智能汽车设计基础

null第4章 智能汽车基础 —计算机辅助设计第4章 智能汽车设计基础 —计算机辅助设计null第4章 智能汽车设计基础—计算机辅助设计4.1 计算机辅助机械设计4.1 计算机辅助机械设计4.1.1 机械设计原理4.1.1 机械设计原理 为了提高智能车的竞技性能，必须了解其机械结构，并且对其结构上的不足之处加以改进。通过对历届全国智能汽车竞赛中各高校的参赛智能车进行研究后发现，想要取得较好的成绩，智能车底盘的优化和硬件设备的可靠性所占的比重要大于软件程序及其控制策略所占的比重，因此有必要对智能车的机械原理进行一定的了解。 机械设计原理就是研究机械的基本理论及设计技术等问。具体来说，研究内容主要有以下几个方面：4.1.1 机械设计原理4.1.1 机械设计原理（1）机械设计总论 主要介绍机械设计要求及机械设计中常用材料和选用原则、机械零件的强度验算、机械零件的磨损及润滑等理论，并对现代设计方法进行简单的介绍。 （2）常用机构及传动设计 研究机构的组成原理、运动分析及力分析方法，并重点介绍根据运动要求和工作条件设计常用机构及传动的技术和方法。 （3）通用零件设计 研究通用零件的设计和选用问题，包括零件工作能力设计和结构设计，以及零、部件的选用等问题。 （4）有关机械总体设计中的一些问题 介绍机械传动系统设计、控制系统设计及机座与箱体结构设计等问题。4.1.1 机械设计原理4.1.1 机械设计原理 机械设计的基本要求包括以下几个方面： （1）功能要求 机械产品必须完成规定的功能，并保证功能参数在限定的范围内。 （2）可靠性要求 机械的可靠性通过可靠度来衡量。可靠度是指在规定的使用时间（寿命）内和预定的环境条件下，机械产品能够正常地完成其功能的概率。不同场合使用的机械，对其可靠度有不同的要求。 （3）经济性要求 所设计的机械应在设计、制造和使用的全过程中都应力求达到合理的成本范围内。主要的方法有：采用恰当的设计方法，缩短设计周期；构思合理的工作原理，简化结构；选用适当的原材料，减小尺寸和质量；制定合理的制造和装配工艺；注意最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件等。 4.1.1 机械设计原理4.1.1 机械设计原理 （4）社会性要求 机械产品的操作应方便、安全；外观造型和色彩应大方宜人；具有较强的市场竞争力；遵循国家及相关部门环境保护等有关法规。 （5）其他特殊要求 不同的机械还具有一些该机械所特有的要求。例如，对机床有长期保持精度的要求；对飞机有质量轻、飞行阻力小而运载能力大的要求等。 通过对参赛智能车机械设计的调查分析发现，并不是所有的调整都对提高智能车的性能具有明显的作用，其中前轮定位参数优化、转向舵机力臂增大和底盘重心位置对于智能车的机械性能有着较大的影响。4.1.2 AutoCAD 简介4.1.2 AutoCAD 简介AutoCAD是机械设计中常用的软件之一，它是一种可自定义、可扩展的CAD软件，具有二维绘图、设计文档和简单的三维设计等功能。AutoCAD从V1.0，V1.17，V2.5，V2.6，R9～R14，2000，2000i，2004，2005至今天的2006版，历经了多次的改版更新，由于其在平面设计方面的功能比较齐全，其市场占有率很高。 下面以AutoCAD2006为例来说明AutoCAD在机械设计中的应用。 AutoCAD2006提供了高效的图形集管理器，可以轻松地对图形进行移植、展开，其直观的功能让学习变得更加容易；动态块和增强的图案填充等工具为用户提供了便捷的解决方法。这些新功能与图形集管理器等选项板相结合，为管理所有类型的项目提供了一套完整的解决方案。 AutoCAD2006在机械设计的应用功能主要体现在以下几个方面： 4.1.2 AutoCAD 简介4.1.2 AutoCAD 简介（1）可方便地绘制直线、圆、圆弧和正多边形等基本机械图形对象，并且可以对图形对象进行各种编辑，以构成各种复杂的机械图形。 （2）当某一张图纸上需要绘制多个相同的图形时，利用其强大的复制、偏移和镜像等功能，能够快速地通过已有图形绘制出其他图形。 （3）AutoCAD能够绘制出满足符合国家机械制图标准（GB）的线条宽度、文字样式等。 （4）提供了新的动态块功能，可以快速有效地创建机械常用件和标准件的模块，如符合国家标准的键、弹簧、轴承、螺栓、螺母和垫圈等；操纵块并从中提取数据，当需要绘制这些图形时，可以直接插入而不必要重复绘制。4.1.2 AutoCAD 简介4.1.2 AutoCAD 简介（5）新提供的动态输入功能，可以使用户将精力集中在设计绘图而非软件功能上。 （6）可以方便地将零件图组装成装配图，能够验证零件尺寸是否正确、零件之间是否会出现干涉等装配问题，同时还可以利用AutoCAD的复制和粘贴功能，方便地通过装配图拆分出零件图。 （7）当用户设计系列产品时，可以方便地通过已有图形修改派生出新图形。 （8）在设计复杂图形时，AutoCAD提供Web共享设计信息、创建帮助，可方便地创建单个图形并管理整个图形集。同时AutoCAD可利用CAD生产中的新标准能帮助用户获得更大的成功。4.1.2 AutoCAD 简介4.1.2 AutoCAD 简介（9）AutoCAD使信息的连接变得简单易行，使设计团队在设计制造流程中可以开展协作化的产品开发，能够与企业内的任何员工或扩展的团队安全共享设计数据，其功能有：能为有需要的用户共享、查看、标记和管理2D, 3D设计数据，支持与其他用户的文件交换，并能在更改变得困难之前，减少设计流程中的错误，生成新的观点，从而使业务流程能够实现从创建到完成的平稳运作。4.2 计算机辅助电路设计4.2 计算机辅助电路设计4.2.1 EDA技术4.2.1 EDA技术1．EDA技术的内涵 EDA（Electronics Design Automation）即电子设计自动化。现在电子系统设计依靠手工设计已经无法满足大规模电路设计的要求，因此在电路设计工作中需要采用EDA技术。EDA技术以计算机硬件和系统软件为基本工作平台，采用EDA通用支撑软件和应用软件包，帮助电子设计工程师完成电路的功能设计、逻辑计算、性能分析、时序测试直至PCB（印刷电路板）的设计等工作。在EDA软件的帮助下，将设计者对电路系统的功能描述转化为系统设计结果。利用EDA设计工具，设计者可完成对电路的性能分析、时序测试，减少设计的盲目性，极大地提高设计的效率。4.2.1 EDA技术4.2.1 EDA技术 EDA通用支撑软件和应用软件包涉及电路与系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多门学科，其技术指标包括自动化程度、功能完善度、操作界面、数据开放性和互换性（即不同厂商的EDA软件可互相兼容）等。 EDA技术包括了电子电路设计的各个领域，即从低频电路到高频电路、从线性电路到非线性电路、从模拟电路到数字电路、从分离电路到集成电路的全部设计过程，辅助电子工程师进行产品开发，以及在电子产品生产的全过程提供的各种辅助工作。 2．EDA技术的基本特征 采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力是EDA技术的基本特征。与这些基本特征有关的几个概念如下： 4.2.1 EDA技术4.2.1 EDA技术（1）并行工程和“自顶向下”设计方法 并行工程是一种系统化的、集成化的、并行的产品及相关过程（主要指制造和维护）的开发模式。这一模式使开发者从一开始就要考虑到产品生存周期的质量、成本、开发时间及用户的需求等诸多方面因素。 “自顶向下”（Top-down）的设计方法是从系统级设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。“自顶向下”设计方法有利于在早期发现产品结构设计中的错误，提高设计的一次成功率，在EDA技术中被广泛采用。 4.2.1 EDA技术4.2.1 EDA技术（2）硬件描述语言（HDL） 用硬件描述语言进行电路与系统的设计是当前EDA技术的一个重要特征。硬件描述语言突出的优点是：语言的公开可利用性；设计与工艺的无关性；宽范围的描述能力；便于组织大规模系统的设计；便于设计的复用和继承等。与原理图输入设计方法相比较，硬件描述语言更适合规模日益增大的电子系统设计。硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征，是进行逻辑综合优化的重要工具。目前最常用的IEEE标准硬件描述语言有VHDL和Verilog-HDL。4.2.1 EDA技术4.2.1 EDA技术（3）逻辑综合与优化 逻辑综合功能将高层次的系统行为设计自动翻译为门级逻辑的电路描述，做到了设计与工艺的独立。优化则是对于上述综合生成的电路网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小、更快的综合结果替代一些复杂的逻辑电路单元，根据指定的目标库映射成新的网表。 （4）开放性和标准化 EDA系统的框架是一种软件平台结构，它为不同的EDA工具提供操作环境。框架提供与硬件平台无关的图形用户界面、工具之间的通信数据、设计数据和设计流程的管理，以及各种与数据库相关的服务项目等。一个建立了符合标准的开发式框架结构EDA系统，可以接纳其他厂商的EDA工具一起进行设计工作。框架作为一套使用和配套EDA软件包的，可以实现各种EDA工具间的优化组合，将各种EDA工具集成在一个统一管理的环境之下，实现资源共享。4.2.1 EDA技术4.2.1 EDA技术EDA框架标准化和硬件描述语言等设计数据格式的标准化可集成不同设计风格和应用的要求，使得各具特色的EDA工具能有效地工作在同一个工作站上。集成的EDA系统不仅能够实现高层次的自动逻辑综合、版图综合和测试码生成，而且可以使各个仿真器对同一个设计进行协同仿真，进一步提高了EDA系统的工作效率和设计的正确性。 （5）库（Library） 库是支持EDA工具完成各种自动设计过程的关键。EDA设计公司与半导体生产厂商紧密合作，共同开发了各种库，如逻辑模拟时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的版图库、测试综合时的测试库等。在这些库的支持下，EDA工具能够完成各种自动设计。4.2.2 Protel4.2.2 ProtelProtel 99SE是澳大利亚Protel Technology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件的设计者可以容易地设计电路原理图，画元件图，设计电路板图，画元件封装图和电路方针，是首选的电路板设计工具。 1．PCB板的全手工设计方式步骤简介 （1）基于系统原理图的仿真。在画原理图时，只要Protel 99SE的能力允许，最好对原理图或部分原理图进行仿真。 （2）画原理图时，要注意每个元件都必须要有对应的封装形式，而且封装的焊盘号和原理图引脚号之间必须有对应关系。 （3）对原理图进行电气规则检查后，建立原理图的网络表。 4.2.2 Protel4.2.2 Protel（4）建立电路板图文件。可以使用向导建立（启动菜单File/New后，选择向导页面，启动电路板向导）或直接建立（启动菜单File/New，选择电路板文件）。一般双层板可直接建立，多层板则多采用向导建立。 （5）在电路板设计窗口，使用菜单Design/Load Nets将网络表调入。在调入过程中，要注意形成的宏命令是否有错，若有错，查明原因后返回原理图并修改原理图。一般遇到的问题是无元件封装或元件引脚和封装焊盘不对应。常见宏命令错误是Component not found（元件找不到，原因是元件封装名不正确）和Node not found（节点找不到，原因是焊盘号和引脚号不一致）。 （6）若所有宏命令有效，就可以执行宏命令，将元件和元件之间的连接调入电路板。4.2.2 Protel4.2.2 Protel（7）将元件人工排列到电路板上，排列的规则是：电路的输入端放在电路板左侧；输出端放在电路板的右侧；元件和元件之间的连线最短；安装元件时元件之间不能互相干涉等。在布置元件的位置时，最好不要使用自动方式，因为计算机目前还不具备足够的智能去合理排列元件以满足布置要求。 （8）确定布线范围。布线范围是在禁止布线层确定的，一般也就是电路板的板框尺寸。若是需要钻螺丝孔，注意在禁止布线层的螺丝孔上不能布线。 （9）设置布线层。若为单层板，在菜单design/Rule中设置走线层；若为双层板，不用设置，使用默认值就可以。 4.2.2 Protel 4.2.2 Protel（10）设置铜膜线的走线宽度，一般走线宽度为10 mil（0.25 mm），电源和地线应该宽一些。当然，只要电路板面积允许，铜膜线还是宽一些比较好。有时还要考虑制板公司的能力，例如有的公司对于小于10 mil线宽的电路板不能制作。走线宽度可在菜单Design/Rule中设置。 （11）一切设置结束后，就可以启动Auto Route/All菜单进行自动布线。当布线完成后，在布线完成对话框中观察布线的布通率。若为100％，就说明所有连接铜膜线全部完成。若不能100％布通，则需要回到预拉线状态重新布置元件，调整线宽后再布线。 （12）利用3D立体图观察电路板，若对元件布置或布线不满意，可以使用Tool/ Un-Route/ All菜单去掉布线，恢复预拉线，重新安排元件后再进行布线。 4.2.2 Protel 4.2.2 Protel（13）当对布线认可后，根据需要增加填充、铺铜和轮廓。 （14）对电路板运行电气规则检查（菜单Tool/Design Rule Check）。 （15）对丝网层上的文字进行调整，然后写上画电路板日期、电路板说明等文字。 （16）将所画电路板图存软盘，送电路板制造商生产电路板。 4.2.2 Protel 4.2.2 Protel2．PCB板设计的注意事项 （1）采用自动布线在原理图阶段应注意的事项 原理图画完后一定要进行错误检查。若有错误，则一定要修正到没有错误为止；在PCB板上用到的接插件也要在原理图中画出来并设定好封装；电源正负号和电源地符号的网络标号一定要设为不同的名称。 （2）元件、铜膜导线咬合栅格的设定 若板上元件以分立元件占多数且元件密度较低，则可设定元件封装咬合栅格为 50 mil，以方便各元件封装的对齐。铜膜导线的咬合栅格可设为10 mil（铜膜导线较密时）或25 mil（铜膜导线较稀时），以便于铜膜导线穿过两相邻焊盘的空挡，也便于从焊盘的中心开始布铜膜导线。 4.2.2 Protel 4.2.2 Protel（3）布局应注意的事项  热敏感元件应远离发热元件；  功率器件尽量放在板边沿；  较重的大型器件可锁在机箱上由导线接到线路板；  高电压器件之间及其引脚之间距离加大，以防爬电；  在板边缘2～3 mm范围内不要放置元件封装，以便流水线生产；  可调元件及插拨元件应放置在方便操作之处；  高频元件之间应尽可能缩短走线，并要注意避免相互之间的电磁干扰；  每个功能电路以核心器件为中心，围绕它进行布局；  同类型元件轴向一致，排列整齐。 4.2.2 Protel 4.2.2 Protel（4）布线应注意的事项  铜膜导线的宽度要足够，地线要尽量宽，线宽可根据每平方毫米铜膜导线的截面积可通电流6～10 A（铜膜导线厚度通常为0.035 mm, 0.05 mm和0.07 mm，以0.05 mm厚度为多见）来计算；  铜膜导线拐弯不要用锐角，以防尖端放电，尽量用135°角拐弯或圆弧拐弯，高频线路则必须用圆弧拐弯；  单面板铜膜导线线宽至少为20 mil，个别特殊地方也至少为15 mil；  避免使用大面积铜箔，否则，板材因发热产生挥发性气体，该气体致使铜箔膨胀或脱落，若要用大面积铜箔，则应在铜箔上加透气孔或用栅格状铺铜；4.2.2 Protel4.2.2 Protel 若铜膜导线传输的信号电压较高，则应加大间距，如电压为220 V，则间距至少为1 mm；  单面板的焊盘尺寸最好大于80 mil × 80 mil，少数特殊情况也应至少为60 mil × 80 mil，以具备足够的焊接强度和满足单面板生产工艺要求，必要时也可采用补泪滴方式，以便加强焊盘焊接强度；  在散热器底下避免走过孔，否则容易导致由散热器引起的短路；  为方便调试和维修，应在适当的地方放置测试点。 （5）常用的抗干扰措施  只要线路板的空间允许，尽量加粗电源线的宽度，特别是电源地；  数字地和模拟地分开走线，可从电源输入端的滤波电容的负端引一条数字地铜膜导线和一条模拟地铜膜导线；4.2.2 Protel4.2.2 Protel 在每个芯片的电源输入端接一个0.1 μF的去耦电容；  对关键的信号线加包地；  电容引线尽量短，特别是高频旁路电容引线应更短； 多级放大电路中，同一级放大电路应采用“一点接地法”。这样工作比较稳定，不易产生自激。思考题思考题1．AutoCAD对于智能车设计的主要作用是什么？试用AutoCAD软件设计一个传动齿轮。 2．在进行计算机辅助电路设计时，何时开始自动布线为宜？ 3．在PCB板布线的过程中，常用的抗干扰措施有哪些？为何采用这些措施？