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第二十七届冯如杯优秀项目展示

第三篇

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基于改进帧差法的运动物体操作机械臂

所获奖项：第二十七届冯如杯机械制作类三等奖

项目简介：

本项目研究了一种能够对于三维空间运动物体进行操作的机械手臂。主要利用改进后的三维空间的帧差法实现对一定尺寸范围内任意类别的距离最近的运动物体的实时识别与跟踪。以仿真人的思路辅助安排路径规划和增加识别准确性。

本项目具有广阔应用前景。用户可以在本项目实物基础上根据需要通过改装机械臂末端结构并配合相应程序来实现不同功能。例如，可置于居室、办公室中驱赶蚊虫、保护贵重易碎物品；可用于生产流水线，实现“边运动边加工”的效果；可用于博物馆，预防珍惜物品摔落；当然本项目还可以配合运动员进行类似乒乓球等小范围运动项目的训练。

项目创新点：

在维持体积轻小（m<1kg），能够对在空中地面的任意类别的物体操作的前提下，首先引入kinect相机实时高效采集运动物体三维信息，再利用改进后的三维帧差法，实时识别距离自己最近的运动物体，并辅之以人类经验思维进一步提高操作的精准度和敏捷度。

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基于形状记忆合金的空间机构压紧释放装置

所获奖项：第二十七届冯如杯机械制作类三等奖

项目简介：

锁紧分离功能装置在航空航天工程领域应用广泛，火箭卫星的分离需要大载荷，稳定可靠，响应迅速的锁紧分离装置。

本项目采用涡卷弹簧-分瓣螺母-框架机构实现小驱动力大载荷锁紧，锁紧效果可靠，结构简单，采用形状记忆合金（SMA, Shape Memory Alloy）设计驱动器触发分离装置，触发装置质量相比电磁触发装置有大幅度减小，实现了非火工、柔顺、快速驱动的锁紧分离装置；高效的载荷衰减（8000倍左右）机构可以实现使用小驱动力锁紧并控制释放250千牛载荷的目的；本装置可重复使用，复位操作方便，并具有环境友好性。

项目创新点

（1）本项目采用了涡卷弹簧-分瓣螺母-框架机构。利用涡卷弹簧缠绕产生的摩擦力自锁性质，实现了大的载荷衰减。只需较小的力便可锁紧内部巨大载荷；同时在释放过程中由于涡卷弹簧的缓冲作用，可使装置产生的冲击非常小。只需旋转分瓣螺母便可以使得装置复位，可以重复使用。

（2）本项目利用SMA丝通电加热时产生的巨大回复力进行驱动解锁， SMA丝-压簧-压块-卡销机构锁紧框架，达到锁紧的目的。解锁释放时，对 SMA 丝通电加热使其产生巨大回复力，压簧-压块-卡销机构释放框架，涡卷弹簧-分瓣螺母得到释放，响应迅速，冲击小。

（3）本项目另一创新点在于复位简单易操作。于上端盖施加回复力，使套筒反方向旋转，进而带动涡卷弹簧重新缠绕分瓣螺母。卡销手动回复卡住框架，SMA丝断电冷却伸长，压簧与压块重新固定卡销，完成复位。

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基于zigbee与多机器人相对观测的高精度UWB/SINS组合室内定位系统研究

所获奖项：第二十七届冯如杯信息技术类三等奖

项目简介：

我们此次开创性的提出利用uwb/捷联惯性导航技术，利用惯性导航系统和UWB三点定位系统的相互误差消除，组合成对于任意环境下均可精确定位的定位系统。利用 MEMS 惯性传感器得到的加速度、角加速度、航向角信息，进行步态检测和实时步长确定，实施航位推算。当遇到拐角等角度变化较大的情况时，UWB标签发送定位请求，此时利用接收到的 UWB 定位结果对航位推算结果进行校正，将 UWB定位信息代替航位推算结果作为当前机器人的运动位置信息，同时将 UWB 确定的位置和方向信息赋给航位推算作为初始位置和起始方向。其精度大约在0.5cm左右。

项目创新点：

黄色的圈代表有作业性能或者执行重要任务的异构多机器人，蓝色的圈代表可以实现精准定位的动态基站。我们独立开发的算法，可以解决未知环境下室内定位导航的难题。准确性较好，且成本低。避免激光雷达设备成本高，重量大，导致机器人负载重。又避免使用摄像头采取视觉定位法后图像处理运算量大，导致长期占据CPU，耗费电。

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空气压缩储能热循环系统建模

所获奖项：第二十七届冯如杯自然科学类三等奖

项目简介：

以风力发电和太阳能发电为代表的新能源发电具有间歇性。风力强或者阳光足时发电多，这会对电网产生冲击同时还产生了剩余电量被浪费，在用户侧，其用电也是有峰值和谷值。压缩空气储能系统则提供了一个可行的解决方案。本文的主要研究对象是没有补燃装置的绝热CAES系统，该系统较传统系统减少了燃烧这一环节，用储热回热设备将压缩机出口的空气热能储存下来，用于膨胀机入口前对高压空气进行预热。本文首先对这种绝热压缩系统进行优化，利用理论公式推导拟定其基本的压缩方式，又采用数值模拟的方式比较了几种膨胀方式，探究了不同参数对总效率的影响，最后根据相关数据为工程提供一些效率高且可实行的方案。

项目创新点：

本文以绝热压缩的CAES系统为基础进行优化，该系统的特点是减少了燃烧过程，使整个系统成为单电能输入、电能输出的独立系统，最大化地利用夜晚多余的电量，以空气和换热器里的换热液体为介质储能，在白天用电高峰期时将压力势能和换热液体的热能再次转化为电能输出，零污染零排放，完整地体现CAES系统的优点。接着我们用数值计算的方式模拟不同的压缩级数、膨胀级数、终压的搭配方案，比较其效率，提出针对该模型的合理化建议。

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剩余污泥浓度对污泥厌氧消化产水解液的影响

所获奖项：第二十七届冯如杯自然科学类三等奖

项目简介：

我国污水处理厂剩余污泥年产量极高，剩余污泥若处理不当会导致不良的影响，比如对环境的二次污染和剩余污泥中潜在资源的浪费。厌氧消化的处理方式可有效遏制剩余污泥对环境的危害，同时以污泥厌氧消化水解液为底物采用混合菌种培养方法合成生物可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯(PHA），此方法对降低PHA生产成本，实现剩余污泥的减量和资源化具有重要意义。污泥固体浓度是厌氧消化过程中的重要参数，影响着水解液的多种性能，而水解液性质进一步影响PHA合成效率以及PHA的组成。为此本实验考察了厌氧条件下，不同固体浓度剩余污泥（VS=10,20,30,40和50g/L）高温（55℃）厌氧消化产生的水解液的性能，以获得产污泥水解液的最佳浓度，为实现剩余污泥减量化和资源化提供理论依据。

项目创新点：

1. 采用高温发酵

已有关于固体浓度对污泥厌氧发酵过程影响的研究多关注产气过程，常采用中温发酵条件。本研究针对高温发酵条件速度较快的优势，测定剩余污泥减量以及挥发性脂肪酸的产量，意在充分发挥此优势，在较短的时间内有效地实现污泥的减量化和资源化。此外,本实验首次考察了剩余污泥浓度对污泥厌氧消化产水解液的影响，以污泥的本身性质作为参数变量，并得到了较为详尽的相关结论。

2. 细化不同浓度下污泥水解酸化过程

污泥厌氧消化所产水解液也是一个较为复杂的体系，其中各组分的含量之间存在相互影响，相互表征的关系，本实验引入水解液中溶解性糖和蛋白含量这两个指标，意在通过此指标的变动侧面评价水解液体系的稳定性及VFAs的产量变动。

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振荡浮子式自驱动海面垃圾收集器

所获奖项：第二十七届冯如杯自然科学类三等奖

项目简介：

该设备用于解决目前海上垃圾打捞设备低效率、低安全系数问题。它基于振荡浮子发电和太阳能光电转换作为动力，机电一体化。其结构简单、能源无害而转换效率相对较高。一般的浮子式波浪能发电装置由一个漂浮于海面的浮子在波浪下受波浪力的作用运动而产生能量。除了振荡浮子利用波浪能发电之外，创新点还在于机电一体化中的结构设计。基本结构包括发电动力装置、收集容器，铲斗等。收集器依靠发电系统提供动力前进时,将垃圾收集铲放入水中,漂浮垃圾流入铲内，铲斗翻转提起至一定角度，铲内垃圾靠自重倒入垃圾收集容器内。

项目创新点：

1. 自驱海上前进和收集漂浮垃圾，达到保护环境和节约能源双重效果。

2. 利用振动浮子将波浪能转换为装置可使用的电能动力，将其用于垃圾收集装置可以说合理利用了海洋本身去保护海洋。

3. 利用太阳能发电增加动力，装置双动力来源，使自驱动更易实现。

4.外形设计由动力装置和收集装置两大部分组成，合理精巧的设计使装置更适应海上工作。

能源与动力工程学院，第二十七届冯如杯作品展示到此结束！

5月24日

以上就是本届冯如杯一些有代表性的优秀作品，希望这些同学再接再厉，期待你们明年拿出更好的作品。也希望其他同学向这些同学学习，在下一届的冯如杯舞台上看到更多人的身影！