正版新书]全国大学生光电设计竞赛赛题及作品解析(2008-2012)全

刘旭
中国光学学会副理事长
全国大学生光电竞赛竞赛委员会副主任
2014年6月于杭州
前言
2008年届光电设计竞赛任务书1
竞赛主题：光与能源1
2008年竞赛题目A：太阳能动力赛车1
2008年竞赛题目B：太阳能驱动的电光源2
2010年第二届光电设计竞赛任务书4
竞赛主题：光与生活4
2010年竞赛题目A：基于太阳能的光电导航搬运车4
2010年竞赛题目B：光电智能导盲器5
2012年第三届光电设计竞赛任务书7
竞赛主题：光与信息7
2012年竞赛题目A：基于光电导航的驾驶智能车7
2012年竞赛题目B：激光反法音频声源定位与语音内容解析8
Ⅰ篇赛题解析11
第0章 光电系统设计概述11
0.1 光电系统组成与分类11
0.2 光电设计竞赛的步骤12
0.2.1 审题12
0.2.2 理论方案设计与论12
0.. 实物制作与组装调测13
0.2.4 实物竞赛和答辩13
0.2.5 竞赛总结报告13
0.3 光学系统的设计14
0.3.1 光学系统的设计过程14
0.3.2 光学设计常用软件15
0.4 系统的设计16
0.4.1 模拟电路设计17
0.4.2 数字电路设计18
0.4.3 单片机系统设计18
0.4.4 系统可靠设计20
0.4.5 设计与调试25
0.5 结构/机械系统设计26
0.5.1 明确机械系统的技术能要求和设计约束26
0.5.2 机械系统的结构方案设计27
0.5.3 机械零部件设计27
0.5.4 设计27
参考文献28
章 2008年A题：太阳能动力赛车29
1.1 题目分析与总体设计29
1.1.1 题目分析29
1.1.2 总体设计30
1.1.3 设计要点30
1.2 太阳能动力系统设计31
1.2.1 太阳电池的种类与特点31
1.2.2 太阳电池的选择及使用32
1.. 能效计算与能量分配33
1.2.4 作为可选项的聚光系统设计33
1.3 赛车控制系统设计34
1.3.1 电源管理模块34
1.3.2 电动机选择与驱动方式34
1.3.3 光电导航方式36
1.3.4 单片机控制电路37
1.4 赛车车体结构设计38
1.4.1 赛车车型设计38
1.4.2 赛车重心位置的确定及调整38
1.5 实物制作与组装测试38
1.5.1 材料与器件38
1.5.2 组装与测试方案39
1.5.3 电动机齿轮传动的调整39
第2章 2008年B题：太阳能驱动的电光源40
2.1 题目分析40
2.2 方案探讨40
. 太阳能聚光系统设计41
..1 聚光器的选择及使用42
..2 追光系统的设计43
2.4 光电转换系统设计45
2.4.1 太阳电池的选择及使用45
2.4.2 功率追踪45
2.4.3 散热系统设计46
2.4.4 效率提高措施46
2.5 电光转换系统设计46
2.5.1 选择合适的电光源46
2.5.2 电光源的驱动电路47
2.5.3 提高电光转换效率的方法48
2.5.4 控制系统硬件设计49
2.6 测量系统50
参考文献50
第3章 2010年A题：基于太阳能的光电导航搬运车51
3.1 题目分析51
3.1.1 知识背景51
3.1.2 技术重点与难点51
3.2 总体设计方案52
3.3 能源系统52
3.3.1 提高输出功率的方法52
3.3.2 对阴天情况的适应53
3.4 控制系统54
3.5 避障与导航系统54
3.5.1 导航方式54
3.5.2 导航方案举例55
3.6 机械系统57
3.6.1 小车驱动方式57
3.6.2 驱动电动机选择59
3.7 实物测试60
第4章 2010年B题：光电智能导盲器61
4.1 题目分析61
4.1.1 知识背景61
4.1.2 技术难点62
4.2 总体设计方案62
4.3 障碍物探测系统62
4.3.1 红外测距63
4.3.2 图像探测识别63
4.3.3 激光雷达测距65
4.4 赛道及障碍物特分析65
4.5 人机交互方式的设定66
4.6 主控模块：智能仪器的大脑67
4.7 实物测试67
4.8 小结68
第5章 2012年A题：基于光电导航的驾驶智能车69
5.1 题目分析69
5.1.1 背景知识69
5.1.2 技术难点69
5.2 总体设计方案69
5.3 控制系统70
5.4 导航系统71
5.4.1 探测器71
5.4.2 直行导航72
5.4.3 转弯导航73
5.4.4 入库导航74
5.4.5 导航方案举例75
5.5 机械系统77
5.5.1 智能车驱动方式77
5.5.2 小车各模块的位置分布77
5.6 实物测试77
第6章 2012年B题：激光反法音频声源定位与语音内容解析78
6.1 题目分析78
6.1.1 背景知识78
6.1.2 技术难点79
6.2 总体方案设计79
6.2.1 技术难点及解决方案80
6.2.2 检测模块设计84
6.. 音频处理平台与处理方法86
6.3 系统总体结构89
Ⅱ篇作品解析90
章 2008年A题：太阳能动力赛车90
作品1 (实物竞赛二等奖，浙江大学)90
1.1.0 引言90
1.1.1 聚光系统90
1.1.2 电路系统95
1.1.3 机械装置96
1.1.4 测试与改进98
1.1.5 自我总结99
参考文献99
作品2(获奖理论方案，实物竞赛三等奖，北京理工大学)99
1.2.0 前言99
1.2.1 太阳电池调研及太阳能稳压电路99
1.2.2 三角底架的车型设计100
1.. 三级齿轮传动系统101
1.2.4 聚光系统的方案设计102
1.2.5 自动导航设计103
1.2.6 自我总结与专家点评104
第2章 2008年B题：太阳能驱动的电光源106
作品1(获奖理论方案，实物竞赛一等奖，华中科技大学)106
2.1.0 前言106
2.1.1 总体设计方案107
2.1.2 太阳能聚光器108
2.1.3 光电转化部分111
2.1.4 电光转化部分113
2.1.5 可行分析115
2.1.6 自我总结与专家点评115
参考文献116
作品2(获奖理论方案，浙江大学)116
2.2.1 设计要求(略)116
2.2.2 对系统各部分的技术要求116
2.. 方案分析117
2.2.4 整体方案细化分析124
2.2.5 结论127
2.2.6 专家点评127
第3章 2010年A题：基于太阳能的光电导航搬运车129
作品1(获奖理论方案，实物竞赛一等奖，华中科技大学)129
3.1.1 研究内容129
3.1.2 研究方案130
3.1.3 实物测试结果与分析135
3.1.4 特色与创新点136
3.1.5 存在的问题和改进方法138
作品2(实物竞赛二等奖，国防科技大学)139
3.2.1 研究内容139
3.2.2 研究方案139
3.. 系统实现141
3.2.4 智能车参数146
3.2.5 解决的关键问题和创新点146
第4章 2010年B题：光电智能导盲器147
作品1 (实物竞赛二等奖，长春理工大学)147
4.1.0 引言147
4.1.1 研究方案147
4.1.2 技术路线及可行分析152
4.1.3 特色与创新点152
作品2(获奖理论方案，实物竞赛优胜奖，浙江大学)153
4.2.0 引言153
4.2.1 研究方案153
4.2.2 导盲信号处理流程154
4.. 技术路线及可行分析155
4.2.4 主要功能模块设计155
4.2.5 特色与难点160
第5章 2012年A题：基于光电导航的驾驶智能车161
作品1(实物竞赛一等奖，长春理工大学)161
5.1.1 研究内容161
5.1.2 研究方案161
5.1.3 技术路线及可行分析166
5.1.4 拟解决的关键问题167
5.1.5 特色与创新点167
作品2(理论方案，浙江大学)167
5.2.1 摘要167
5.2.2 总体介绍167
5.. 理论方案168
5.2.4 软件设计思路168
5.2.5 实物制作与组装调试171
5.2.6 赛后总结174
第6章 2012年B题：激光反法音频声源定位与语音内容解析175
作品1(实物竞赛一等奖，长沙学院)175
6.1.1 研究内容175
6.1.2 研究方案与技术路线175
6.1.3 结论178
6.1.4 特色与创新点178
作品2(一等奖，国防科学与技术大学)178
6.2.1 方案简介178
6.2.2 技术路线179
6.. 特色与创新点187
附录188
附录A全国大学生光电设计竞赛评奖结果(2008—2012)188
2008年届光电设计竞赛理论方案获奖名单188
2008年届光电设计竞赛实物竞赛获奖名单188
2010年第二届光电设计竞赛理论方案获奖名单189
2010年第二届光电设计竞赛实物竞赛获奖名单190
2010年第二届光电设计竞赛组织奖190
2012年第三届光电设计竞赛理论方案获奖名单191
2012年第三届光电设计竞赛实物竞赛获奖名单192
2012年第三届光电设计竞赛组织奖193
附录B届至第三届全国大学生光电设计竞赛竞赛、组织委员会及命题专家名单193
跋200