“芯查查杯”电子竞赛【往届优秀作品系列-NO.2】

上一期的师兄师姐的优秀作品是不是还没看过瘾就结束了呢？别慌，第二弹攻略精彩来袭！

优秀项目来袭

“膜”光靓影 - 新材料助力污水再生守护者

项目基本信息：

学校：重庆电子工程职业学院

队长：苏江

队员：李丽霞、曾子航、谭纤纤、龚辉

老师：樊凯、周言

项目摘要：

目前，我国再生水利用率仅为20%，无法满足用水需求，超滤膜作为污水处理主流工艺MBR的核心元件，其性能低下。难以达到政策和市场需求，研发一款高性能的超滤膜产品迫在眉睫。因此，本项目研发团队力求解决超滤膜行业痛点，首次采用稀土铝酸盐材料与国外品牌苏威聚偏氟乙烯、PVPK30致孔剂、NMP有机溶剂四种物质来改性超滤膜。

项目关键词：

新材料；超滤膜；高分子；MBR

技术原理功能：

本项目依托中国科学院上海应用物理研究所，历时5年自主研发稀土纳米粒子改性等四大核心技术，制备出行业首款稀土杂化高分子超滤膜。产品以生活污水为切入点，凭借高通量、高抗污染的优势，将污水处理效率提高40%，且出水水质实现地表水Ⅲ类的行业新突破。解决了传统滤膜水通量小、截留效果差、无法精确判断膜污染的痛点问题，突破了行业中超滤膜水通量大而导致截留率降低的技术难点，填补了稀土在超滤膜应用的空白，实现污水资源再生利用。

(中空纤维膜)

(平板膜)

基于视觉编程的机器人智能学习系统

项目基本信息：

学校：南京理工大学

队长：陈俊洪

队员：郑泽贤、李军达、曾润佳、何志铜

老师：刘文印、岑碧琦

项目摘要：

现有服务型机器人大多只能执行预编程的指令，以相对“精确”的方式完成特定重复动作，但当环境发生变化的时候，机器人无法快速适应新的工作环境而降低了生产效率，针对该问题，我们提出了一款基于视觉编程系统的智能机器人系统，该系统可使得机器人具备自学习能力，从而更好地进行协作任务；并且当场景发生变化时，系统可以根据环境实时调整，从而保障了生产质量。

项目关键词：

视觉编程；机器人系统；智能学习

技术原理功能：

1. 模仿学习

利用任务-目标导向方法对人的操作动作和操作物体进行分开识别，过滤操作过程中不相关或冗余的内容，只学习关键动作及使用操作物体，最终实现相同的操作目的。

机器人模仿人倒水

2. 视频流学习

利用深度学习技术，将视频进行元语义分解，识别出视频中的基本元素，并通过算法将元语义按照语义语法规则进行重组，最终形成机器人指令操作，该做法相比于其他机器人系统更高级在于其可以使用工具进行动作模仿，而不是简单的动作模仿。该技能不仅适用于家庭服务，更加能够跨场景进行部署。

炒菜视频(学习倒油)

炒菜视频(学习炒菜)

3. 人机协作

利用深度学习方法对人体关键点进行实时监测，通过动作关键帧和基于时间的动态模型对人的操作完成度进行判定，进而达到人机协作目的。

4. 语音交互

提供关键指令给机器人进行识别，机器人将语音识别后与对应的操作技能进行匹配执行，最终实现人机交互目的。

QCM-D/LSPR双技术融合 - 生物传感检测装备

项目基本信息：

学校：江苏科技大学

队长：刘建

队员：陈思思、谢雨珊、唐畅唱、宋泽曦

老师：朱琎

项目摘要：

核酸检测是目前检测病毒活性的有力手段，现阶段的主要检测方法包括抗原抗体、测序、PCR、CRISPR等，但这些方法普遍存在操作繁琐、对设备及操作者要求高、耗时长、试剂价格昂贵等限制因素，不能完全满足现场快速筛查的要求。QCM-D/LSPR双技术融合生物传感检测装备结合石英晶体微天平技术和局部表面等离子体共振技术，解决了因技术单一导致无法完全获取复杂生物分子特性、易受外界因素影响、实时动态同步测试与校准难以真正实现以及生物医学样品浪费等时代痛点，具有体积小、便携、易使用的特性。

项目关键词：

传感器;病毒检测;生物芯片;QCM;LSPR

作品介绍：

2019-nCoV属于RNA病毒，根据RT-PCR核酸检测方法，需要先将其逆转录为c-DNA，再进行扩增检测。由于在PCR扩增时期，模板的Ct值和该模板的起始拷贝数存在线性关系，可以通过荧光定量PCR所得到的样本Ct值的大小来判断病毒感染程度，病毒核酸浓度越高，Ct值越小，该检测方法反应时间约为70~80分钟。
QCM-D/LSPR双技术融合生物传感检测装备为解决现有病毒检测方法检测时间长、对设备及操作者要求高、检测结果假性程度高、试剂价格昂贵、检测技术单一以及无法检测突变病毒等问题，通过石英晶体微天平技术（Quartz Crystal Microbalance，QCM）和局部表面等离子体共振技术（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR），建立了各类抗体或病毒同时快速检测的方法，解决了因技术单一导致无法完全获取复杂生物分子特性、易受外界因素影响、实时动态同步测试与校准难以真正实现以及生物医学样品浪费等时代痛点，为现代病毒检测提供灵敏度高、假性概率低的便携检测设备，有效填补了现有的2019-nCoV新冠病毒等现代突变病毒核酸检测快捷诊断的技术空白。

(产品样机)

技术原理功能：

1. 无极测量池

无极测量池中，有机玻璃起隔热作用，金属铝腔体起导热作用。上盖开有两个通孔，分别用于入液管道和出液管道。底盖上装有金属弹簧电极，一端接QCM-D芯片，一端接外部频率采集模块。底盖中嵌入加热制冷片，其与温度控制模块相连接。在腔体内表面，覆盖有聚四氟乙烯保护层。在腔体内部，QCM-D芯片由橡胶圈固定在测量池中心，同时测量池上盖与底盖之间也由橡胶圈固定。在测量池的主轴方向，上下各装有透明的石英视窗，以供光源透入。在样液注入后，控制测量池的温度恒定，在纳米颗粒的一次透射和两次吸收现象后,得到LSPR消光光谱信号。由于特定序列与探针结合，石英芯片的质量发生改变，得到频率信号。

内部电极采用的是内径为4 mm，外径为8 mm 的环形金电极作为石英晶体的顶部电极，并选择半径为6 mm的圆形金电极作为底部电极，选择半径为30 nm，折射灵敏度为61.34 nm / RIU的球形金纳米颗粒来设计LSPR传感器芯片。芯片的振动频4,983,940 Hz。环形电极的目的是使中心区域透光，形成纳米颗粒的一次透射和两次吸收现象，从而增强LSPR光谱强度和光学灵敏度。将QCM-D技术和LSPR技术复合使用，是一种光电结合的方法，使得检测数据更加准确。

(测量池)

2. 频率采集模块

本产品装备有基于FPGA的并行操作运算系统，并利用等精度法设计了一套完善的频率采集系统。在假定外加质量均匀刚性地附着于QCM-D芯片的金电极表面的条件下,QCM-D芯片的谐振频率变化与外加质量成正比。如果Δf的分辨率为1 Hz,则Δm的测量分辨率约为5ng, 微质量的测量精度可以达到ng级。QCM-D信号采集系统的设计主要着眼于如何保证高精度的测量谐振频率的变化量。通过DSP向波形产生器写入控制字,产生频率可控的正弦信号,正弦信号经过驱动级电路驱动QCM-D芯片谐振器,谐振器的输出信号经信号处理电路提取处理后再由A/D系统采集，DSP系统读取A/D的采集结果就可以得到相应频率点上的输出信号,并将采集的结果传送给PC机,完成一次采集过程。按照预定的频率步长对待测频率段进行扫描, PC机将接收到的所有频率点上的信号值实时显示绘制出来,就可以得到QCM-D芯片的频谱特性曲线。

（频率采集模块）

3. 温度控制板

本产品装备有一套高精度智能温度控制系统，把优化参数的过程交给计算机来进行。在初始条件下，控制参数Kp设定为一个任意的但相对较大的值，Ki和Kd设定为零。若Kp值设的太大，系统变得不稳定，计算机程序会追踪最大峰值的大小，然后逐渐减小Kp的值。当峰值大小减小到低于预先设定的值时，一般小到和噪声水平相当，就认为参数已经最优化。然后将Ki值设定为一个相对较大的值，Kd设为零，优化程序对Ki进行优化。最后同样的优化方法对Kd进行优化。在采用拥有16位Sigma-Delta ADC通道、主频25MHz的MSP430系列MCU系统中，温度可以控制在±0.1℃范围内。

桌面式五轴联动数控加工中心

项目基本信息：

学校：郑州轻工业大学

队长：石永胜

队员：孙振坤、何行有、向慧健

老师：何文斌

项目摘要：

当前数控加工向高精度、高速度、高柔性、体系开放化方向发展。五轴联动数控机床可以加工工艺复杂的零件,但因技术难度大、造价昂贵,致使大多数高等院校无法购买,这阻碍了五轴联动数控机床先进制造技术在国内的普及,也阻碍了中国制造业的快速发展。本产品作为新一代桌面式微小型数控机床，主要运用于高校教学和实验场景下工作。

项目关键词：

数控机床、五轴联动、Mach3、Forge云数据库

技术原理功能：

本项目设计的机床采用双旋转台结构。主轴刚性好，结构比较简单。制造成本低，容易加工和组装。同时，整体结构布局采用梁式移动式龙门结构设计，摇篮式双振子旋转台振动减轻效果好，结构紧凑，占地面积小。
我们团队在开发过程中对五轴数控系统研制背景及意义进行分析，对国内外的研究状况进行调查，对我们的机床结构的总体机构布局、支撑架结构、传动系统进行布局，机床主轴以及驱动电机进行筛选设计。组装成机后更加小型化，更加精确，操作更加方便快捷。该机床主要特征参数：

X方向有效行程：100mm
Y方向有效行程：100mm
Z方向有效行程：100mm
B轴：±120°
C轴：360°

（系统框图）

我们项目关键技术就是将，三维建模、虚拟样机的多体动力学分析、多体静力学分析、有限元分析、机电联合分析相结合，这样能在研发之前就通过这种仿真和分析的方法尽量避免了一些不必要走的弯路，将我们的废品率大大的降低并且提高了在后期实验以及使用过程中出现的一些纰漏。

在研发过程中包含了几块；包括我们对整个加工过程的仿真，五轴刀路的模拟以及界面制定和功能的拓展最后是我们整体样机的测试以及量产。

（关键技术）

城市污水厂尾水 - 深度脱氮产业化技术

项目基本信息：

学校：河海大学

队长：蒋奕颖

队员：彭飞、陶琳、张雯彦、吴怡

老师：隋明锐、董跃

项目摘要：

由于污水厂尾水排放和地表水质量标准不一致，尾水成为地表水的污染源，以硝态氮为主要污染物。在污水处理厂内，硝态氮主要通过生物反硝化过程脱除，需要额外投加碳源提供反硝化过程所需电子，这些碳源最终都会转化为CO2，增加了温室气体的排放。此外，传统反硝化过程伴随大量的电能消耗，进一步增加了能源供应的紧张现状。
为了解决以上问题，践行节能减排，绿色能源的理念，本组设计了一种脉冲微电场下城市尾水深度脱氮智能化装备。该一体化装备主要由核心反应区、在线监控系统和智能控制系统组成。
其中核心反应区采用转盘式结构，利用电化学反硝化原理，在内部的不锈钢扇叶上富集、驯化反硝化菌，将智能控制系统的电源负极与不锈钢扇叶相连，为反硝化过程直接提供电子，无需添加碳源即可实现脱氮过程，与传统工艺相比，能源清洁，绿色环保。套筒内侧的脉冲微电场提供周期性电刺激，在节约电耗的同时还可激发反硝化菌活性，提高脱氮效率。通过在线监控系统和智能控制系统使装备能够精准监控硝态氮负荷，并以此为基础，实现电场精确控制，能源利用最大化，构建起智能化装备。是一种更加生态友好且高效低耗的污水处理厂尾水深度脱氮方案。

项目关键词：

污水厂污水深度脱氮、电化学反硝化、脉冲微电场、一体化装备、智能调控

设计方案：

该装备设计了核心反应区、在线监控系统、智能控制系统三大模块。尾水进入核心反应区，在脉冲微电场的作用下稳定处理，利用在线监控系统监测水质指标，由智能控制系统提供电源，并设计了使用APP，实现对装备的智能化调控。（图1和图2）装备的设计图纸