2008年第一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：基于光电导航的无人驾驶智能车 7
2012年竞赛题目B：激光反射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 理论方案设计与论证 12
0.2.3 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 光学设计常用仿真软件 15
0.4 电子系统的设计 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 系统可靠性设计 20
0.4.5 仿真设计与调试 25
0.5 结构／机械系统设计 26
0.5.1 明确机械系统的技术性能要求和设计约束 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 最终设计 27
参考文献 28
第1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
1.2.3 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
2.3 太阳能聚光系统设计 41
2.3.1 聚光器的选择及使用 42
2.3.2 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 最大功率追踪 45
2.4.3 散热系统设计 46
2.4.4 其他效率提高措施 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 对阴天情况的适应性 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 赛道及障碍物特性分析 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：基于光电导航的无人驾驶智能车 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：激光反射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
6.2.3 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
第1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
1.2.3 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 可行性分析 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
2.2.3 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
3.2.3 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 技术路线及可行性分析 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
4.2.3 技术路线及可行性分析 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：基于光电导航的无人驾驶智能车 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 技术路线及可行性分析 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（优秀理论方案，浙江大学） 167
5.2.1 摘要 167
5.2.2 总体介绍 167
5.2.3 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：激光反射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
6.2.3 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年第一届光电设计竞赛理论方案获奖名单 188
2008年第一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优秀组织奖 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优秀组织奖 193
附录B 第一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