北京大学科技成果汇编

北京大学科技成果汇编 -（发稿时间：2009-6-15 阅读次数：2073） 用于照相手机自动调焦、变焦的压电微马达一、 项目概述一个专业的数码相机需要人工智能和精确的马达光学镜头技术，以实现自动聚焦功能，并使用组合的光学和数字变焦来调整图像。据报道，摄像手机正在朝着组合专业式相机/摄像机发展，并具有 5.0 兆像素，100 分钟电影容量。然而，现在的摄像手机没有自动聚焦功能，因为传统电磁马达的效率和输出力矩随尺寸减小而明显降低，无法达到制作精确地驱动光学镜头系统的小马达的要求。压电微马达/压电驱动器，是一种全新原理和结构的驱动装置，它不需要磁铁和线圈，而是利用压电材料的逆压电效应和超声振动来获得运动和力（矩） 。它打破了电磁驱动的概念，具有低功耗、无电磁干扰等优点。有些结构简单价格低廉的压电驱动器已经成功地应用于许多精密仪器，但其无法满足连续工作、大行程、高精度、大力矩的要求，所以需要开发压电微马达。本项目拟研发几种新型压电微马达（直径 1.0mm5.0mm）产品，以满足摄像手机、数码相机、摄像机的技术需求，包括：（1）基于多层压电陶瓷驱动器的杆状微马达， （2）压电陶瓷管状微马达， （3）基于压电单晶的微马达。二、应用范围用于摄像手机、数码相机、摄像机中的自动聚焦、变焦、和防抖动传感与驱动。三、技术特点压电马达是近年来发展的一门新技术，它以压电材料激励的超声波振动为动力源，通过接触摩擦转换能量，形成旋转或位移输出，具有电磁马达所没有的许多特点：结构简单；低速大转矩；响应快（毫秒级） ，断电自锁，电磁兼容性好；形状多样化：圆形、方形、空心、杆状等等。四、技术水平 本项目负责人提出的压电微马达在国际上处于先进水平，已经在压电微型马达这项目上工作超过十年，并且已经发表了几十篇论文，拥有十多项中国和美国专利。并在 2000 年获美国宾州大学材料进步一等奖。在压电马达上的主要成果包括以下部分：1. 第一个世界上最小的马达，直径仅 1.5mm，在各种不同的压电马达中属于最高水准。2. 第一个低温环境下工作的压电单晶微型马达，可以在-200 oC 的温度下工作，适于太空应用。3. 第一个多自由度的压电电流变流体步进式马达。4. 发展了一种环型压电驱动器，以获得更大的驱动位移。5. 发展了一种中心摇摆式的压电马达驱动方法，以获得更大的动力，同时有更好的位移分辨率。6. 发展了一种剪切-剪切式行波方法，以促进下一代压电马达的发展。7. 发展了一种压电旋转型微型马达和马达镜头机制，有着 12nm 的位移分辨率。 。五、项目所处阶段中试阶段。六、市场状况及市场预测随着精密光学镜头越来越多的应用于摄像手机、小型数码相机、电脑摄像头、监视器摄像机等设备，可以预见市场对精密定位装置的需求将持续增长。因为在摄像手机、数码相机和摄像机上的巨大市场，三星公司从 2003 年开始研发新的摄像手机，这种手机包含压电马达精密驱动的自动变焦和聚焦光学镜头，大幅改善画面质量。三星的目标是每年一千万马达摄像手机。除了摄像手机，我们还能找到压电微马达和马达驱动微型光学镜头系统的许多应用，比如微型的数码相机/摄像机，和电脑摄像头等等。估计基于压电微型马达驱动的微型光学镜头系统市场份额会达到每年 10 亿美元以上。七、所需设备及投资估算精密机加工设备、微马达组装设备、性能检测设备。估计建设一条年产一千万微马达所需的设备投资约为 5000 万。八、受让方接产条件手表厂、压电元件制造厂、或电子元件厂。九、效益分析一个压电微马达的保守售价是 1 美元，成本是 0.5 美元。年产 1 千万微马达，将有 500 万美元的年利润。十、合作方式技术转让、联合开发。迎宾机器人一、项目概述迎宾机器人拥有超酷的外形，它具备人机交互功能,开放式语言模式，可以完成摇头、做欢迎、拥抱、握手、再见等动作。可以与人进行语音聊天、问答、学习等互动活动，还可以唱歌、背诗、跳舞等功能。并且还可以通过 WiFi 等无线网络与其它机器人进行交互。二、主要功能轮式移动平台，能够自主移动、遥控运动；具有超声阵列、红外、电子罗盘、编码器等传感器，能够实现自主导航与避障。具有视觉和声音处理单元，能够进行人机会话，并具有语义学习功能，可实现语音控制。具有 5 自由度的手臂，能够实现人的胳膊所能实现的大部分功能，如挥手、握手等；2 自由度的腰部结构，能够实现弯腰和转腰；2 自由度的头部，能够点头、摇头。三、应用领域大型展览馆、科技馆、博物馆、旅游景点、游乐场的迎宾、导游、解说、演示等。高校、研究所等进行网络控制机器人和服务机器人研究的单位。企业促销、产品展示、会展中心、大型商场、高级宾馆、银行、医院等服务行业的导游，导购，多媒体信息查询等特殊服务。 大型酒店、餐饮机构（菜单介绍、点菜餐位预定与管理） 。四、性能参数 主控 1 采用稳定性强的工控机，P4 2.4G/DDR2 1G/40G/100M 网口集成显卡声卡 转接板 1 ARM+CPLD WiFi 无线路由 1 TP-Link 54M 电机驱动器 6 BTT-DC2410 行走电机 2 Faulhaber 150W 腰部电机 2 Faulhaber 30W 头部电机 2 Faulhaber 10W 伺服电机驱动 10 BTT-SM0705 伺服电机 10 30kg cm LED 阵列控制器 BTT-LED0516 RF 无线模块 WAP200B RFID 身份识别 摄像头 2 CMOS 300 万像素 超声测距传感器 6 0.57m SensComp Polaroid 6500 红外测距传感器 5 00.5m Sharp 红外传感器 15 BTT-RF50 电池 24V 10AH Li 电池 高度 170cm/120cm/80cm 重量 55kg 五、外形效果基于分布式多种传感器融合的交通数据自动获取技术一、项目概述目前在交通建筑空间等工程领域，实际数据的调查，采集和收集，往往需要大量的费用和人工干预，其采样率及精度都非常有限。特别是对于像车站、交叉口、人行横道等人车混在、交通行为混杂的地带，缺少足够的真实详细的交通数据，给大范围和长时段交通行为本质的深入研究带来困难。本项目利用分布式激光扫描仪及视频融合的传感器，研发出包括分布式多台多种传感器数据融合，基于分布式传感器的移动目标的自动检测/分类/ 跟踪等核心算法及系统，从而自动地获取在大范围空间中的人/车等详细交通数据。同时研发微观及宏观行为分析与仿真等算法，为研究解决智能交通等工程领域中的实际问题提供真实详细的数据依据。二、 应用范围1. 交通安全检测，如在交叉口，交道口等的异常行为检测。2. 交通数据采集，为解决智能交通工程等领域的实际问题如交通规划、交通分析、空间优化等提供数据依据。 应用实例：如图 3 所示。图 1 基于分布式传感器融合的交通数据获取图 2 算法模块图 3 应用实例图三、技术特点和技术优势利用红外线，超声波，微波雷达，感应圈等传感器，对通过道路某一地点的车辆，其数量、大小、重量、速度等进行统计分析，已成为交通检测中比较成熟的技术，许多都已经应用于实际中。但是上述技术很难精确地检测到行人、自行车等小型目标，也无法覆盖某一平面区域。如，无法检测通过该区域的人/车的轨迹及在任意时刻的地点速度方向等。利用可见光摄像机，红外线摄像机等视频传感器，可以对路面上车辆的通行状况，比如通过数量、大小、速度、颜色、车牌号等进行定量地统计，同时能够对某些特定行为，比如闯红灯、倒车、转弯、交通事故等进行自动检测。其中一些技术已服务于自动检出/抓拍比如高速道路上超速车辆。交叉口违章行为，隧道等交通事故或交通阻塞易发点的交通流量/流速检测等方面。但是，利用视频的自动检测技术也拥有它的局限性。比如照明/天候的变化，阴影，路面积水/结冰带来的反光等都会带来检测精度的降低及误报率增加。像交叉口这样人与车密集/交杂的场所，图像中移动目标间遮挡 /粘连的现象严重，利用视频技术来自动地获取人与车的详细的交通数据，实时性、精度、鲁棒性等与实际应用需求尚有差距。与视频等技术相比，激光测距扫描仪及其应用技术还大多处于研发阶段。20 世纪 90 年代后期随着激光研制技术的发展，利用 eye-safe 激光（对人眼都无害的最低强度级别 Class 1A）的长距离、广角、高速测距扫描仪出现在人们面前，作为一种崭新的信息获取/环境感知技术，为研究界产业界带来一股强劲的冲击破。三维激光测距扫描仪首先被测绘界、建筑界及考古界所接受，将其应用于获取地形，建筑物，文物古迹等静态物体的三维模型中。近几年通过美国国防部举办的无人自动驾驶越野赛（Grand Challenge） ，几乎所有参赛车辆上都装有一台或多台二维激光测距扫描仪作为它们的眼睛，该传感器在障碍物检测，自动导航，辅助驾驶等应用中的有效性被广泛地认知。但是除了本项目的研究以外，利用激光测距仪对交叉口车站等场所进行监控及交通数据采集的应用研究尚非常少。四、应用实例本项目负责人于 2001 年提出利用多台分布式二维激光测距扫描仪（以下简称“激光扫描仪”）在离地面 10cm 左右高度的水平面扫描，通过对行走模式的跟踪，在人群密集的场所有效地检出及获取行人轨迹的想法，并研制开发了行人检出/跟踪系统（参见图 3（4） ） 。该系统被东日本旅客铁路（JR 东日本）等采用，在车站、展厅等被实际应用。在车站的实地验证表明，即使在上下班高峰期，90%以上行人的轨迹都能够有效地获取。该研究在日本申请了 2 项专利。本项目负责人于 2004 年起和日本东海旅客铁路（JR 东海） ，日立合作，针对交道口/站台附近的安全监控，开发研制了利用单台激光扫描仪对该场所内包括人，车，自行车在内的移动目标的自动检出/分类/跟踪的系统（参见图 3（1） ） 。该研究在日本申请了 2 项专利。该系统目前已进入硬件集成阶段，预计 2008 年逐步投入使用。本项目组于 2007 年承担国家 863 课题，研发基于分布式多种传感器融合的交叉口交通数据的自动获取技术（参见图 3（2-3） ） 。该研究已申请了 2 项专利。四、合作方式联合开发。面向环境感知的智能车及移动机器人平台一、项目概述智能车及移动机器人平台的研发不仅对以军事为目的的无人自动驾驶，以民用为目的的安全辅助驾驶，以信息采集为目的的智能测绘、智能交通管理等均具有重大意义。在安全驾驶等领域，实时地认知复杂的路况，监测周边的行人及车辆，正确地判断当前及将来的状态并作出相应的决策，是辅助驾驶、自动驾驶的前提条件。智能车平台作为信息采集工具，可以从接近用户视点的焦点及位置，获取道路周边逼真详细的图像及三维数据信息，同时可以采集到人、车等移动目标的交通数据，为了解交通状况提供有力的基础依据。本项目以交通等真实场景为对象，以有效地感知及认知该大范围空间中的静态物体（包括建筑物，道路，树木，交通标示等）及动态物体（包括行人，自行车，汽车等）为主要目的，建立基于智能车及移动机器人平台，研究智能车，智能机器人，传感器系统，环境感知及认知等方面的基础理论，并开展与智能交通，测绘，安全监控，军事等领域的交叉应用技术研究。二、应用范围1. 安全检测（预警系统） 。2. 交通数据的采集（高度浮动车系统） 。3. 三维智能测绘。图 1 智能车平台图 2 理论及应用研发要素图 3 应用实例图三、技术优势本课题并非研发某一特定产品，而是面向一系列应用，通过实验平台及相关应用理论的研发，探讨其关键问题的所在，技术的局限及可能性，今后的发展趋势等等。本课题负责人长期从事基于智能车及传感器系统平台的应用及理论研发工作。做为课题的主要负责人在日本参加了官方及民间的 10 多项课题的研究。大多是跨学术及产业界的以面向实际应用为主的基