械零部件设计，机械结构优化设计，机械系统设计。 第二节优化设计的数学模型 2.1 例子。 设计：一长度为6 米的绳子如何围成一个最大面积的矩形，并求其S 解： 6=2（a+b) S= a*b 法一：解析法将b=6/2-a代入下式，成为一元方程，可以求其最大值。 法二：做图法 2.2 优化设计的数学模型 统一形式描述： min f(x) x=[x1,x2,………x n]T s.t g i(x)≤0 i=1,2,3…..m h j(x)=o j=1,2,…….p 包括： 1.设计变量 2.目标函数 3.约束问题 2.3 优化过程： 优化设计的一般过程可以用如下的框图来表示: （2）按设计变量的性质分：连续变量、离散变量和带参变量。 （3）按问题的物理结构分：优化控制问题和非优化控制问题。 （4）按模型所包含方程式的特性分：线性规划、非线性规划、二次规划和几何规划等。（5）按变量的确定性性质分：确定性规划和随机规划。 2. 优化设计问题的迭代思路 3. 终止准则 准则1-点距准则 4. 1往往采用两个准则来判别 4.2 往往采用两个准则来判别 第三节一维搜索 0 概念： 对一维（也称一元或单变量）函数f(x)寻求其极值点x*就是一维优化方法中限制最优解问题，称一维搜索方法。 3.1 方法分类
智能小车设计报告书
智能小车设计报告 专业：电子信息工程技术 学生姓名：史响林周博超朱雄王昌指导教师：张力 完成日期：2014 年5 月24 日
目录 1 绪论 (3) 2 设计任务 (2) 2.1设计任务 (2) 3 设计方案 (3) 3.1任务分析 (3) 3.2方案框架 (3) 4 系统硬件设计 (4) 4.1核心芯片模块AT89S52 (4) 4.2电机驱动电路设计 (4) 4.3超声波测距设计 (6) 4.4传感器测速的设计 (8) 4.5LCD1602显示模块 (9) 5 系统软件设计 (8) 5.1程序设计流程图 (8) 5.2关键程序设计 (8)
6 心得体会 (13) 附录1 系统原理图 (15) 附录2 系统PCB图 ........................................................... 错误!未定义书签。附录 3 程序清单 (17) 1 论绪 智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。超声波作为智能车避障的一种重要手段，
以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。这样的小车还可以用于月球探测等的无人探月车，帮助我们传达月球上更多的信息，让我们更加的了解月球，为将来登月做好充分准备。这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景，在科学考察中，有很多危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。 设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。采用AT89S52单片机模块作为小车的检测和控制核心；通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。本次试验利用单片机模块上的按键来控制小车的速度，方向，及在车体上面装有超声波测距模块利用LCD1602显示屏来显示测出来具体距离。本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能。 通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模
智能车制作历程及总结
智能车制作历程 任何时候做任何事情都需要清醒的头脑和恰当的时间，正因为今天校赛刚刚结束现在头脑很清醒，感触是最多的时候，我想现在写下这篇文章应该是最好的。 回首刚去年十月之前，我还是一个一无所知的莽撞的刚步入大三对未来迷茫的小子。因为我所读的专业开了单片机这门专业课，而恰好我班上有几个同学又进入了蓝博芯科实验室，在课余我也买了一块51单片机开发板看着视频自学着，刚开始学习单片机的时候感觉好吃力，因为什么东西都是从零开始，但是由于视频上是手把手教学，所以勉强还是懂的一些。接触起来发现电子挺不可思议的，高科技，很绚丽也很实用。毕竟是自学，而且还是在寝室没有什么计划，所以学一阵子忘一阵子。 后来到了大三上学期也就是十月份的时候，志鹏告诉我实验室要招新成员了。那个时候我对自己不是很自信，认为自己学到的东西不多没有实力，可能通不过面试，但是眼看着志鹏他们这么的有激情在实验室不停歇的动手做一些很有意思的事情。考虑到我对电子还是很感兴趣的，也希望能跟着高手们学习一点技术。就这样我去面试了，做好了充足的准备，端正我自己的态度后，我到实验室来，第一次看到了传说中的何松。当时就很震惊，和我想象的何松差别好大。感觉他很平易近人，第一次就可以从他的身上看到了一个青年应有的热情和自信，还有对学习的渴望。还记得面试的时候我一个劲的跟几个面试的学长诉说了我对实验室的向往，对电子的热情，以及我个人的态度。 感谢松哥对我的信任，将我招入实验室。没有想到就进入实验室成为了我大学的一个转折点，我清楚的记得十月份刚进入实验室的时候，我整个人就像发了疯似得。入魔般的一头就扎进了单片机里面，全身心的就投入了实验室，就好像我在这个实验室呆了很久似得，每天都会过来实验室，早起晚归学习单片机，学习制作PCB板，而且这个习惯就维持到了现在。有的时候晚上做梦都会梦到自己程序上的问题，这些个时候就是我最最充实的时候，因为我感觉我每天都会学到很多东西都会有突破，而且每天还会遇到很多问题，一个阶段一个阶段这样循环下去发现自己有了很大的进步。 进入十一月份的时候，也就是我转变最大的时候了。那是一次上课杨大勇老师邀请松哥到我们教室演讲，像我们介绍他自己制作的激光光电智能车，那是他参加华南赛区获得三等奖的作品。看着他津津有味地向我们介绍小车的时候，我就在想，要是我能做出自己的小车那该多好啊。 后来我找到松哥向他了解了下制作智能车需要具备什么条件，他告诉我说一切从零开始，仅仅需要些单片机基本功。于是我就下定了决心，决心要去参加比赛了。那个时候王志鹏他们已经组了一个队。我没有队友，就想着实验室其他的人是否想做小车，刚好唐丽君也想做车子，但是还是缺一个人。没办法了，先就两个人组成一个队伍先。我把51单片机各部分都用了一遍之后，就制作了几个小模块。算是我的处女作吧，还记得那是一个温度报警器，现在想想真是太简单了，不觉自己都会傻傻的笑话那个时候的我。 到那个时候我开始有些许的迷茫，做小车不知道先从哪里下手。松哥跟我说是时候开始可以买一个更高级的单片机了。正好那个时候我的第三个队友出现了，他是肖甲。于是我信心希望有大增。我们一起出钱买了一个16位的飞思卡尔单片机—MC9S12XS128，还有一大包的元器件，电阻电容都一大堆。由于我的进度是我们三个人里面最快的，在我学完51单片机后，我开始学习Altium Designer09 PCB画板，但是当我学会画板的时候其他的两个队友还在学习51单片机。但是时间也就不等人。那个时候到了期末，也就是12月份了，我们都开始了复习，他们在实验室的时间明显少了，唐丽君有点时候一个星期都不来一次，只有我和肖甲还在为小车奋斗着。在临近期末的时候，我还做了一块主板出来，寒假还带回家了。
智能车机械结构调整与优化
第十二届“恩智浦”杯全国大学生智能汽车竞赛 技术报告 学校：华南理工大学 队伍名称：华工冰魄队 参赛队员：郑立楷黄理广 杨少基黄迪臻 带队教师：陈安 邓晓燕
目录
关于技术报告和研究论文使用授权的说明................................................. 错误！未定义书签。第一章系统设计方案说明. (4) 1.1 系统设计要求 (5) 1.2 系统总体方案设计 (5) 第二章智能车机械结构调整与优化 (6) 2.1 智能车整体 (6) 2.2 前轮定位 (6) 2.3舵机安装 (7) 2.4 传感器安装 (7) 2.5 编码器的安装 (7) 第三章电路设计说明 (8) 3.1 主板硬件设计方案 (8) 3.1.1 电源管理模块 (8) 3.1.2 电机驱动模块 (9) 3.1.3 数模转换模块 (10) 3.1.4 单片机及其他电路部分设计 (10) 3.2 智能车传感器模块设计 (11) 3.2.1 电感传感器的原理 (12) 3.2.2 磁传感器信号处理电路 (12) 第四章智能车软件控制模块 (15) 4.1 控制系统整体 (15) 4.1.1系统整体结构图 (15) 4.1.2整体底层模块说明 (15) 4.2.赛道偏移量计算与处理 (16) 4.2.1电感值采集与处理 (16) 4.2.2赛道识别 (16) 4.3 电机与舵机控制 (16) 4.3.1模糊控制算法简介 (16) 4.3.2 基于模糊控制的速度与舵机控制 (16) 4.3.3基于位置式pid的速度控制 (17) 4.4 双车控制 (17) 4.4.1 双车距离获取 (17) 4.4.2双车距离控制 (18) 4.4.3环形超车 (18) 4.4.4十字超车 (18) 第五章总结 (19) 参考文献 (20)
机械优化设计课程教学大纲
《机械优化设计》课程教学大纲 一．课程基本信息 开课单位：机械工程学院 英文名称：Mechanical Optimize Design 学时：总计48学时，其中理论授课36学时，实验（含上机）12学时 学分：3.0学分 面向对象：机械设计制造及其自动化，机械电子工程等本科专业 先修课程：高等数学，线性代数，计算机程序设计，工程力学，机械原理，机械设计 教材：《机械优化设计》，孙靖民主编，机械工业出版社，2012年第 5版 主要教学参考书目或资料： 1.《机械优化设计》，陈立周主编，上海科技出版社，1982年 2.《机械优化设计基础》，高健主编，机械工业出版社，2000年 3.其它教学参考数目在课程教学工作实施前另行确定 二．教学目的和任务 优化设计是60年代以来发展起来的一门新学科，它是将最优化方法和计算机技术结合、应用于设计领域而产生的一种现代设计方法。利用优化设计方法可以从众多的设计方案中寻找最佳方案，加快设计过程，缩短设计周期，从而大大提高设计效率和质量。优化设计方法目前已经在机械工程、结构工程、控制工程、交通工程和经济管理等领域得到广泛应用。在机械设计中采用最优化方法，可以加速产品的研发过程，提高产品质量，降低成本，从而达到增加经济效益的目的。学生通过学习《机械优化设计》课程，可以掌握优化设计的基本原理和方法，熟悉建立最优化问题数学模型的基本过程，初步具备对工程中的优化设计问题进行建模、编程和计算的应用能力，为以后从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。 三．教学目标与要求 本门课程通过授课、计算机编程等教学环节，使学生了解优化设计的基本思想，优化设计在机械中的作用及其发展概况。初步掌握建立数学模型的方法，掌握优化方法和使用MATLAB优化工具箱能力。并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力 四．教学内容、学时分配及其基本要求 第一章优化设计概述（2学时） （一）教学内容 1、课程的性质、优化的含义；优化方法的发展与应用；机械优化设计的内容及目的；机械优化设计的一般过程 2、机械优化设计的基本概念和基本术语；优化设计的数学模型；优化问题的几何描述；优化设计的基本方法 （二）基本要求
机械优化设计课后习题答案
第一章习题答案 1-1某厂每日（8h 制）产量不低于1800件。计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为25件／h ，正确率为98％，计时工资为4元／h ；二级检验员标准为：速度为15件／h ，正确率为95％，计时工资3元／h 。检验员每错检一件，工厂损失2元。现有可供聘请检验人数为：一级8人和二级10人。为使总检验费用最省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？ 解：（1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X =?? ????=??????二级检验员一级检验员 21x x ； （2）建立数学模型的目标函数； 取检验费用为目标函数，即： f (X )=8*4*x 1+8*3*x 2+2（8*25*+8*15*） =40x 1+36x 2 （3）本问题的最优化设计数学模型： min f (X )=40x 1+36x 2X ∈R 3· 已知一拉伸弹簧受拉力F ，剪切弹性模量G ，材料重度r ，许用剪切应力[]τ，许用最大变形量[]λ。欲选择一组设计变量T T n D d x x x ][][2 32 1==X 使弹簧重量最轻，同时满足 下列限制条件：弹簧圈数3n ≥，簧丝直径0.5d ≥，弹簧中径21050D ≤≤。试建立该优化问 题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 解：（1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X =?????? ????=??????????n D d x x x 2321； （2）建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即： f (X )= 322 12 4 x x rx π （3）本问题的最优化设计数学模型： min f (X )= 322 12 4 x x rx πX ∈R 3· []τπ-+312218)21(x Fx x x []λ-4 1 33 28Gx x Fx 某厂生产一个容积为8000cm 3 的平底、无盖的圆柱形容器，要求设计此容器消耗原材料最少，试写出这一优化问题的数学模型。
汽车机械系统的智能设计
汽车机械系统的智能设计 发表时间：2016-06-08T16:13:42.060Z 来源：《基层建设》2016年4期作者：郑建标[导读] 随着科技的不断创新，智能汽车必将在未来的生活中得到普及。 东莞力嘉塑料制品有限公司广东东莞 523000 摘要：随着科技的不断创新，智能汽车必将在未来的生活中得到普及。本文以汽车机械系统为研究对象，通过相识度算法和变换矩阵算法来对汽车部件的正确装配进行了推理，通过系统基础库、案例库、数据库的构建，并在案例推理和规则推理的基础上，提出了一种汽车机械系统的智能设计的总体设计结构，目的在于提高企业的设计效率和设计水平。该设计系统不仅延续了普通汽车机械设计的技巧、经验，并且也大大降低了工作人员的工作周期。 关键词：科技；智能设计；推理 引言 当代的机械方案设计主要采用3种设计方法------形态学矩阵法、键合法、专家系统。形态学矩阵法以及键合法都是从功能的方面进行分析的，其方式是从组合好的方案数目中进行逐一的评价，由于其组合的方式多种多样，因此，此种方法比较难以获得比较好的方案。专家系统也存在着不同的问题-----难以处理对知识的获取和推理。产品创新的核心与基础作为产品的设计理论，目的在于提高新产品的开发与设计，汽车机械系统的智能设计就解决了这传统的三种方法存在的问题，从实质上来看实例推理和匹配的过程就是汽车机械系统的智能设计，在汽车机械系统的智能设计方面对于案例推理和规则推理的混合推理在研究的应用方面较少。因此，为了提高产品的设计效率，本文提出了基于案例推理和规则推理的混合推理来研究汽车机械智能设计系统。 一、汽车机械系统的智能设计系统的总体结构 通过对于数据库以及案例库的构建，设计师的长期的积累经验可以在汽车机械系统的智能设计系统中得到充分的应用，通过减少设计的重复率，大大的缩短工作量以及工作时间，从而提高企业对于汽车机械系统的智能设计系统的研发效率。根据对汽车机械系统的智能设计系统研发过程中碰到的难题，来构建汽车机械系统的智能设计系统的知识案例库和辅助信息库，对于汽车本身的重要部件（如：发动机、轮胎、散热器等）以及汽车的各方面性能进行具体的分析，让汽车机械系统的智能设计系统的总体结构图更加合理的表达出来。用户可以通过对于页面的操作，来完成对于汽车机械系统的智能设计系统的设计要求，若设计结果不符合要求，则重新进行设计。流程如下： 图一汽车机械系统的智能设计系统的设计流程图 二、汽车机械系统的智能设计系统中基础类库的构建 当今时代，智能化的普及已经涉及到生活的方方面面，产品也都雨来越具有鲜明的特点，取得人们的普遍认可。对于汽车机械系统的智能涉及方面，汽车本身的部件较多，需要建立一个庞大的信息库来存储对于信息进行储存分析。系统人员可以通过查阅相关的资料、与相关专家进行交流，来对汽车机械系统的智能设计系统数据库的建立做一个准确的判断，确定数据库本身所包含知识的范围，实现在进行汽车机械系统的智能设计系统时，对于数据简单、准确的调用。本系统进行的知识建模方式为基于本体的自上而下的方式，首先确定汽车机械系统的类别，如：产品类、部件类、组件类、零件类一起其它的分类，然后确定其汽车机械系统的相关实体属性。汽车机械系统的智能设计系统实例知识模型如下所示： 基本信息：创建者信息、版本信息、标签ID、标签名称等。 产品信息：相关客户需求、ID、装配特征、创建者信息、功能描述、制造特征等。
机械优化设计
[1] 《机械最优化设计》，刘惟信主编，清华大学出版社（第二版） 机械优化设计试题 浏览次数：910次悬赏分：20 |解决时间：2009-3-17 10:06 |提问者：xmtxmtxmt9 1、有一圆截面的销轴，一端固定在机架上，另一端作用着集中载荷P和扭矩T，其简化模型如图，由于结构需要，轴的长度不得小于80mm，其材料密度为，许用弯曲应力为[σF]，许用扭剪应力为[τ]，允许挠度为[?]，弹性模量为E。要求设计此梁重量最轻，试写出这一优化问题的数学模型。（圆轴的抗弯截面模量为W=πd3/16，抗扭截面模量为WT=πd3/32，挠度公式为fmax=Pl3/3EI，惯性矩为I=πd4/64）（20分） 2、将优化问题 画出此优化问题的目标函数等值线和约束曲线，并确定： （1）可行域的范围（用阴影线画出）。 （2）在图中标出无约束最优解、和约束最优解、。 （3）若再加入等式约束，在图中标出约束最优解、。 （20分） 3、目标函数，初始点，试用变量轮换法求迭代两轮的设计变量和目标函数的值。（20分） 4、已知约束优化问题 试从迭代点出发，沿方向进行搜索，完成一次迭代，获取一个新的迭代点，并画出本次迭代的搜索路线。（20分） 5、试画出离散变量优化设计方法网格法的算法框图。（20分） 问题补充： 请研究生帮忙做一下，谢谢！原题点下面图片放大即可 一种优化设计方法在圆柱蜗杆减速器设计中的运用
期刊门户-中国期刊网2009-5-26来源:《中小企业管理与科技》2009年4月下旬供稿文/摆亚辉 [导读]明确设计任务——确定设计参数（变量）——确定设计函数（明确变量的取值范围）——确定优化方法——编写优化程序——得出优化结果并圆整。 期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆 摘要：一般的机械设计都是设计人员按照各种资料提供的数据，结合自己的经验，对已有产品进行类比，初步定出方案，再通过验算确定方案是否是可用的。这样的方案不能说是最优的。优化设计，是利用计算机的计算优势采用数学方法，用数量指标对方案进行评判和选择。通过这样的过程获得的方案不仅是可用的，而且也是相对最优的。它的一般过程如下：明确设计任务——确定设计参数（变量）——确定设计函数（明确变量的取值范围）——确定优化方法——编写优化程序——得出优化结果并圆整。 关键词：优化设计减速器运用 本文介绍一种优化设计方法（复合形法）在圆柱蜗杆减速器设计中的运用。 题目：设计一由功率为3KW的电动机驱动的双级圆柱蜗杆减速器，第一级蜗杆转速960r/min，总传动比220.载荷平稳，单向回转。按在保证承载能力的前提下，最大限度的减轻体积。已知:各级许用应力155Mpa、传动效率0.9、载荷系数1.2、蜗杆头数4、蜗杆选用40cr，表面淬火HRC>45.蜗轮材料为铸锡青铜ZQSn10-1。 从题设条件可知啮合参数：传动比[i]、模数[m]、齿数（头数）[z]、直径系数[q]是设计待定参数。结合蜗轮齿面接触强度的计算可确定设计变量如下：X=[x1 x2 x3]T=[i1 q1 q2]T。据蜗轮齿面接触强度设计公式可得题设条件的目标函数如下： 从工程意义上看，确定未知数的范围可以保证蜗杆传动的应有性能，并明确了变量的可行区域，这样就控制了优化结果的搜寻区域。据传动特点可以确定约束条件如下： g1（x）=7-x1≤0g2（x）=x1-33≤0g3（x）=7-x2≤0 g4（x）=x2-18≤0g5（x）=7-x3≤0g6（x）=x3-18≤0 对已定的数学模型，正确选用优化算法，对计算成功有很大关系。本次设计任务选择的依据：设计是有约束问题，规模不大，所要达到的精度较高，目标函数为非线性函数、其他的数学性态未知。为使优化计算过程可靠完成，选择优化算法为：复合形法，它的关键是确定每步迭代的搜索方向和步长。它是利用由若干个顶点构成复合形，通过顶点的不断更迭而发生形变和位移，最终趋向最优点。由于复合形是一种在可行域内直接求优的方法，因此要求第一个复合形就必须在可行域内。这样，其k个复合形顶点才是可行点，通常顶点数取n+1≤k≤2n。则本设计任务的寻优规则如下:①给出四个初始顶点②计算复合形4个顶点的目标函数值，选出最坏点x(H)、次坏点x(G)、最好点x(L)。计算4个顶点的中心点x(C)及其函数值，判断，如成立则停止运行，x(L)即为最优解，否则执行下一步。③计算出最坏点外的3个顶点的中心点x(S)，检验是否可行。如果在可行域内则继续执行下一步，否则结束程序，重新构造复合形。④若在可行域内，则求映射点x(R)=x(S)+a（x(S)-x(H)）。⑤检验映射点是否在可行域内，如在执行下一步，否则转向第8步。⑥若在可行域内，则计算其函数值，判断其与最坏
机械优化设计课后习题答案
第一章习题答案 1-1 某厂每日（８h 制）产量不低于１800件。计划聘请两种不同的检验员,一级检验员的标准为:速度为25件/ｈ，正确率为98%,计时工资为4元/h;二级检验员标准为：速度为１5件／h ，正确率为95%，计时工资3元/h 。检验员每错检一件,工厂损失2元。现有可供聘请检验人数为:一级8人和二级10人。为使总检验费用最省,该厂应聘请一级、二级检验员各多少人? 解：(1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求,取设计变量为X = ?? ????=??????二级检验员一级检验员 21x x ; (2）建立数学模型的目标函数； 取检验费用为目标函数，即: ｆ(Ｘ) = 8*4*x 1＋ 8*3*x 2 + 2(８*25*0．02ｘ1 +8*15*0．05x ２ ） =40x 1+ 36x 2 （3）本问题的最优化设计数学模型： min ｆ (X ） = 40x 1+ 3６x ２ X ∈R ３· ｓ.ｔ. g 1（X ) =1800-８＊25x 1+8*１５x 2≤0 g 2(X ） =ｘ1 -8≤0 g ３(X ) =x 2-10≤0 ｇ4(Ｘ) = -x 1 ≤0 ｇ5(Ｘ) = -x ２ ≤0 1-2 已知一拉伸弹簧受拉力F ，剪切弹性模量G ，材料重度r ，许用剪切应力[]τ,许用最大变形量[]λ。欲选择一组设计变量T T n D d x x x ][][2 32 1 ==X 使弹簧重量最轻,同时满足下列限制条件：弹簧圈数3n ≥， 簧丝直径0.5d ≥,弹簧中径21050D ≤≤。试建立该优化问题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 3 22234 881 ,1,(2n s s F D FD D k k c d c d Gd τλπ==+==旋绕比）， 解: （1）确定设计变量； 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X = ????? ? ????=??????????n D d x x x 2321； (２)建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即： ｆ（Ｘ） = 322 12 4 x x rx π (3）本问题的最优化设计数学模型:
智能小车
摘要 本文基于Arduino、51duino设计了一种能够智能移动避障及智能抓取分拣货物的机械装置，由电源模块、超声波传感器模块、电机驱动模块、调试模块、MCU模块、压力传感器模块、温度传感器模块、湿度传感器模块，WIFI模块、51duino机器人驱动板模块、Robot-Eyes高清摄像头等模块组成。本文主要从硬件与人机交互方面来解释如何利用红外传感器检测障碍物，并实现自动避障的功能；如何利用无线传输与相应的传感器使得抓取装置更好的抓取货物，从而突出该机械装置的优越性。 关键词：智能小车单片机避障摄像人机交互
目录
第1章绪论 1.1引言 智能，在科技高速发展的今天，已成为一个引领时尚前沿的代名词，智能手机，智能机器人等等已经在工业，军事中得到广泛的作用，在不为人们所熟知的领域，如深海探测，航空航天，地质勘探，智能也发挥着举足轻重的作用[1]。智能车是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。整个系统设计集中运用了自动化控制、传感技术、导航、电子、电气、PC机、机械、人工智能等多个学科的知识[2]，是典型的高新技术综合体。以后智能机器人的应用领域会愈发广泛，如在航天航空技术、海洋能源开发技术、微电子技术、制造与维修技术、农业自动化、生物医学等领域会有很大的突破和进展。 1.2课题研究目的及意义 自第一台工业机器人诞生[3]以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想，其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并做出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。现代智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障功能等基本功能。 日本目前投入市场的不再是高性能的工业机器人，微型机器人汽车也正在逐步的进入市场。日前由日本科研人员研发的两款微型机器人汽车与大众见面，汽车内安装有最尖端的视觉识别系统，通过内部的摄像头与传感器能够使小车自动识别障碍物，从而避免碰撞，并判断小车与障碍物之间的距离。目前研究人员已经将小车的这种自动识别系统应用到汽车工业领域去，这将为陷入低靡的汽车行业注入新的活力[4]。 随着计算机、自动控制、微电子技术、人工智能、虚拟现实、微纳米技术、
机械优化设计课后习题答案
第一章习题答案 1-1 某厂每日(8h 制)产量不低于 1800件。计划聘请两种不同的检验员，一级检验员的标准为：速度为件/h,正确率为98%，计时工资为 4元/ h;二级检验员标准为：速度为元/h。检验员每错检一件，工厂损失 2元。现有可供聘请检验人数为： 省，该厂应聘请一级、二级检验员各多少人？解：(1 )确定设计变量； g2( X) = X1 -8 w 0 g3( X) = X2-10 w 0 g4( X) = -X1 w 0 g5( X) = - X2 w 0 X3 (2)建立数学模型的目标函数； 取弹簧重量为目标函数，即: 2 2 f(X)=——rx1 X2X3 4 (3)本问题的最优化设计数学模型: 2 2 min f (X) = —rx1 X2X3 4 25 15件/h,正确率为95%，计时工资 3 —级8人和二级 10人。为使总检验费用最 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X= X1 X2 一级检验员二级检验员 (2)建立数学模型的目标函数；取检 验费用为目标函数，即： f(X) = 8*4* X1+ 8*3* X2 + 2 =40x1+ 36x2 ( 8*25*0.02x1 +8*15*0.05 X2) s.t. min f (X) = 40X1+ 36X2 g i(X) =1800-8*25 3’ X € R X i+8*15X2< 0 1-2已知一拉伸弹簧受拉力选择一组设计变量X [X1 X2F，剪切弹性模量G，材料重度 X3]T[d D2 n]T使弹簧重量最轻，同时满足下列限制条件：弹簧圈数 r，许用剪切应力[],许用最大变形量[]。欲 簧丝直径d 0.5，弹簧中径10 D2 50。试建立该优化问题的数学模型。 注：弹簧的应力与变形计算公式如下 ks^ , k s 1 ± d 2c D2 (旋绕 比)， 8F n D Gd4 解：(1)确定设计变量; X1 根据该优化问题给定的条件与要求，取设计变量为X2 D2 3 ? X€ R
30586机械优化设计考纲
高纲1513 江苏省高等教育自学考试大纲 30586 机械优化设计 南京理工大学编 江苏省高等教育自学考试委员会办公室 Ⅰ课程性质与课程目标 一、课程性质和特点 《机械优化设计》是高等工科院校中机械设计制造及其自动化专业现代设计方法模块的一门选修课程，它综合运用先修课程所学到的数学、计算机编程和机械等方面知识与理论，来解决机械工程领域内有关机构、机械零部件、机械结构及机械系统的优化设计问题及机械工程领域的其他优化问题。通过课程的学习可以培养学生运用现代设计理论与方法来更好地解决机械工程设计问题的能力。为进一步深入学习现代机械设计的理论与方法及更好地从事机械工程方面的设计、制造和管理等相关工作打下良好的基础。本课程的特点是数学基础理论与计算机编程语言与机械设计专业知识高度结合的综合课程。 二、课程目标 本门课程通过授课、练习和上机实践等教学环节，使学生树立机械优化设计的基本思想，了解机械优化设计的基本概念，初步掌握建立优化数学模型的基本方法和要求，了解和掌握一维搜索、无约束优化和约束优化中的一些基本算法及各种基本优化方法的特点和相关优化参数的选用原则，具有一定的编制和使用优化软件工具的能力，并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力。 三、与相关课程的联系与区别 本课程教学需要的先修课程：高等数学、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械制造装备设计、计算机编程语言。 本门课程要利用高等数学中有关偏导数、函数、极值、线性代数和矩阵等知识来
构建优化的方法；利用力学、机械设计和机械制造等方面的专业知识将工程问题转化成规范的优化设计数学模型，并利用计算机编程语言将优化方法和数学模型转化成可以执行的计算机程序，从而得到优化问题的解。因此，它既区别于基础的数学、力学课程和计算机编程语言课，又不同于机械设计和机械制造等机械专业课程，是利用数学方法和编程语言来解决机械工程设计问题的综合性课程。需要培养学生综合应用各选修课程知识解决工程设计问题的能力。 四、课程的重点和难点 本课程的重点内容：机械优化设计的基本概念、一维搜索优化方法、基本的无约束优化方法和约束优化方法。 本课程的次重点内容：机械优化数学模型建立方法和原则、优化设计的数学基础、线性规划方法、多目标和离散变量的优化方法。 本课程的的难点内容：约束优化方法、优化方法在机械工程设计中的实际应用。 Ⅱ考核目标 本大纲在考核目标中，按照识记、领会和应用三个层次规定其应达到的能力层次要求。三个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。各能力层次的含义是： 识记（Ⅰ）：要求考生能够识别和记忆本课程中有关优化设计数学模型和各种基本优化方法基本概念、基本原理、算法特点、算法步骤等主要内容并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。 领会（Ⅱ）：要求考生能够领悟和理解本课程中有关优化问题数学建模、求解及各种基本优化方法的概念及原理的内涵及外延，理解各种优化方法的数学基础和求解步骤的确切含义，掌握每种方法的适用条件和优化参数选用原则；理解相关知识的区别和联系，做出正确的判断、解释和说明。 应用（Ⅲ）：要求考生能够根据所学的方法，对简单的优化问题求解，得出正确的结论或做出正确的判断。能够针对具体、实际的工程情况发现问题，并能探究解决问题的方法，建立合理的数学模型，用所学的优化方法进行求解，并学会编程或利用现有优化软件求解优化问题。 Ⅲ课程内容与考核要求 绪论 一、学习目的与要求 了解机械优化设计的特点、发展概况以及本课程的主要内容。 二、课程内容 传统设计和优化设计的特点和区别，机械优化设计发展概况及本课程的主要内容。 三、考核知识点与考核要求 1. 传统设计和优化设计 识记：传统设计特点，传统设计流程； 领会：优化设计特点，现代设计流程。 2. 机械优化设计发展概况
机械优化设计第1阶段练习题
江南大学现代远程教育 第一阶段练习题 考试科目:《机械优化设计》 第一章至第三章 （总分100分） 学习中心（教学点） 批次： 层次： 专业： 学号： 身份证号： 姓名： 得分： 一、单项选择题（本题共5小题，每小题4分，共20分。在每小题列出的四个选项中只有一 个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在横线上。） (1)、对于约束问题 ()()()()22 12221122132min 44 g 10 g 30 g 0 f X x x x X x x X x X x =+-+=--≥=-≥=≥ 根据目标函数等值线和约束曲线，判断() 1[1,1]T X =为 ，()2 51[,]22 T X =为 。 A ．内点；内点 B. 外点；外点 C. 内点；外点 D. 外点；内点 (2)、对于一维搜索，搜索区间为[a ，b]，中间插入两个点a 1、b 1，a 1
(4) 、一维搜索试探方法——黄金分割法比二次插值法的收敛速度 。 A 、慢 B 、快 C 、一样 D 、不确定 (5)、下列关于最常用的一维搜索试探方法——黄金分割法的叙述，错误的是 ，假设要 求在区间[a ，b]插入两点α1、α2，且α1<α2。 A 、其缩短率为0.618 B 、α1=b-λ（b-a ） C 、α1=a+λ（b-a ） D 、在该方法中缩短搜索区间采用的是外推法。 二、填空题(本题共9个空，视难易程度每空3-4分，共30分。) (1)、机械优化设计的一般过程中， 是首要和关键的一步，它是取得正确结果的前提。 (2)、当优化问题是________的情况下，任何局部最优解就是全域最优解。 (3)、应用外推法来确定搜索区间时，最后得到的三点，即为搜索区间的始点、中间点和终点，它们的函数值形成 趋势。 (4)、包含n 个设计变量的优化问题，称为 维优化问题。 (5)、函数 C X B HX X T T ++2 1的梯度为 。 (6)、 、 、 是优化设计问题数学模型的基本要素。 (7)、用黄金分割法求一元函数3610)(2+-=x x x f 的极小点，初始搜索区间]10,10[],[-=b a ，经第一次区间消去后得到的新区间为 。 三、已知实对称矩阵 522251215A ??-?? =-????--?? 判别A 是否正定。（本题共10分。） 四、求二元函数22 121221x 4820f x x x +--+（,x ）=x 在[](0)00T X =处函数变化率最大的方向 和数值。（本题共20分）
(完整版)飞思卡尔智能车光电组技术报告
第十届全国大学生“飞思卡尔”杯华 北赛 智能汽车竞赛 技术报告 目录 目录 (1) 第一章方案设计 (1) 1.1系统总体方案的选定 (1) 1.2系统总体方案的设计 (1) 1.3 小结 (2) 第二章智能汽车机械结构调整与优化 (3) 2.1智能汽车车体机械建模 (3) 2.2 智能汽车传感器的安装 (4) 2.2.1速度传感器的安装 (4) 1
2.2.2 线形CCD的安装 (5) 2.2.3车模倾角传感器 (5) 2.3重心高度调整 (5) 2.3.1 电路板的安装 (6) 2.3.2 电池安放 (6) 2.4 其他机械结构的调整 (6) 2.5 小结 (6) 第三章智能汽车硬件电路设计 (7) 3.1主控板设计 (7) 3.1.1电源管理模块 (7) 3.1.2 电机驱动模块 (8) 3.1.3 接口模块 (9) 3.2智能汽车传感器 (10) 3.2.1 线性CCD传感器 (10) 3.2.2 陀螺仪 (10) 3.2.3 加速度传感器 ...............................................................错误!未定义书签。 3.2.3 编码器 (11) 3.3 键盘，数码管..........................................................................错误!未定义书签。 3.4液晶屏 (12) 3.5 小结 (12) 第四章智能汽车控制软件设计 (13) 4.1线性CCD传感器路径精确识别技术 (13) 4.1.1新型传感器路径识别状态分析 (14)