全国大学生工程训练综合能力竞赛优化方案

全国大学生工程训练综合能力竞赛是公益性的大学生科技创新竞技活动，是有较大影响力的国家级大学生科技创新竞赛，是教育部、财政部资助的大学生竞赛项目，目的是加强学生创新能力和实践能力培养，提高本科教育水平和人才培养质量。为开办此项竞赛，经教育部高等教育司批准，专门成立了全国大学生工程训练综合能力竞赛组织委员会和专家委员会。全国大学生工程训练综合能力竞赛每两年一届。

全国大学生工程训练综合能力竞赛指导思想是“重在实践、鼓励创新、突出综合、强调能力”，以提高大学生的实践动手能力、科技创新能力和团队精神，同时秉承“竞赛为人才培养服务，竞赛为教育质量助力，竞赛为创新教育引路”的宗旨，大赛方针是基于理论、注重创新、突出能力、强化实践。

竞赛活动面向全国各类本科院校在校大学生，实行校、省（或多省联合形成的区域）、全国三级竞赛制度，主要组织形式如下：

①自本方案公布之日起，各学校根据竞赛组委会发布的竞赛命题和竞赛规则自主组织本校的大学生工程训练综合能力竞赛，并根据校赛成绩排名向省级或区域级竞赛组委会推荐。

②各省级或区域级教育行政部门自收到竞赛通知之日起，应积极组织辖区内的高等院校，筹备进行省级竞赛，并依据省赛结果向全国大学生工程训练综合能力竞赛秘书处报名推荐。每届国赛设有两个竞赛项目，“S”形赛道避障无碳小车和“8”字形赛道避障无碳小车，各省级或区域赛区，根据省级或区域竞赛的成绩，按照择优原则，对应每个竞赛项目可推荐不超过两支参赛队。每校参加同一个竞赛项目的参赛队只能有1支。2017年的大学生工程训练综合能力竞赛在前四届主题的基础上，增设了重力势能驱动的自控行走小车越障竞赛，即共有3个竞赛项目，组织形式同上。

③竞赛评委会负责制定竞赛规则和成绩评定标准，组委会负责对各项竞赛规则和标准的审定和发布授权。在竞赛规则中，将详细规定竞赛的参赛资格、参赛要求、报名办法、奖项设置、评审原则等项目。通过省级竞赛或区域竞赛的优胜者，经省或区域教育厅核准，推荐报名参加全国决赛。

全国大学生工程训练综合能力竞赛，每届主题均为“无碳小车越障赛”，主要包括两个项目：项目Ⅰ——“S”形赛道避障行驶竞赛，项目Ⅱ——“8”字形赛道避障行驶竞赛。其竞赛命题变化不大，以第五届大学生工程训练综合能力竞赛为例，其命题为：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。

即设计一辆小车，由给定的重力通过能量转换原理驱动其行走并转向，该给定重力势能由竞赛时使用质量为1 kg±5 g的重锤获得，重锤由各学校自行准备，尺寸自定（比赛前由组委会统一称重，不符合规定的重锤由组委会提供，并在小车拆装和调试环节成绩中扣0.5分），要求重物的可下降高度为（400±2）mm。重物由小车承载，不允许从小车上掉落，如图1.1所示。

图1.1　小车示意图

无碳小车的设计要求如下：

①要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。

②要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

③要求小车为三轮结构，其中一轮为转向轮，另外两轮为行进轮，允许两行进轮中的一个轮为从动轮。具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

根据上述命题要求，完成能够完成“S”形赛道的避障无碳小车和“8”字形赛道的无碳小车设计，小车竞赛分两轮，第一轮中“S”形赛道的避障无碳小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物，如图1.2所示。赛道宽度为2 m，障碍物为直径20 mm、高200 mm的圆棒，沿赛道中线从距出发线1 m处开始按间距1 m摆放，摆放完成后，将偶数位置的障碍物按+250 mm间距变化值和变化方向进行移动（正值远离，负值移近），形成的即为竞赛时的赛道。以小车前行的距离和成功绕障数量来评定成绩。

各队加载由各学校自行加工的重锤，在指定的赛道上进行比赛。小车出发位置自定，但不得超过出发端线和赛道边界线。每队小车运行两次，取两次成绩中的最好成绩。

图1.2　“S”形赛道示意图

图1.3　第一轮“8”字形赛道

“8”字形赛道避障行驶竞赛分两轮，第一轮参赛小车在半张标准乒乓球台（长1 525 mm、宽1 370 mm）上，绕相距450 mm的两个障碍沿“8”字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、高200mm的两个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成“8”字绕行圈数的多少来综合评定成绩，如图1.3所示。

参赛时，要求小车以“8”字形轨迹交替绕过中线上两个障碍，保证每个障碍在“8”字形的一个封闭环内。每完成1个“8”字且成功绕过两个障碍，得12分；每完成1个“8”字且只绕过1个障碍，得6分；每完成1个“8”字且没有绕过障碍物，得两分。出发点自定，每队小车运行两次，取两次成绩中的最好成绩。

一个成功的“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹的两次变向交替出现，变向指的是：轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。

比赛中，小车需连续运行，直至停止。小车碰倒障碍、将障碍物推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车停止或小车掉下球台均视为本次比赛结束。

第二轮小车避障行驶竞赛“S”形赛道用装配调试完成的小车，再次进行避障行驶竞赛，规则同第一轮。

“8”字形赛道避障行驶竞赛用装配调试完成的小车在半张标准乒乓球台（长1 525 mm、宽1 370mm）上进行避障行驶竞赛。乒乓球台有3个障碍成“L”形放置，“L”形的长边在球台的中线上（放置球台时“L”形的长边平行主看台方向，短边垂直且远离主看台），经现场公开抽签，在400～500 mm产生“L”形的长边值，在300±50 mm产生“L”形的短边值。

小车需绕中线上的两个障碍物按“8”字形轨迹运行，障碍物为直径20 mm、高200 mm的3个圆棒，圆棒中心分别放置在“L”形的3个端点上，以小车完成“8”字绕行圈数的多少来评定成绩，如图1.4所示。

参赛时，要求小车以“8”字形轨迹交替绕过中线上两个障碍，保证每个障碍在“8”字形的一个封闭环内，同时不碰倒第3个障碍。每完成1个“8”字且成功绕过两个障碍，得12分。各队使用自行加工的标准砝码参赛。出发点自定，每队小车运行两次，取两次成绩中最好成绩。

一个成功的“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹的两次变向交替出现，变向指的是轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。

比赛中，小车需连续运行，直至停止。小车没有绕过障碍、碰倒障碍、将障碍物推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车停止或小车掉下球台均视为本次比赛结束。(www.xing528.com)

项目Ⅲ命题为“重力势能驱动的自控行走小车越障竞赛”，本题目是在往届工程训练综合能力竞赛无碳小车命题基础上的修改，保留了重力势能驱动行进的特点，增加了自主寻迹避障转向控制功能。

图1.4　第二轮“8”字形赛道

图1.5　小车示意图

项目Ⅲ命题要求小车为三轮结构，其中一轮为转向轮，另外两轮为行进轮（要求两个行进轮用1.5mm厚度的钢板或可用激光切割加工且不超过8mm厚度的非金属板制作，要求行进轮轮毂与轮外缘之间至少有40 mm的环形范围，这个范围将用于进行统一要求的设计和激光切割），允许两行进轮中的一个轮为从动轮。小车应具有赛道障碍识别、轨迹判断及自动转向功能和制动功能，这些功能可由机械或电控装置自动实现，不允许使用人工交互遥控，如图1.5所示。

小车行进所需能量：只能来自给定的重力势能，小车出发初始势能为400 mm（高度）×1 kg（砝码质量），竞赛时使用同一规格标准砝码（钢制φ50×65 mm）。若使用机械控制转向或刹车，其能量也需来自上述给定的重力势能。

电控装置：主控电路必须采用带单片机的电路，电路的设计及制作、检测元器件、电机（允许用舵机）及驱动电路自行选定。电控装置所用电源为5号碱性电池，电池自备，比赛时须安装到车上并随车行走。小车上安装的电控装置必须确保不能增加小车的行进能量（小车驱动系）。

赛道要求：赛道宽度为1.2m，形成长约15.4m、宽约2.4m（不计赛道边缘道牙厚度）的环形赛道，其中两直线段长度为13.0 m，两端外缘为曲率半径1.2 m的半圆形，中心线总长度约30 m，如图1.6所示。

图1.6　赛道示意图

赛道边缘设有高度为80 mm的道牙挡板。赛道上间隔不等（随机）交错设置多个障碍墙，障碍墙高度约80 mm，相邻障碍墙之间最小间距为1 m，每个障碍墙从赛道一侧边缘延伸至超过中线100～150 mm。

在直赛道段设置有1段坡道，坡道由上坡道、坡顶平道和下坡道组成，上坡道的坡度为3°±1°，下坡道的坡度为1.5°±0.5°；坡顶高度为（40±2）mm，坡顶长度为（250±2）mm。坡道位置将事先公布，出发线在平赛道上，距离坡道起始位置大于1 m，具体位置抽签决定。

四川省的大赛中增加了项目Ⅳ竞赛，命题为全地形底盘自主创新设计赛。参赛队应根据大赛组委会提供的具有4种不同特性障碍物及比赛要求，采用北京启创远景科技有限公司提供的“探索者模块化机器人平台”设计制作全地形底盘。

场地中设定4种5个不同特点、不同难度的障碍物，每种障碍物均有一定的分值，参赛队根据比赛规则自主设计制作全地形底盘，完成穿越各个障碍物的比赛。

比赛起点和障碍物分别为模拟工业用栅格地毯、楼梯、管道、独木桥，各障碍物由黑色引导线连接，形成完整的比赛赛道，并设置比赛起点和终点，比赛场地由组委会统一布置。

底盘的控制电路、机械本体、检测元器件、电机和电池等必须在“探索者”平台指定范围内选择，比赛时须安装在底盘上并随底盘行走。

图1.7　场地整体图

全地形底盘启动后自动行驶并通过比赛场地（见图1.7）及4种障碍物（栅格地面、管道、窄桥、楼梯）尺寸标记（含引导黑线、终点），以通过的障碍数量和时间来综合评定成绩。

场地地面为420 cm×180 cm的宝丽布，四周有高度为18 cm的由型材和免漆板组成的围栏，如图1.8所示。场地地面设有起点线和终止线，距离边缘90 cm。部分障碍前后20 cm设有标志线，供参赛队伍参考使用。距离长边60 cm的两条红线为装饰线。5个障碍物按图1.8所示的种类、数量和位置安放，并以双面胶固定在场地地面上，不可移动。黑线用4 cm宽低反光绝缘胶带铺设。障碍物的大小、形状结构会在大赛章程中具体给出。

全国大学生工程能力训练大赛每个项目分为以下环节。

①“S”形赛道无碳小车与“8”字形赛道无碳小车分两轮进行行驶比赛，满分30分，起评分18分。

②参赛徽标的设计及3D打印制作，满分10分，起评分6分。

图1.8　场地地面尺寸图

③小车拆装和调试，满分10分，起评分6分。

④“S”形赛道和“8”字形赛道避障形式小车在经第三环节后，进行装配调试，然后进行第二轮小车避障行驶赛，该环节满分30分，起评分18分。

⑤方案评审，该环节中需要提交的文件有结构设计方案文件、工艺设计方案文件、创业企划书，3 min视频及PPT，满分20分，起评分12分。

最后根据上述环节各队的得分，按从高到低的顺序，排列名次，然后根据各环节公式进行计算，即为参赛队的最后得分。