游园导盲小车

北京市中国人民大学附属中学

作者：荣之昊

辅导教师：陶建华  范克科

项目简介

该项目为解决盲人在公园游园的导盲问题。项目形成了在平坦道路的环境下的游园导盲小车的总体设计方案；完成了控制硬件电路的模块组成设计，制定了导盲小车的控制策略；编写出导盲路径学习记忆、导盲时的最短路径及散步时的最优巡回路径规划、障碍检测与语音提示软件，在劳动人民文化宫进行了实地应用测试，证明所研究制作的游园导盲小车满足盲人游园引导的基本要求。

这个课题灵感产生于一次去盲童学校的自愿者活动，盲童都希望去公园玩，如公园提供一个导盲装置就能实现盲童们的愿望。在导师的指导下，先查阅相关资料，学习相关的知识，利用实验室已有的小车底盘，构建导盲小车模块结构。在淘宝购采购机电模块并组装，完成了模块间及单片机的算法和软件。

游园导盲小车，长33厘米、宽26厘米、高27厘米，重2550克，速度15-35厘米/秒，电池使用时间3小时，制作硬件成本1857元。在公园使用时，首先由公园工作人员的操控下进行游园路径的学习。导盲小车在开机后电子罗盘自动找到北方，以北方为正方向（参考方向）。之后，语音提示“选择工作模式”：在学习路径模式中，GPS确定当前所在的位置，电子罗盘检测其前进方位，码盘测其轮转圈数，到达指定地点后，将信息加以存储；在导盲工作模式中，小车会按照学习模式中走过的路径，采用floyd和Edmonds算法进行规划，在前进的过程中不断发射超声波探测障碍物，当探测到前方有障碍物时停下来，并发出语音提示。

创新点：利用低成本的研制实现了游园导盲小车的基本要求；将导盲路径学习记忆及规划集成一体，实现了游园导盲小车在公园快速部署和响应；采用适时调整整定PI控制中的KP及KI、修正的转速脉冲数的方式，补偿两侧电机传动特性的差异；提出两种实用的游览导盲工作模式，采用不同的最短路径规划算法和两种最优巡回路径规划算法，使得算法具有较强的针对性和简洁性。系统在环境随机磁干扰问题及定位精度上还有待提高。

工程助力穿线机

内蒙古自治区锡林郭勒职业教育中心

作者：吴朕国

辅导教师：安智勇  崔颖斌

项目简介

今年暑假，为了减轻家里的负担，我在工地跟从师傅干起了电工活，给新楼房穿线。刚开始进行时，师傅告诉我，给楼房穿线首先要把钢丝从线盒的一端穿到另一端的线盒，直到看见细钢丝出来。这时，把三根异色导线用钢丝钳牢固的捆住，随后一人从这一端顺着管子往里顺线另一人在另一端使劲拉钢丝绳。过程就是这样的，感觉穿完一根线很累，又很慢。通过这件事我对人工穿线产生了兴趣，于是我又对穿线的过程进行了全面的观察和仔细的思考，能否制作一件简单的设备解决楼房穿线中的费时，费力问题，于是经过详细的调查，仔细的论证，反复的演示，想出工程助力穿线机。利用电动机做源动力经过传送装置将钢丝送入和拽出管道内，并且通过无线遥控装置控制机器的拽线，这样就可以通过这台机器一个人来完成这项工作。通过计算，机器采用了一台50W220V的小功率交流电机，动力传动采用传动比为1∶5锥形齿轮，锥形齿轮与主动线轮同轴，线轮直径2cm，计算得出钢丝绳每秒钟传动21.3cm，属于安全速度之内。按下送丝按钮，电机正转，钢丝通过前方导向管送入线管。按下拽线按钮，点机反转，钢丝顺着导管收回。自行设计的拽丝限位开关可以在电线拽到合适的位置时自动切断电源，并进行声音提示，整个过程拽线速度均匀，能够起到保护电线的作用。

该项目应用了物理知识、数学知识、以及机械加工技术，电气自动化技术等原理，通过逆向思维和逻辑推理、类比、联想、组合及搜索查新等发明技法自制而成。

这个项目解决了工程中穿线既费时又费力至少需要两人配合等问题，同时自主研发了，走丝限位开关、四面结构支撑挂线头、以及遥控脚踏板等。助力穿线机很大程度的节约了人力、提高了效率。实用性能较强用途范围较广。使用操作简单、方便，成本造价低廉。建议由专门的厂家和生产机构，按规规格和相关的配套设备进行加工生产，低价格投放市场，满足社会发展需求，将新一代的科技产品应用到生活当中。

提高光电转换效率—太阳能电池板追踪与除尘装置的设计

河北省保定市第一中学

作者：苏安阁

辅导教师：杨景发  陈志英  何朝莉

项目简介

世界能源危机、立杆顶部“不动、倾斜的”电池板；电池板难耐“风沙洗礼”、高空人工擦拭的危险、高压水流冲刷的水浪费……让我对“能源危机—太阳能—太阳能发电—光电转化效率……”产生了极大关注，开展了本课题研究。

研究目的：综合不同地区/季节地球绕日运行规律，利用反射聚光、纳米TiO2自洁、步进电机控制和高压风流等技术，确定本地区绕日运行轨迹参数，设计追踪和除尘装置，实现“平行于地轴的定时定角度单轴追踪”和电池板的“主动自洁”和“高压风力除尘”，提高电池板光电转换效率。

研究过程：理论研究—掌握太阳能光伏发电、电池板光照特性、电池板倾角选择、纳米TiO2超亲水性和催化降解等原理；设计研究—确定反光铝板倾角，设计聚光模块；实验验证追踪效果；计算模拟描绘保定地区地球绕日运行轨迹，确定电池板安装“仰俯角”和“日步进角度”；完成“追踪”控制硬软件设计，制作电池板“追踪装置”和“专用调角盘”，实现平行于地轴“定点定角度单轴追踪”；进行TiO₂超亲水性和涂覆厚度与透射率影响实验，实现电池板“主动自洁”；利用fluent软件模拟、设计气体喷管，实现电池板高压风力“被动除尘”，提高采光效率。

创新点：1)通过实验/计算模拟，得到保定地区绕日运行规律数据，确定了电池板安装“仰俯角”和“日步进角度”；2)利用单片机、步进电机、齿轮、轴承等部件，设计了“旋转轴”平行于“地轴”，电池板的安装倾角可调的“单轴追踪装置”和“电池板专用安装调角盘；3)电池板表面喷涂纳米TiO₂，实现电池板的“主动自洁”；4)利用UG软件进行定风力下的“除尘风场”的模拟，设计“气体喷管”，实现电池板“定时点高压风力被动除尘”。

本装置结构简单、对太阳能利用效率高、适用性强，在太阳能路灯、景观灯、太阳能电站等光伏产业应用，具有环境、社会和经济效益。优化双轴追踪设计和阵列式电池板除尘，将是进一步要开展工作。

基于磁阻法的在线钢筋无损检测技术的研究

湖北省华中师范大学第一附属中学

作者：李悦珂  姜怿森  刘超

辅导教师：万新华

项目简介

2008年大雪灾，出现大面积电力电信混凝土电杆折断，贵州某电网公司在近几年“农网改造”架设的新线杆折断率高达90%。据报道，折断的混凝土电杆里，钢筋没有筷子粗，甚至有用竹签代替或干脆没有钢筋！劣质混凝土电杆在全国各地屡见不鲜，电力电信网络中严重的“杆脆脆”问题已危害到国家安全。针对在线使用的混凝土电杆钢筋质量的检测技术，对于国民经济和公共安全有着重要的意义和应用价值。充分分析国内外相关检测技术现状，未见直接用于混凝土电杆内部钢筋直径、数量、位置等状况的在线无损检测技术。采用磁阻法，在电杆的表面建立磁源组，与混凝土电杆中钢筋形成回磁通道，选用霍尔传感器作为测磁元件，搭建混凝土电杆钢筋检测的回磁通检测模型，得到钢筋的横截面积减少量与回磁通的减少量呈正比，测量系统中的回磁通可推断混凝土电杆中钢筋的周向和轴向位置，进而可检测钢筋的数量和质量。实体模型检测结果：对8mm钢筋定位准确率达85．7%，对5mm钢筋定位准确率达83．3%；其中8mm钢筋产生的信号是5mm钢筋的2.23-3.33倍；磁场信号的极大值位置与钢筋的位置存在一一对应关系。因此，可以依据混凝土电杆中在线钢筋的不同数量、不同直径及不同分布情况下的电磁变化特征，直观且方便地鉴定混凝土电杆的质量。

创新地运用霍尔元件作为测磁传感元件，设计出具有“聚磁”功能的励磁传感器和旋转测试的定位测量装置；创建了一种弧度渐开线的钻孔法和科学实用的分组命名规则，能很好模拟混凝土电杆中钢筋分布的真实状态。

技术系统具有构成简单，检测操作容易，检测效率高，以及节能环保等特点，为电力电信等混凝土电杆中的钢筋质量提供一项在线无损检测新技术。

下一步可以设计沿电杆升降的传动装置，并将软件移植到智能手机平台。

李悦珂负责总体设计方案、实验数据分析、研究报告以及查新报告的撰写，姜怿森负责励磁器与传感器等电磁部分，刘超负责实验系统的机械与传动部分。