2022年智能汽車設計基礎計算機輔助設計

第4章智能汽車設計基礎

—計算機輔助設計4.1計算機輔助機械設計14.2計算機輔助電路設計2

思考題3第4章智能汽車設計基礎—計算機輔助設計4.1.1機械設計原理

為了提高智能車的競技性能，必須了解其機械結構，并且對其結構上的不足之處加以改進。通過對歷屆全國智能汽車競賽中各高校的參賽智能車進行研究后發(fā)現(xiàn)，想要取得較好的成績，智能車底盤的優(yōu)化和硬件設備的可靠性所占的比重要大于軟件程序及其控制策略所占的比重，因此有必要對智能車的機械原理進行一定的了解。機械設計原理就是研究機械的基本理論及設計技術等問題。具體來說，研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：4.1.1機械設計原理（1）機械設計總論主要介紹機械設計要求及機械設計中常用材料和選用原則、機械零件的強度驗算、機械零件的磨損及潤滑等理論，并對現(xiàn)代設計方法進行簡單的介紹。（2）常用機構及傳動設計研究機構的組成原理、運動分析及力分析方法，并重點介紹根據(jù)運動要求和工作條件設計常用機構及傳動的技術和方法。（3）通用零件設計研究通用零件的設計和選用問題，包括零件工作能力設計和結構設計，以及標準零、部件的選用等問題。（4）有關機械總體設計中的一些問題介紹機械傳動系統(tǒng)方案設計、控制系統(tǒng)設計及機座與箱體結構設計等問題。4.1.1機械設計原理機械設計的基本要求包括以下幾個方面：（1）功能要求機械產(chǎn)品必須完成規(guī)定的功能，并保證功能參數(shù)在限定的范圍內(nèi)。（2）可靠性要求機械的可靠性通過可靠度來衡量?？煽慷仁侵冈谝?guī)定的使用時間（壽命）內(nèi)和預定的環(huán)境條件下，機械產(chǎn)品能夠正常地完成其功能的概率。不同場合使用的機械，對其可靠度有不同的要求。（3）經(jīng)濟性要求所設計的機械應在設計、制造和使用的全過程中都應力求達到合理的成本范圍內(nèi)。主要的方法有：采用恰當?shù)脑O計方法，縮短設計周期；構思合理的工作原理，簡化結構；選用適當?shù)脑牧?，減小尺寸和質量；制定合理的制造和裝配工藝；注意最大限度地采用標準化、系列化及通用化的零、部件等。4.1.1機械設計原理

（4）社會性要求機械產(chǎn)品的操作應方便、安全；外觀造型和色彩應大方宜人；具有較強的市場競爭力；遵循國家及相關部門環(huán)境保護等有關法規(guī)。

（5）其他特殊要求不同的機械還具有一些該機械所特有的要求。例如，對機床有長期保持精度的要求；對飛機有質量輕、飛行阻力小而運載能力大的要求等。通過對參賽智能車機械設計的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，并不是所有的調(diào)整都對提高智能車的性能具有明顯的作用，其中前輪定位參數(shù)優(yōu)化、轉向舵機力臂增大和底盤重心位置對于智能車的機械性能有著較大的影響。4.1.2AutoCAD簡介AutoCAD是機械設計中常用的軟件之一，它是一種可自定義、可擴展的CAD軟件，具有二維繪圖、設計文檔和簡單的三維設計等功能。AutoCAD從，，，，R9～R14，2000，2000i，2004，2005至今天的2006版，歷經(jīng)了多次的改版更新，由于其在平面設計方面的功能比較齊全，其市場占有率很高。下面以AutoCAD2006為例來說明AutoCAD在機械設計中的應用。AutoCAD2006提供了高效的圖形集管理器，可以輕松地對圖形進行移植、展開，其直觀的功能讓學習變得更加容易；動態(tài)塊和增強的圖案填充等工具為用戶提供了便捷的解決方法。這些新功能與圖形集管理器等選項板相結合，為管理所有類型的項目提供了一套完整的解決方案。AutoCAD2006在機械設計的應用功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：4.1.2AutoCAD簡介（1）可方便地繪制直線、圓、圓弧和正多邊形等基本機械圖形對象，并且可以對圖形對象進行各種編輯，以構成各種復雜的機械圖形。（2）當某一張圖紙上需要繪制多個相同的圖形時，利用其強大的復制、偏移和鏡像等功能，能夠快速地通過已有圖形繪制出其他圖形。（3）AutoCAD能夠繪制出滿足符合國家機械制圖標準（GB）的線條寬度、文字樣式等。（4）提供了新的動態(tài)塊功能，可以快速有效地創(chuàng)建機械常用件和標準件的模塊，如符合國家標準的鍵、彈簧、軸承、螺栓、螺母和墊圈等；操縱塊并從中提取數(shù)據(jù)，當需要繪制這些圖形時，可以直接插入而不必要重復繪制。4.1.2AutoCAD簡介（5）新提供的動態(tài)輸入功能，可以使用戶將精力集中在設計繪圖而非軟件功能上。（6）可以方便地將零件圖組裝成裝配圖，能夠驗證零件尺寸是否正確、零件之間是否會出現(xiàn)干涉等裝配問題，同時還可以利用AutoCAD的復制和粘貼功能，方便地通過裝配圖拆分出零件圖。（7）當用戶設計系列產(chǎn)品時，可以方便地通過已有圖形修改派生出新圖形。（8）在設計復雜圖形時，AutoCAD提供Web共享設計信息、創(chuàng)建幫助，可方便地創(chuàng)建單個圖形并管理整個圖形集。同時AutoCAD可利用CAD生產(chǎn)中的新標準能幫助用戶獲得更大的成功。4.1.2AutoCAD簡介（9）AutoCAD使信息的連接變得簡單易行，使設計團隊在設計制造流程中可以開展協(xié)作化的產(chǎn)品開發(fā)，能夠與企業(yè)內(nèi)的任何員工或擴展的團隊安全共享設計數(shù)據(jù)，其功能有：能為有需要的用戶共享、查看、標記和管理2D,3D設計數(shù)據(jù)，支持與其他用戶的文件交換，并能在更改變得困難之前，減少設計流程中的錯誤，生成新的觀點，從而使業(yè)務流程能夠實現(xiàn)從創(chuàng)建到完成的平穩(wěn)運作。4.2計算機輔助電路設計14.2.1EDA技術24.2.2Protel4.2.1EDA技術1．EDA技術的內(nèi)涵EDA（ElectronicsDesignAutomation）即電子設計自動化?，F(xiàn)在電子系統(tǒng)設計依靠手工設計已經(jīng)無法滿足大規(guī)模電路設計的要求，因此在電路設計工作中需要采用EDA技術。EDA技術以計算機硬件和系統(tǒng)軟件為基本工作平臺，采用EDA通用支撐軟件和應用軟件包，幫助電子設計工程師完成電路的功能設計、邏輯計算、性能分析、時序測試直至PCB（印刷電路板）的設計等工作。在EDA軟件的幫助下，將設計者對電路系統(tǒng)的功能描述轉化為系統(tǒng)設計結果。利用EDA設計工具，設計者可完成對電路的性能分析、時序測試，減少設計的盲目性，極大地提高設計的效率。4.2.1EDA技術EDA通用支撐軟件和應用軟件包涉及電路與系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、圖形學、圖論和拓撲邏輯、計算數(shù)學、優(yōu)化理論等多門學科，其技術指標包括自動化程度、功能完善度、操作界面、數(shù)據(jù)開放性和互換性（即不同廠商的EDA軟件可互相兼容）等。EDA技術包括了電子電路設計的各個領域，即從低頻電路到高頻電路、從線性電路到非線性電路、從模擬電路到數(shù)字電路、從分離電路到集成電路的全部設計過程，輔助電子工程師進行產(chǎn)品開發(fā)，以及在電子產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程提供的各種輔助工作。2．EDA技術的基本特征采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力是EDA技術的基本特征。與這些基本特征有關的幾個概念如下：4.2.1EDA技術（1）并行工程和“自頂向下”設計方法并行工程是一種系統(tǒng)化的、集成化的、并行的產(chǎn)品及相關過程（主要指制造和維護）的開發(fā)模式。這一模式使開發(fā)者從一開始就要考慮到產(chǎn)品生存周期的質量、成本、開發(fā)時間及用戶的需求等諸多方面因素?！白皂斚蛳隆保═op-down）的設計方法是從系統(tǒng)級設計入手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結構設計，在方框圖一級進行驗證，然后用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路網(wǎng)表，其對應的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或專用集成電路?！白皂斚蛳隆痹O計方法有利于在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構設計中的錯誤，提高設計的一次成功率，在EDA技術中被廣泛采用。4.2.1EDA技術（2）硬件描述語言（HDL）用硬件描述語言進行電路與系統(tǒng)的設計是當前EDA技術的一個重要特征。硬件描述語言突出的優(yōu)點是：語言的公開可利用性；設計與工藝的無關性；寬范圍的描述能力；便于組織大規(guī)模系統(tǒng)的設計；便于設計的復用和繼承等。與原理圖輸入設計方法相比較，硬件描述語言更適合規(guī)模日益增大的電子系統(tǒng)設計。硬件描述語言使得設計者在比較抽象的層次上描述設計的結構和內(nèi)部特征，是進行邏輯綜合優(yōu)化的重要工具。目前最常用的IEEE標準硬件描述語言有VHDL和Verilog-HDL。4.2.1EDA技術（3）邏輯綜合與優(yōu)化邏輯綜合功能將高層次的系統(tǒng)行為設計自動翻譯為門級邏輯的電路描述，做到了設計與工藝的獨立。優(yōu)化則是對于上述綜合生成的電路網(wǎng)表，根據(jù)布爾方程功能等效的原則，用更小、更快的綜合結果替代一些復雜的邏輯電路單元，根據(jù)指定的目標庫映射成新的網(wǎng)表。（4）開放性和標準化EDA系統(tǒng)的框架是一種軟件平臺結構，它為不同的EDA工具提供操作環(huán)境。框架提供與硬件平臺無關的圖形用戶界面、工具之間的通信數(shù)據(jù)、設計數(shù)據(jù)和設計流程的管理，以及各種與數(shù)據(jù)庫相關的服務項目等。一個建立了符合標準的開發(fā)式框架結構EDA系統(tǒng)，可以接納其他廠商的EDA工具一起進行設計工作?？蚣茏鳛橐惶资褂煤团涮譋DA軟件包的規(guī)范，可以實現(xiàn)各種EDA工具間的優(yōu)化組合，將各種EDA工具集成在一個統(tǒng)一管理的環(huán)境之下，實現(xiàn)資源共享。4.2.1EDA技術EDA框架標準化和硬件描述語言等設計數(shù)據(jù)格式的標準化可集成不同設計風格和應用的要求，使得各具特色的EDA工具能有效地工作在同一個工作站上。集成的EDA系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)高層次的自動邏輯綜合、版圖綜合和測試碼生成，而且可以使各個仿真器對同一個設計進行協(xié)同仿真，進一步提高了EDA系統(tǒng)的工作效率和設計的正確性。（5）庫（Library）庫是支持EDA工具完成各種自動設計過程的關鍵。EDA設計公司與半導體生產(chǎn)廠商緊密合作，共同開發(fā)了各種庫，如邏輯模擬時的模擬庫、邏輯綜合時的綜合庫、版圖綜合時的版圖庫、測試綜合時的測試庫等。在這些庫的支持下，EDA工具能夠完成各種自動設計。4.2.2ProtelProtel99SE是澳大利亞ProtelTechnology公司推出的一個全32位的電路板設計軟件。該軟件功能強大，人機界面友好，易學易用，使用該軟件的設計者可以容易地設計電路原理圖，畫元件圖，設計電路板圖，畫元件封裝圖和電路方針，是首選的電路板設計工具。1．PCB板的全手工設計方式步驟簡介（1）基于系統(tǒng)原理圖的仿真。在畫原理圖時，只要Protel99SE的能力允許，最好對原理圖或部分原理圖進行仿真。（2）畫原理圖時，要注意每個元件都必須要有對應的封裝形式，而且封裝的焊盤號和原理圖引腳號之間必須有對應關系。（3）對原理圖進行電氣規(guī)則檢查后，建立原理圖的網(wǎng)絡表。

4.2.2Protel（7）將元件人工排列到電路板上，排列的規(guī)則是：電路的輸入端放在電路板左側；輸出端放在電路板的右側；元件和元件之間的連線最短；安裝元件時元件之間不能互相干涉等。在布置元件的位置時，最好不要使用自動方式，因為計算機目前還不具備足夠的智能去合理排列元件以滿足布置要求。（8）確定布線范圍。布線范圍是在禁止布線層確定的，一般也就是電路板的板框尺寸。若是需要鉆螺絲孔，注意在禁止布線層的螺絲孔上不能布線。（9）設置布線層。若為單層板，在菜單design/Rule中設置走線層；若為雙層板，不用設置，使用默認值就可以。

4.2.2Protel（10）設置銅膜線的走線寬度，一般走線寬度為10mil（0.25mm），電源和地線應該寬一些。當然，只要電路板面積允許，銅膜線還是寬一些比較好。有時還要考慮制板公司的能力，例如有的公司對于小于10mil線寬的電路板不能制作。走線寬度可在菜單Design/Rule中設置。（11）一切設置結束后，就可以啟動AutoRoute/All菜單進行自動布線。當布線完成后，在布線完成對話框中觀察布線的布通率。若為100％，就說明所有連接銅膜線全部完成。若不能100％布通，則需要回到預拉線狀態(tài)重新布置元件，調(diào)整線寬后再布線。（12）利用3D立體圖觀察電路板，若對元件布置或布線不滿意，可以使用Tool/Un-Route/All菜單去掉布線，恢復預拉線，重新安排元件后再進行布線。

4.2.2Protel（13）當對布線認可后，根據(jù)需要增加填充、鋪銅和輪廓。（14）對電路板運行電氣規(guī)則檢查（菜單Tool/DesignRuleCheck）。（15）對絲網(wǎng)層上的文字進行調(diào)整，然后寫上畫電路板日期、電路板說明等文字。（16）將所畫電路板圖存軟盤，送電路板制造商生產(chǎn)電路板。

4.2.2Protel2．PCB板設計的注意事項（1）采用自動布線在原理圖階段應注意的事項原理圖畫完后一定要進行錯誤檢查。若有錯誤，則一定要修正到?jīng)]有錯誤為止；在PCB板上用到的接插件也要在原理圖中畫出來并設定好封裝；電源正負號和電源地符號的網(wǎng)絡標號一定要設為不同的名稱。（2）元件、銅膜導線咬合柵格的設定若板上元件以分立元件占多數(shù)且元件密度較低，則可設定元件封裝咬合柵格為50mil，以方便各元件封裝的對齊。銅膜導線的咬合柵格可設為10mil（銅膜導線較密時）或25mil（銅膜導線較稀時），以便于銅膜導線穿過兩相鄰焊盤的空擋，也便于從焊盤的中心開始布銅膜導線。銅膜導線的咬合柵格可設為10mil（銅膜導線較密時）或25mil（銅膜導線較稀時），以便于銅膜導線穿過兩相鄰焊盤的空擋，也便于從焊盤的中心開始布銅膜導線。（2）當某一張圖紙上需要繪制多個相同的圖形時，利用其強大的復制、偏移和鏡像等功能，能夠快速地通過已有圖形繪制出其他圖形。（4）布線應注意的事項高頻元件之間應盡可能縮短走線，并要注意避免相互之間的電磁干擾；單面板銅膜導線線寬至少為20mil，個別特殊地方也至少為15mil；（3）對原理圖進行電氣規(guī)則檢查后，建立原理圖的網(wǎng)絡表。（5）新提供的動態(tài)輸入功能，可以使用戶將精力集中在設計繪圖而非軟件功能上。一般雙層板可直接建立，多層板則多采用向導建立。“自頂向下”設計方法有利于在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構設計中的錯誤，提高設計的一次成功率，在EDA技術中被廣泛采用。2AutoCAD簡介機械設計原理就是研究機械的基本理論及設計技術等問題。25mm），電源和地線應該寬一些。銅膜導線的咬合柵格可設為10mil（銅膜導線較密時）或25mil（銅膜導線較稀時），以便于銅膜導線穿過兩相鄰焊盤的空擋，也便于從焊盤的中心開始布銅膜導線。2AutoCAD簡介具體來說，研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：

4.2.2Protel（3）布局應注意的事項

熱敏感元件應遠離發(fā)熱元件；

功率器件盡量放在板邊沿；

較重的大型器件可鎖在機箱上由導線接到線路板；

高電壓器件之間及其引腳之間距離加大，以防爬電；

在板邊緣2～3mm范圍內(nèi)不要放置元件封裝，以便流水線生產(chǎn)；

可調(diào)元件及插撥元件應放置在方便操作之處；

高頻元件之間應盡可能縮短走線，并要注意避免相互之間的電磁干擾；

每個功能電路以核心器件為中心，圍繞它進行布局；

同類型元件軸向一致，排列整齊。

4.2.2Protel（4）布線應注意的事項