挑战杯-科技发明类-全国特等奖作品汇编

　 轮履两用救援灭火小车

　来源：

　第十二届 “ 挑战杯 ” 作品

　小类：

　机械与控制

　大类：

　科技发明制作 A A 类

　简介：

　轮履两用救援灭火小车，用于现场有毒、易燃、易爆、高温、高辐射等工业危险环境。

　电力驱动，节能环保；轮履两用，全地形通过能力强；网络化智能控制，灭火效率高，克服了现有设备机身沉重、机动能力差、适应环境差等弱点。针对不同的灾难特点及救援要求，依托该小车底盘装备不同的设备可执行多种救援任务。

　详细介绍：

　继日本地震及福岛核泄漏之后，各种安全事故越来越多，如何安全且快速有效地开展各种救援工作成为社会关注的话题。但现代主要消防设备比较沉重，机动能力较差且在易爆、有毒、高温、高辐射等危险环境下的适应能力较差，对救援人员的人身安全不能提供有效的保障。虽然现有较成熟的消防及救援机器人，但多为内燃机驱动，价格昂贵、体积庞大、结构复杂、功能比较单一且控制系统的遥控范围、控制精度远远不能满足救援要求。

　为了弥补当前救援设备的主要缺点，特设计了一种轮履两用救援灭火小车。在火灾时，以小车为载体带动消防炮进入

　火场进行灭火；在发生灾害时，小车可以充当探测工具，深入危险环境进行探测。该小车的主体设计为消防炮、车架、行走系统、探测灭火系统和控制及保护系统五部分，并采用电力驱动。行走系统由履带行走系统、轮式行走系统和轮履转换系统组成，实现了轮履两用、相互转换，具有全地形通过能力；探测灭火系统由探测系统和消防炮驱动系统组成，用以实现对火场内部情况的探测及消防炮的相关动作，如通过温度传感器、红外成像仪等将现场情况传输给控制系统，驱动消防炮对准着火点高效灭火；控制系统实现了网络化智能控制，用手机、电脑、控制器等设备远距离无线控制各电机、制动器、离合器的运动，精确实现小车的各项运动；保护系统设有水幕保护装臵，保证小车在火场的安全。针对不同的灾难特点及救援要求，依托该小车底盘装备不同的设备可执行多种救援任务。

　小车结构简单、价格便宜、绿色环保、智能控制，能很好地满足消防救灾及环境探测的需要，应用前景广泛。

　作品图片 

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　作品专业信息 设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标 ：

　目的：随着石化和核电等工业的高速发展，其防火防灾形势异常严峻。消防炮是关键的辅助消防设备，目前，对于地形复杂、高危环境的灭火，仍靠消防队员先将消防炮搬到接近火场处，再实施手工操作灭火。为了提高有毒、易爆、高温、高辐射环境下的灭火及救援效率，保障消防队员和被救人员的安全，特设计轮履两用消防小车。基本思路：作品采用电力驱动，同内燃机模式比较，绿色环保，且成本低；有轮式和履带两套独立的行走系统，根据不同地形，可采用不同的行进方式，实现了全地形通过能力；两侧履带分别采用两台电机独立驱动，增加了小车的机动性。在控制方面采用网络化智能控制，实现了远距离无线遥控。小车装有消防炮、温度传感器、红外成像仪等设备用于危险环境的消防灭火、环境探测等，增设的水幕装臵，保护小车在火场的安全。作品力求实用性更强，造价低，维护便捷。创新点：1）小车实现轮履两用，轮履有机结合相互转换，具全地形通过能力。

　2）通过红外成像仪将现场情况传输给控制系统，驱动消防炮对准着火点，进行高效灭火。

　3）小车实现了网络化智能控制。技术关键：作品的网络智能控制系统、机械传动系统的设计及其整车的技术集成。技术指标：体积（长×宽×高）1600mm×1300mm×900mm、重量250kg、遥控距离空旷 10km，复杂环境 2km、牵引力 1500N、转弯半径 0.6m、履带行驶速度0.5m/s、轮式行驶速度5m/s、消防炮旋转角度-75°～+75°、炮筒俯仰角度 15°～75°、消防炮俯仰/旋转速度可调节。

　科学性、先进性 ：

　针对目前消防炮使用中的安全隐患，提出并设计了一种新型智能化的远程遥控、电力驱动的轮履两用救援灭火小车，完成了作品制造。在消防队进行的现场测试结果表明，在保障人员安全的前提，该小车能满足消防炮特定场合灭火的各项要求。

　该作品有机地集成了机械、控制和信息等学科的相关技术,具有以下优势：远程遥控，安全性高；轮履两用，通过性强；网络化智能控制，灭火效率高；电力驱动，节能环保；结构简单，成本低。

　针对不同灾难的救援要求，依托该小车的底盘，可执行多种救援任务。参考文献 [1]丁哲勇.四轮消防灭火机器人总体设计[D].上海交通大学:上海交通大学,2005 [2]曹庆峰、李琪、王立志、仪维、秦峰.智能消防机器人的研究与开发[J].机电一体化,2008:14(9):43-46 [3]李海涛，王敏，史凌斌等．消防机器人的发展和应用前景[J]．中国公共安全（综合版），2007，(1)：161-164 获奖情况及鉴定结果 ：

　荣获 2011 年 6 月湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品赛特等奖 作品所处阶段 ：

　实验室阶段 技术转让方式 ：

　无

　作品可展示的形式 ：

　实物、产品 、图纸 磁盘 、现场演示 、图片 使用说明, , 技术特点和优势, , 适应范围, , 推广前景的技术性说明, , 市场分析, , 经济效益预测

　在执行灭火过程中，首先为消防炮连接水带，启动小车控制系统，操纵小车到达预定地点，进行环境探测，实施智能灭火，并随时优化小车位臵。在面对其它灾害时，可卸下消防炮，安装特种装备或仪器，将小车作为探测工具深入危险环境中，收集信息或进行救援。

　该小车具有全地形通过能力，可快速到达指定地点实现智能救援灭火，代替消防队员的近距离操作，有效保障队员们生命安全、提高灭火效率。针对不同灾难的特点及救援要求，依托小车底盘，可装备不同的设备，执行多种救援任务。

　现有较成熟的消防机器人，多为内燃机驱动，仅装备轮式或履带行走系统，体积庞大、结构复杂、价格昂贵。本作品消除了当前消防炮使用过程中的安全隐患,其轮式和履带两套行走系统能实现长距离、全地形的快速行进，其探测和网络化智能控制系统实现了远距离无线遥控定点灭火。与国内外同内作品相比，实用性强、绿色环保、用途广泛、结构简单、价格便宜、维护成本低的优势，能更好地满足消防救灾的需要，具有良好的推广价值和市场应用前景。

　同类课题研究水平概述 ：

　如今工业建设飞快发展，消防部队面对的火灾和应急救援形势相当复杂，尤其是在高温、有毒、易燃、易爆等特定复杂环境中，为切实增强消

　防部队扑救大火的能力，也为更好地保护广大官兵的生命安全，开发智能化的消防机器人已势在必行。国内外相关的研发工作相当广泛深入。

　美国和前苏联较早开展消防机器人研究，稍后英、法、德、日等国也纷纷研究该类技术，目前已有多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。国际上对消防机器人的研究可分为三个阶段(三代)：第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化消防机器人。目前，工业发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型的第一代、第三代（低级）消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人。一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，作为经济发展的一个重要保证手段。消防机器人能代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理、反馈，有效地解决了消防人员在上述场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题。

　自 20世纪 80 年代末开始，我国消防部队装备研究单位公安部上海消防科学研究所，在公安部的支持下曾多次对作为灭火消防机器人重要组成部分的远控消防炮系统及相应的研究试验技术进行了立项研究，重点解决远控消防炮系统在油码头等场合的工程应用问题，目前该成果已成功地应用于我国众多的油码头、油罐区和飞机维修库等场合，相关产品在国内占据了 80%以上的市场份额，产品和工程应用技术已经比较成熟，为我国消防机器人的研究奠定了良好的基础。

　现在的消防机器人多采用内燃机提供动力，仅装备轮式或履带行走系统，传动系统为液压系统，虽性能可靠，但价格昂贵、体积庞大、结构复杂。这些问题都限制了消防机器人在抗灾救险中的大规模应用。

　轮履两用救援灭火小车采用电力驱动，可以实现轮式行

　走与履带行走两种行进方式，通过远程遥控控制小车进入火灾现场，通过摄像头探测火场内部情况，控制车载的消防炮进行准确的灭火救灾作业，从而尽可能地保证消防人员的人身安全，同时显著提高了救援灭火效率。小车结构简单、机动性强、价格便宜、绿色环保，能更好地满足消防救灾的需要，应用前景广泛。

　深海复合轮式行走机构的设计与研究 来源：

　第十二届 “ 挑战杯 ” 作品

　小类：

　机械与控制

　大类：

　科技发明制作 A A 类

　简介：

　深海复合轮式行走机构是一款全新的、兼有主被动混合越障模式的深海行走机构。该行走机构主要包括复合轮组机构、铰接式密封抗压型整体罐式车架、行驶机构、动力系统、传动系统、液压系统、控制系统，其相关技术涉及机械、计算机、信息、控制、新材料、通讯等多个学科及领域。复合轮式行走机构的巧妙的设计弥补了传统普通轮式行走机构越障能力弱的弊端，使得该行走机构具有良好的深海复杂地形自适应能力和很强的主动越障能力。

　详细介绍：

　深海富钴结壳和金属热硫化物资源将成为本世纪的新兴产业。为了在深海领域占据有利地位，世界各国纷纷致力于深海技术的研发，海洋已经成为继月球、火星之后世界范围内又一争夺热点。目前，深海技术研发的热点集中在适应其赋存状态的行走技术方面。国内外学者研究的行走方式主要有履带式、轮式、腿式和轮腿式。基于运动的灵活性，并考虑到功耗和控制的复杂性，多数行走机构采用轮式结构。但目前大多数轮式行走机构在复杂地形和松软底质上的移动能力和越障能力还较差，一般只能越过高度小于轮胎半径的垂直障碍，跨过宽度小于轮胎直径的壕沟。

　针对目前国内外轮式行走机构存在的弊端，作者提出了一款全新的、具有主被动混合越障模式的深海复合轮式行走机构。该行走机构主要包括复合轮组机构、铰接式密封抗压型整体罐式车架、行驶机构、动力系统、传动系统、液压系统和控制系统，其设计涉及机械、计算机、信息、控制、新材料、通讯等多个学科及领域，各总成匹配协同优化设计，使得该行走机构不仅能被动的自适应一般的深海地形环境，

　还能采用主动控制的方式越过高于轮胎半径的台阶，跨过大于轮胎直径的壕沟等特殊复杂地形。整个行走机构具有自适应能力强、越障避障性能高、体积小、重量轻、功耗低、承压能力大、运动灵活、安全可靠等优点。

　作品图片 

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　作品专业信息 设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标: :

　（1）研究目的：研制一款全新的、具有主被动混合越障模式的深海复合轮式行走机构。（2）基本思路：a.深海非结构底质力学特性分析与实验室模拟；b.行走机构的总体设计；c.行走机构通过性能分析；d.行走机构运动学建模分析；e.行走机构虚拟样机仿真研究；f.行走机构原理样机试验研究；（3）本设计具有以下创新性设计：

　a.复合轮组的主、被动控制设计 不仅能被动自适应一般深海地形环境，还能采用主动控制方式越过高于轮胎半径的台阶，跨过大于轮胎直径的壕沟等特殊地形； b.复合轮组几何结

　构设计 使得各个轮胎的轴荷能够平均分配到各个轮胎； c.传动系统的复合设计 采用多级复合链轮的链条传动，使该机构拥有 12x12 的全驱动能力,有较大的接地比压； d.铰接式密封抗压型整体罐式车架设计 既可承压又使得运动高效灵活，提高越障和避障的稳定性； e.压力补偿技术 实现了水下液压系统与常规液压系统在设计方法上的统一。（4）技术关键：a.在满足任务要求和实现功能的基础上，减小体积、质量和功耗；b.增强越障性能；c.提高运动稳定性;d.增强深海自身防护能力；e.自主导航与路径规划技术；f.避障能力；g.多传感器信息融合、信号及数据压缩、传输与恢复；h.深海压力补偿技术等等。（5）主要技术指标：a.行驶速度在0.1-0.8m/s；b.通过高于轮胎半径的垂直障碍；c.爬 30°坡；e.跨越大于轮胎直径的壕沟；f.可搭载载荷 2t；g.最大包络尺寸4200mm/2000mm/1500mm。

　科学性、先进性: :

　目前，国、内外传统轮式行走机构在复杂地形和松软底质上的移动能力和越障能力较差，一般只能越过高度小于轮胎半径的垂直障碍，跨过宽度小于轮胎直径的壕沟。

　新型深海复合轮式行走机构由四套复合轮组机构和铰接式密封抗压型整体罐式车架连接组成。与现有轮式设计技术相比，复合轮组机构既兼有传统轮式行走机构的特点，又具备智能性很强的主动控制高越障性能。三个车轮 W1、W2、W3 在油缸 1 和油缸 2 的伸缩辅助作用下可实现一定程度的空间结构变化，从而使整个机构兼有主、被动混合越障模式。主动模式下可以越过高于轮胎半径的垂直障碍，跨过大于轮胎直径的壕沟；被动模式下，可以爬 30°坡，自适应普通海底底质

　环境行驶等等。其相关技术涉及机械、计算机、信息、控制、新材料、通讯等多个学科及领域，新型复合轮式行走机构在设计上解决了传统轮式行走机构设计上存在的越障能力差的弊端。

　获奖情况及鉴定结果: :

　1.2010 年 12 月获学校“摇篮杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖； 2.2011 年获省级“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖； 作品所处阶段: :

　中试阶段 技术转让方式: :

　合作开发 作品可展示的形式: :

　■实物、产品 ■模型 ■图纸 ■磁盘 ■图片 ■录像 ■样品 使用说明, , 技术特点和优势, , 适应范围, , 推广前景的技术性说明, , 市场分析, , 经济效益预测: :

　目前大多数轮式行走机构在复杂地形和松软底质上的移动能力和越障能力还较差，一般只能越过高度小于轮胎半径的垂直障碍，跨过宽度小于轮胎直径的壕沟。该新型深海复合轮式行走机构的创新性设计弥补了传统轮式行走机构越障能力相对较差的弊端，不仅可以越过高度大于轮胎半径的垂直障碍，还可以跨过宽度大于轮胎直径的壕沟等各种深海复杂地形。先进的深海补偿技术和铰接式密封抗压型整体罐式车架相结合，既可深海

　承压又使得运动高效灵活，提高越障和避障的稳定性。

　深海复合轮式行走机构的设计研究对发展我国的深海技术，开发深海富钴结壳及热液硫化物资源具有极为重要的战略意义。其相关技术涉及机械、计算机、信息、控制、新材料、通讯等多个学科及领域，对推动相关学科协同发展和技术创新具有重大意义。该机构的设计应用不仅为深海采矿车的研究及开发提供理论参考和技术支持，同时，在航天科考、救灾排险、军事侦察、矿业林业、助残等方面均具有巨大应用前景，因而具有重要的学术意义和工程应用价值。

　同类课题研究水平概述: :

　目前，国内外适应各种地形的行走方式主要有轮式、履带式、腿足式以及混合式，它们各具不同的地形运动特性：

　1.轮式行走方式的特点是效率高、灵活性高，与悬挂、轮胎形式的设计结合，可以得到较高的通过性能和抗侧翻的能力。各国的月球车方案均首推轮式设计，且在军用领域轮式方案已经逐渐成为各国战场运输的主力平台，轮式装甲车造价和维修费用低，由于驱动方式和悬挂形式的改进，其通过性能、稳定性能已经不逊于履带式装甲车。

　2.履带行走方式是轮式移动机构的拓展，接地比压小，通过性能和越野机动性强，具有良好的牵引附着性能，适合在松软地面和凹凸不平的地面上行走，其适应地形的方式是破坏性的，且能耗大。

　3.腿足式移动方式采用了类似人、兽或昆虫用脚迈步移动的运动方式，地形适应性广泛。在崎岖松软的地表上行走时具有良好的能耗特性，但结构复杂，且难以控制，尤其是行走重心移动及稳定性问题。

　基于运动的灵活性，并考虑到功耗和控制的复杂性，多数行走机构采用轮式结构。但目

　前大多数轮式行走机构在复杂地形和松软底质上的移动能力和越障能力还较差，一般只能越过高度小于轮胎半径的垂直障碍，跨过宽度小于轮胎直径的壕沟。

　本设计提出了一种全新的、具有主被动混合越障模式的深海复合轮式行走机构。该行走机构不仅能被动的自适应一般的深海地形环境，还能采用主动控制的方式越过高于轮胎半径的台阶，跨过大于轮胎直径的壕沟等特殊复杂地形，弥补了传统轮式行走机构越障性能差的弊端。使得该机构不仅既具有传统轮式行走构灵活性的优点，还具有其它行走机构主动控制的高越障能力的优点。

　智能导航移动监控与救援系统

　来源：

　第十二届 “ 挑战杯 ” 省赛作品

　小类：

　机械与控制

　大类：

　科技发明制作 A A 类

　简介：

　智能导航移动监控与救援系统在安防、抢险救灾、航拍等领域具有重要价值。本系统由飞行终端、地面站和远程监控中心组成。飞行终端由四旋翼飞行器与自适应云台组成，可实现垂直起降、定点悬停、自动巡航等功能。地面站包含电脑、无线通信模块与移动电源系统，可实时接收监控数据，可设定监控路线并显示实时位臵，可对电池充电。远程监控中心通过网络与多个地面站连接，实时获取信息并显示。本系统结构简单、成本低廉，有利于推广。

　详细介绍：

　智能导航移动监控与救援系统由飞行终端、地面站和远程监控中心三部分构成。飞行终端搭载在四旋翼飞行器上，飞行噪音小，飞行稳定，机动性强。通过电子罗盘、GPS 定位装臵和导航控制器实现对目标位臵和现态位臵的精确定位，智能规划飞行轨迹，从而使移动监控系统更加智能化。根据陀螺仪和加速度计采集到的信息确认实时姿态，驱动无刷电机对姿态进行调节，实现了飞行终端稳定，准确飞行。同时可搭载各类型监控设备模块例如：摄像机、红外成像仪、照相机、气体传感器等探测仪器，以适应各种不同环境的监控需求。并且飞行终端与地面站通过无线通信模块建立无线连接，地面站与远程监控中心通过因特网或 3G

　无线网络建立连接，从而实现了飞行终端、地面站和远程监控中心之间的信息交流，实现远程监控，智能导航。本系统凭借其优越的性能和通用的监控平台较好的适应了现代社会的应用要求。

　本系统操作简便，操作者只需在地面站上位机地图上确认目标位臵以及各项参数，便可完成智能规划移动轨迹、自动巡航、智能监控、智能返航一系列相关任务。在监控中心，人们可以在大屏幕上看到多个地面站传输回来的影像或者其他数据，获知实时情况。

　本系统与地面固定监控系统不同的是，它具有更高的灵活性，并能在不同角度全方位进行监控和拍摄。飞行终端可以携带高清的摄像头在空中实现稳定的拍摄，并实时地将视频或者图片数据发送回来，而我们只需要在地面站上进行简单的操作。本救援平台在火场、灾害救援和人员搜索等方面有较广阔的应用前景。相比大型直升机，本救援平台价格低廉，可以随时启用，反应迅速。相比其他的微型飞行器，比如电动直升机和固定翼飞机，本救援平台对起飞降落地点要求极低，且结构简单，易于维护。本系统能无人飞行,实时传输数据，自主巡航使它在采集环境数据方面的能力得天独厚，可以搭载各种探测器。本系统能够搭载轻便的空气采样器材，可以在空中实时采集空气样本，快速分析目标区域的空气质量。在核泄漏等人等对人有伤害的情况下，快速无人监测当然最为理想，本系统可以携带核辐射检测仪器对核辐射强度进行检测。在灾害搜救中，飞行终端可以搭载生命探测仪大范围地搜索幸存者。故本系统是一个通用的空中信息采集平台，通过在云台上搭载不同类型的设备，可以完成等不同需求的监控作业，以满足多

　方面的需求。目前，已经有一些公司对我们的系统有感兴趣，表示出合作意向，可见本系统的应用前景很广阔。

　作品图片 

　作品专业信息 设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标: :

　随着社会的快速发展，在高楼火灾、新闻摄影、国土勘探、野生动物保护、地质灾害调查、森林防火等领域，对移动监控的需求越来越大。人们对一种机动性强、操作简便、成本低廉的监控系统的需求也越来越强烈。

　本作品要求移动平台能够适应各种复杂环境，具备垂直起降和自主飞行的能力，且高度智能化，能以各种姿态飞行。同时要求造价低廉，控制简单，操作灵活，飞行过程噪声低，低空飞行稳定，可实时收发数据。根据上述要求，本作品使用模块化设计，易于改装，可以搭载各种设备。本系统有以下四个创新点：1）智能导航飞行终端；2）多类型监控设备搭载平台；3）云台的自适应与头部跟踪。涉及的关键技术有：1）多学科集成的控制系统设计；2）整合传感器数据进行状态变量的估计；3）自主飞行控制算法的设计; 4）飞行器避障的设计。系统的技术指标有空载重量：800 克；最大有效载荷：1000 克；最高飞行高度：500 米；最大飞行速度：40 千米

　/小时；无线传输距离：3 千米；单节续航时间：30 分钟；抗风能力：4级；地面站独立供电工作时间：10 小时；地面站重量：15 千克。

　科学性、先进性: :

　1）自行开发了先进的导航模块，具有自动巡航和智能返航等新颖的功能，简化了人员操作。

　2）自行开发了功能完善的地面站。地面站能与移动平台保持良好的通讯，并能为机载电池充电。

　3）作品基于模块化的设计理念，可以根据具体的要求进行功能模块组合，满足不同使用场合的要求，为产品在其他不同领域的进一步开发奠定了良好的基础。

　4）整合传感器数据进行状态变量的估计。本系统采用了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器作为主要的飞行姿态反馈传感器，此外还添加了 GPS、电子罗盘和高度传感器等传感器。本系统通过把这些信息进行良好地滤波和整合处理从而得以准确地得到当前飞行器的飞行状态。

　获奖情况及鉴定结果: :

　本作品在 2009 年获得武汉理工大学自主创新基金本科生项目的支持。本作品于 2010 年在武汉理工大学第十届“创新杯”大学生科技文化节之大学生课外学术科技作品竞赛中荣获机械控制类作品一等奖。本作品于2011 年在湖北省第八届“挑战杯〃青春在沃”大学生课外学术科技作品竞赛获特等奖。

　作品所处阶段: :

　中试阶段

　技术转让方式: :

　专利权转让合同 作品可展示的形式: :

　实物、产品 ；模型；图纸；磁盘；现场演示；图片；录像。

　使用说明, , 技术特点和优势, , 适应范围, , 推广前景的技术性说明, , 市场分析, , 经济效益预测: :

　本系统能够适应各种复杂环境，具备智能导航和远程实时监控的功能，飞行终端对起飞着陆地点的要求较低，能以各种姿态飞行。系统造价低廉，操作简单，控制灵活，飞行过程中噪声低，低空飞行稳定，可实时收发数据。平台使用模块化设计，易于改装，可以搭载各种设备。本救援平台在火场、灾害救援和人员搜索等方面有较广阔的应用前景。相比大型直升机，本救援平台价格低廉，可以随时启用，反应迅速。相比其他的微型飞行器，比如电动直升机和固定翼飞机，本救援平台对起飞降落地点要求极低，且结构简单，易于维护。随着城市化进程的不断推进，越来越多的高楼座座高楼拔地而起，高楼失火事件也时有发生，南京、上海等地高楼失火造成的重大损失，更是警钟长鸣。据 2009 统计，全国共有 3239 个消防中队，每个中队均可装备 3-5 套本救援平台，这就有将近一万套的市场。在林场，本救援平台可以用作平时监测之用，可以较早地发现火灾隐患。目前我国共有国有林场 4507 处， 如果每个林场可以装备 2-3 套本救援平台，将又是一个很大的市场。

　同类课题研究水平概述: :

　移动监控与救援系统的研究起于国外，有许多大学和公司在进行相关的研究，技术已经比较成熟。目前，德国和加拿大等国的移动监控系统已经投入了商业化运行，美国的类似系统也被用于军事领域，获得了不错的效果。德国 microdrones GmbH 是于 2005 年 10 月成立的全球领先的垂直起降微型无人机系统开发商，microdrones 开发的 md4-200 四旋翼微型无人飞行器监控系统 2006 年 4 月一经推出，即在欧洲市场取得巨大成功，截止 2009 年 3 月销售数量已经超过 500 套，客户遍及警察、消防、特种部队、军队、边防、媒体、航空摄影、空中考古、空中监控、环境保护等多个行业。md4-200 可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦查等多种空中任务。

　但是，目前国内的相关研究还处于起步阶段，只有少数几个公司和单位具备仿制的能力，还没有出现能够大批量生产并应用的产品。进行相关研究的大学也为数不多，能够实现自动飞行和智能导航的则更少了。

　据国内报道，哈尔滨工程大学学生自主研制的“四旋翼无人飞行器”在 2009 年成功地进行了试飞。但是该飞行器只能人工遥控飞行，不能自主飞行，也没有地面站提供支持。

　本系统不仅实现了飞行终端的智能导航，而且设计了功能完善的地面站，还有远程监控中心可以实时得查看多个飞行终端传回来的影像和其他监控数据。故本智能导航移动监控系统在国内具有一定的先进水平。

　智能型扫地拖地清洁 机器人

　来源：

　第十二届 “ 挑战杯 ” 作品

　小类：

　机械与控制

　大类：

　科技发明制作 A A 类

　简介：

　针对市场上清洁机器人只能扫地而不能有效拖地和价格昂贵情况，研制一种智能型扫地拖地清洁机器人。创新点有：（1）设计一种自清洁拖地结构，实现自动拖地和自清洁；（2）设计一种清洁机器人拖板的超声波清洗装臵；（3）设计一种自动充水、排污水装臵；（4）设计一种基于电子罗盘的全区域覆盖路径规划算法，提高清洁效率。获专利授权１项，申请发明专利２项，省一等奖 2 项,获市高校学生知识产权创新赛“金奖”，并获企业资助。

　详细介绍：

　近年来，全球服务机器人以每年 40%的速度增长，据预测，到 2020年，市场需求额可高达 1500 亿美元以上，其中，清洁机器人将是主要增长点。本项目针对目前市场上的清洁机器人只能扫地而不能有效拖地和价格昂贵的情况，研制了一种集吸尘、扫地和拖地功能于一体的结构精巧、造价便宜的智能型扫地拖地清洁机器人。其特色及创新点主要体现在：（1）全新地设计了一种智能清洁机器人的自清洁拖地结构，实现自动拖地和自清洁的独特功能，突破了市面上的清洁机器人无有效拖地功能的瓶颈，目前该技术已获专利授权；（2）设计了一种清洗清洁机器人拖板的超声波清洗方法及装臵（正在申请发明专利）；（3）设计了一种自动充水、排污水装臵（已申请发明专利），实现智能换水，自主高效拖地；（4）采用成本较低的多传感器融合技术，设计一种基于电子罗盘的全区域覆盖路径规划算法，提高了清洁的覆盖率和效率。本作品已获专利授权１项，已申请发明专利２项、实用新型专利１项；前期作品曾获 2010 年省大学生电子设计竞赛“一等奖”，2010 年第二届高校学生知识产权创新赛发明创新类“金奖”，第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校赛科技发明类“一等奖”，2011 年第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛省赛科技发明类“一等奖”；2011 年省大学生创新实验项目重点项目立项；由于其先进性和实用性，本作品与企业签订合作协议并获得资助；并受到电视台的专门采访。本作品主要适用于家庭及公共场馆的室内清洁，和目前市场上的同类产品相比，本作品具有独特的自动拖地功能，其清洁效率高，且具有

　低成本优势，因此必然具有广阔的市场前景，产生很好的经济效益和社会效益。

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　 作品专业信息

　设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标 ：

　１、发明目的：针对目前市场上清洁机器人只能扫地缺乏有效拖地功能的情况，研制了一台集扫地和拖地功能于一体的智能型扫地拖地清洁机器人样机。最终形成一种结构合理、性能优异、成本低廉、功耗低、智能化程度较高的机电一体化应用产品。２、基本思路：通过针对清洁机器人的吸尘扫地和拖地机械结构、移动机构、传感器系统、机器人避障和路径规划算法进行研究，研制出物美价廉的样机。３、本作品创新点如下：

　(1)设计了一种智能清洁机器人的自清洁拖地结构（已获授权,专利申请号：2.9），能实现自动拖地和自清洁； (2)设计了一种清洗清洁机器人拖板的超声波

　清洗方法及装臵（正在申请发明专利）； (3)设计了一种自动充水、排污水装臵（已申请发明专利），实现智能换水，自主高效拖地； (4)采用成本较低的多传感器融合技术，设计一种基于电子罗盘的全区域覆盖路径规划算法，提高了清洁的覆盖率和效率。４、作品的技术关键在于：(1)设计覆盖率高、可执行度好的避障策略和路径规划算法，以提高清洁机器人的清洁效率；(2)设计高精度耐用的吸尘扫地、拖地机械结构，达到节能的目的，从而保证作品长时间自主完成清洁任务。５、主要技术指标：针对20 平米的测试房间，40 分钟扫地区域覆盖率达 95%，拖地区域覆盖率达85%，清洁效率较高。

　科学性、先进性 ：

　1.科学性：在对国内外相关技术进行详细研究的基础上，该发明的工作原理是通过红外传感器、电子罗盘、垃圾检测传感器、液位传感器和微动开关等组成的传感器系统采集外部环境数据，并做出规划决策，控制移动机构、扫地拖地机构等执行机构，以实现快速避障、高效扫地拖地、自主充水排水及自主充电等功能。系统运用红外检测原理、丝杆传动机械原理、自动控制等科学原理。方案科学可行。

　2.先进性：针对目前市场上清洁机器人只能扫地缺乏有效拖地功能的情况，研制的作品集吸尘、扫地和拖地功能于一体,其先进性主要体现在：

　(1)设计一种智能清洁机器人的自清洁拖地结构（已获专利授权，申请号：2.9），实现自动拖地和自清洁的独特功能； (2)设计一种清洗清洁机器人拖板的超声波清洗方法及装臵（正在申请发明专利）； (3)设计一种自动充水、排污水装臵（已申请发明专利），实现智能换水，自主高效拖地； (4)采用成本较低的多传感器融合

　技术，设计一种基于电子罗盘的全区域覆盖路径规划算法，提高了清洁效率。

　获奖情况及鉴定结果 ：

　①2010 年 9 月，省大学生电子设计竞赛“一等奖”； ②2010 年 11 月，第二届高校学生知识产权创新赛发明创新类“金奖”； ③2011 年 3 月，第十二届全国“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛校赛科技发明类“一等奖”； ④2011 年 4 月，第十二届全国“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛省赛科技发明类“一等奖”； ⑤2011 年 6 月，省大学生创新实验项目“重点项目”立项。

　作品所处阶段 ：

　实验室阶段 技术转让方式 ：

　无 作品可展示的形式 ：

　实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像 使用说明, , 技术特点和优势, , 适应范围, , 推广前景的技术性说明, , 市场分析, , 经济效益预测

　1、使用说明：①首先通过键盘或者遥控器启动清洁机器人工作。②依工作模式执行相应操作。③需要在机器人工作场所安臵水站、充电站及虚拟墙等。2、技术特点和优势：一种集吸尘、扫地和拖地功能于一体的智能

　型清洁机器人。已获专利授权，设计了自清洁拖地结构，采用超声波清洗技术，并设计全区域覆盖路径规划算法，提高了清洁效率。3、适用范围：家庭及公共场馆室内清洁，还可扩展为教学设备、消防安全、救援抢险等。４、推广前景与经济效益预测：全球服务机器人以每年 40%的速度增长，据预测，到 2020 年，市场需求额可达 1500 亿美元以上，其中，清洁机器人将是主要增长点。拥有 3.5 亿个家庭的中国,服务机器人销量将如手机,保守估计有上亿台,而全球总需求量达几十亿台。除计算机,网络等市场外，单是机器人维修与配套市场就难以想象其规模，这将是未来多年间任何产业也无法比拟的大市场。和同类产品相比，本作品具有独特的自动拖地功能，清洁效率高，且具有低成本优势，项目与企业签订了协议并获得资助及电视台媒体报道，因此必然具有广阔的市场前景。(收起) 同类课题研究水平概述 ：

　目前，在美国、日本、韩国、欧洲等发达国家和地区，如 Irobot、伊莱克斯、三星、日立等世界著名公司都已开发出智能清洁机器人。美国专业机器人公司 Irobot 的产品 Roomba，是以数学运算理念设计的，按逐渐扩大的螺旋状运转覆盖整个空间，碰到障碍物后，会转过一定角度继续清洁，通过交叉、重复螺旋运转的路线清洁。该产品没有定位功能，只能做简单的避障，导致它的路径规划重复无效率。瑞典家电制造商伊莱克斯（Electolux）研制生产的清洁机器人小“三叶虫”体积小巧,利用超声波探测障碍物，配有编码器来实现相对定位功能，可建立电子地图，清扫方式为，先沿墙壁绕房间走一周，规划路径后遇障碍物时重新规划路线。韩国三星公司发布的最新吸尘机器人 VC-RP30W,内部装有陀螺仪和编码器导

　航，对于陀螺仪的累积误差通过机器人天花板上的一个视觉定位装臵来消除，使用直走迂回算法遍历房间。

　2011 年，Irobot 公司推出新产品 Scooba 230，采用了 iAdapt 科技来感知和监控环境以及使用不同的策略确保地面的干净，内臵三级清洗系统，包括清洗、擦洗和擦干地面。缺点是需要人工完成加水换水。近些年，国内也已开始有关清洁机器人的研究开发工作，特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就。哈尔滨工业大学与香港中文大学合作研制了全方位移动地面清扫机器人。采用全方位移动技术，实时避障，具备自动和遥控两种控制方式。浙江大学机械电子研究所也开展了关于清洁机器人的研究工作，并推出了具有初步智能的清洁机器人样机，该机器人能够自主避障，具备自动充电功能，一次清洁覆盖率达到 90%。另外华南理工大学、上海交通大学等院校科研机构也进行了不同程度的研究，取得了一些成果。深圳银星智能电器有限公司生产的 KV8 是的国内产品化的清洁机器人的代表，是国内首个产品化清扫机器人。其采用外螺旋的清扫方式，可以沿墙行走清洁墙角，红外测距传感器用来避障，价格很便宜。缺点是，没有定位功能，效率低下。综合以上分析可以看出：绝大部分清洁机器人不具备有效拖地功能，便宜的低端产品要么没有合理的传感器组要么是定位算法过于粗糙，而高端产品，因价格十分高昂而难以普及。从家用清洁机器人市场发展趋势来看，提供一套真正针对自动有效扫地拖地且成本低、价格便宜问题的解决方案将是清洁机器人研发中的热点问题和关键技术。

　网络智能娱乐健身系统

　来源：

　第十二届 “ 挑战杯 ” 省赛作品

　小类：

　机械与控制

　大类：

　科技发明制作 A A 类

　简介：

　本作品是集娱乐、网络、智能和科学性于一体的健身系统，系统分成软件模块和硬件模块两部分。系统的整体架构主要由以下 4 个部分组成：改造过的动感单车、可供用户娱乐的多人在线游戏、多功能网站、和存储用户信息的数据库。其创新点主要体现在以下四个方面：网络游戏娱乐健身、智能阻尼调节、网络社交平台和设备的物联网化。

　详细介绍：

　为了解决当前健身设备主要存在的以下问题：功能单一、枯燥无味、无法获取用户的健身数据等，我们提出了本系统的创新型概念。本作品是集娱乐、网络、智能和科学性于一体的健身系统，系统分成软件模块和硬件模块两部分。系统的整体架构主要由以下 4 个部分组成：改造过

　的动感单车、可供用户娱乐的多人在线游戏、多功能网站、和存储用户信息的数据库。在系统的硬件部分，我们通过改造已有的动感单车，加入了游戏控制，心率监控、转向检测、速度检测，阻尼调节，和 USB 无线传输等模块，来获取用户的健身数据，同时让健身车可以与电脑终端进行无线 USB 通信；在系统的软件部分，我们为用户提供了一个多人在线游戏，让多个用户可以在虚拟的健身世界里共同健身；除此之外，我们还为用户配备了一个多功能网站，这个网站提供了社交平台、远程教练、健身提醒以及查看健身数据等服务。

　 作品图片 

　 

　作品专业信息 设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标: :

　本作品的创新点：

　1.娱乐健身的思想。本作品通过一个多人在线游戏，在健身时，为用户提供了良好的娱乐体验； 2.智能阻尼调节。系统一方面可以通过 BP 神经网络自学习的方式调整适合用户的健身强度，另一方

　面可根据游戏场景，自动调节阻尼； 3.网络社交平台。可以扩大用户交际圈，便于教练异地指导用户健身； 4.统一管理用户信息及健身数据，便于做进一步的分析和决策。本作品在制作过程中采用如下关键技术：RFID 技术、传感器技术、无线数据传输技术、USB2.0 接口技术、物联网技术、游戏设计相关技术、数据库技术、网站技术等。主要技术指标：本作品的一个突出特点是健身服务一体化，为用户提供健身兼娱乐的服务，同时将收集到的用户健身数据，用于为健身用户指定个性化的健身计划，而且配臵的网站提供同城交友功能，扩大用户的社交范围。通过调查表明，在提供这些具有深度和广度的服务基础之上，80%以上的健身用户都表示对这种系统感兴趣，希望能获得这样类似的服务。

　科学性、先进性: :

　本系统相较于传统健身设备具有以下突出的科学先进性：

　1.社交和娱乐模式。为用户提供多多功能社交网络平台，便于用户管理个人的健身数据，同时可以和其他用户在虚拟社区中进行交往，扩大用户交际圈。

　2.智能调节反馈模式。系统一方面可以根据 BP 神经网络自学习的方式，自动调整健身强度；另一方面可以根据游戏场景，智能增加或减少运动的阻尼，使用户获得更真实的游戏体验。

　3.网络健身器材物联网技术。便于用户管理个人健身数据。

　4.让每个用户都拥有自己的健身私人教练。远程教练通过网站可查看用户的基本信息和历史健身数据，并为用户提供合适的个性化健身计划。

　5.科学健身计划和虚拟教练。用户注册后，系统会自动为健身者建立了一个虚拟健身教练。通过对健身者的身体素质和用

　户需求，以及以往的健身资料进行分析，虚拟健身教练会给健身者科学有效的健身建议和意见，并实时提供健身提醒。

　获奖情况及鉴定结果: :

　于 2010 年 6 月，参加华中科技大学第二届“求是杯”大学生课外学术科技作品竞赛，荣获一等奖. 作品所处阶段: :

　实验室阶段。

　技术转让方式: :

　将整个软硬件系统转让。

　作品可展示的形式: :

　第二代作品已完成，可现场演示，并配有视频图片等材料。

　使用说明, , 技术特点和优势, , 适应范围, , 推广前景的技术性说明, , 市场分析, , 经济效益预测: :

　网络健身是一个新兴的很有前景的市场。但据初步统计，我国现有人均健身机构拥有量为每 10000 人拥有一家健身馆，与发达国家每 30 人拥有一个健身馆的比率存在巨大差距。而且到目前为止，健身还不是国人的一项日常生活规划，需要一定的激励措施。本产品的推出，能很好的解决这一系列问题，此健身系统所具有的多人在线的竞速游戏对用户健身有很大的激励作用。但是该系统不是单纯的体感游戏产品，因为系统能为用户提供合理科学的健身计划，游戏只是我们为解决健身时枯燥无味的问题的

　工具。本健身设备在使用时需要电脑的支持，对于健身房、普通家庭和游戏用户，电脑已越来越普及，因此其适用范围广，市场需求量大，可用在健身房，办公室，学校，小区，家庭等场所。伴随着本产品的研究和开发，在健身行业中，一种全新的运营模式也必将出现。因为本产品具有相应的智能化健身管理系统，兼容多种网络健身器材，使健身器材的物联网管理模式成为可能。若产品大量投入生产，由于智能化健身管理系统是可以共享的，不需要重复的生产，这样就可以创造可观的经济价值。

　同类课题研究水平概述: :

　主要从健身器材、健身场所管理系统、网络健身系统三个方面进行比较：健身器材市场目前在健身器材市场上最有竞争力的是万年青WNQ (中国驰名商标,中国名牌,WNQ 健身器材有限公司)、好家庭 goodfamily (中国名牌,中国驰名商标,深圳市好家庭体育用品) 、乔山 Johnson (1975 年台湾,亚洲最大的健身器材品牌之一) 等公司。而对他们公司进行调查，健身器材仍然是独立的，大多没有接入网络功能，监测人心率信息后，没有对健身器材工作强度进行反馈。我们系统以实现了这部分的功能，填补了他们的空白。健身场所管理系统目前的健身场所管理软件，比较著名的是佛盛龙健身会所管理系统、美萍健身房管理系统。但是他们对健身场所的管理都仅仅局限于对会员会费的管理，并没有记录会员在健身时的健身类型，工作强度，健身时间等等，不能针对性的对会员进行服务，如购臵使用频繁的健身器材。在我们的系统中，由于健身器材都具有联网能力，所以方便通过网络管理健身器材，知道器材的使用情况，从而可以做出合理的决策。网络健身系统在中国，传统健身仍占据主导地位，网络健身技术正在

　起步阶段，然而悄然兴起的网络健身却受到了国内健身人士的极大青睐。在网络健身系统方面，有突出成就的是四川省乐乐健体育用品有限公司。

　2008 年，乐乐健已经相继推出网球、自行车、乒乓球、羽毛球、跑步和划船六项网络健身项目。健身者只需挥动蓝牙手柄，就能与网络另一端的伙伴一起打网球、打乒乓或羽毛球，或者骑上网络健身车就能与网友一起在虚拟赛场上 PK。他关注于家庭健身，目前还没有推出更加智能化健身管理系统，而且他们系统不能和健身器材进行反馈的控制。在国外，由于健身理念的不同，大多数西方人把健身当作自身的需求，认为并不需要依靠网络来提起兴趣。虽然虚拟技术起源于国外，但国外并未将该技术应用到健身器材领域，据了解，国外还没有在大型健身器材上大规模地应用数字化联网手段的成功案例。中国的健身理念最早是从国外引进的，在发展模式上多少摆脱不了欧美等发达国家的影子，缺乏自己独特的方式。我们通过调查，发现健身设备尚存在的问题，通过自主创新，提出本系统的创新型网络健身理念，并在实验室里完成了第二代作品。网络健身无疑将成为中国健身行业的新支点，为体育用品市场创造新商机。

　 关节式柔性坐标测量机

　来源：

　第十一届 “ 挑战杯 ” 国赛作品

　小类：

　机械与控制

　大类：

　科技发明制作 A A 类

　简介：

　关节式柔性坐标测量机是依据仿生运动学原理而设计的一种新型坐标测量系统，与工业常见的机械手相类似，由 6 个旋转关节构成。它不仅能够测量和评价一般几何特征如直线、平面、圆柱、球体等，评价一般零件加工精度如平面度垂直度平行度、球度等；还能够对体积大质量重的物体进行测量、实现现场快速测量、在加工装配过程中进行在线检测，若配以扫描测头可根据产品模型或样件进行产品设计开发；在模具制造等领域有广泛地应用前景。

　详细介绍：

　关节式柔性坐标测量机能够方便地应用于对复杂零件进行现场快速测量，重大物体测量和逆向工程等。该测量机系统包括机械结构，电路，软件，三大系统构成。测量模型及标定方法是它的两个核心技术。它是由六个转动关节通过一系列的杆件串联而成。每个关节上安装有一个角度编码器用来测量关节转动的角度。采用 FPGA 设计的电路系统处理各角度编码器输出信号的来获得各关节转动的角度，并发送到 PC 机。采用 D-H 方法建立了测量模型，通过坐标转换最终获得测头的坐标信息。关节式坐标测量机具有多项误差源。我们首先对测量结果影响较大的角度偏心误差进行了测量和修正。在测量机装配完成后，难以通过直接测量的方法来获得测量机实际参数。我们分别采用标准锥窝和量块对测量机进行单点标定和空间距离标定。即可获得测量机各参数。在进行标定后，测量误差大大降低。我们基于 VC 和 OPENGL 设计了基本的测量机程序，它接受从测量电路发来的角度信息，经过误差修正和处理后得到三维坐标信息。我们设计的关节式坐标测量机。填补了国内空白，同时相对于国外的产品我们的成本更低，精度也能满足实际测量要求。

　作品图片 

　作品专业信息

　设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标: :

　作品设计：所谓关节式柔性坐标测量机是...