抗擾的板球控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(大連大學(xué) 素質(zhì)教育基地，遼寧 大連 116622)

0 引言

板球控制系統(tǒng)是典型的基于視覺圖像識別的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī)或氣缸)控制平板傾斜角度，實(shí)現(xiàn)對板上小球運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制。它涵蓋了機(jī)器視覺、圖像處理、運(yùn)動(dòng)控制、智能控制等多學(xué)科知識，并將其實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化應(yīng)用產(chǎn)品。專家學(xué)者多研究控制系統(tǒng)理論，但很少給出現(xiàn)實(shí)解決方案。板球系統(tǒng)是一個(gè)多變量，非線性控制對象，是球桿系統(tǒng)的二維擴(kuò)展。作為一個(gè)具有兩個(gè)自由度的機(jī)械控制系統(tǒng)，板球系統(tǒng)通常用于對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究和在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制過程中進(jìn)行研究的平臺。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在邊長為 70 cm 光滑的正方形平板上均勻分布著9個(gè)外徑 3 cm 的圓形區(qū)域，其編號分別為 1～9 號，通過控制光滑平板的傾斜，使直徑不大于2.5 cm的小球能在平板上按可設(shè)路徑滾動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)任意可設(shè)坐標(biāo)的定點(diǎn)停留，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力[1]。將從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路控制系統(tǒng)及軟件算法等方面[2]，詳細(xì)介紹板球控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程[3]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

板球控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作首先就要從機(jī)械結(jié)構(gòu)入手。精良的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅減少了控制過程中的機(jī)構(gòu)誤差造成的算法負(fù)擔(dān)，是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制的基礎(chǔ)，更能保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分，即攝像頭支撐架和平板部分，兩者是沒有任何機(jī)械連接的擺嵌關(guān)系，可輕松拆分組合，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)作。這是本系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的一大亮點(diǎn)，能分開裝運(yùn)，占空間小。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

攝像頭支撐架的主要作用是固定攝像頭，故其結(jié)構(gòu)沒有嚴(yán)格要求，有龍門架式和懸臂梁式，只要能立穩(wěn)不抖即可，本攝像頭支撐架是由空心方鋁管搭建的懸臂梁支撐架。而平板部分的機(jī)構(gòu)要求較為嚴(yán)格，分為光滑平板，底座和舵機(jī)執(zhí)行部件。光滑平板是邊長為70 cm，厚為1.5 cm的雪弗板，雪弗板可與木材相媲美，強(qiáng)度好,不變形，能使平板的表面盡可能的保持水平不出現(xiàn)弧度。密度比木材小，自重輕，可以減輕舵機(jī)的負(fù)載量。底座上的挺柱通過自主設(shè)計(jì)3D打印的萬向節(jié)與平板底中心連接，以中心點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，可以很好的限制光滑平板的X方向移動(dòng)，Y方向移動(dòng)及Z方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等四個(gè)自由度。為了使四自由度更有效限制，采用粗方形鋼挺柱，抗彎扭性強(qiáng)，同時(shí)穩(wěn)固性提高。舵機(jī)執(zhí)行部件兩個(gè)，垂直分布，用螺釘與底座固定，通過自主雕刻的擺臂連桿機(jī)構(gòu)分別與平板底側(cè)X，Y軸線上的一點(diǎn)連接，連接點(diǎn)皆用單向鉸支座。這樣兩個(gè)舵機(jī)靠擺臂連桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)可控的光滑平板X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成控制平板的傾斜角度。整體架構(gòu)看起來靈活輕便，機(jī)構(gòu)原理簡單明了。

1.2 執(zhí)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)

執(zhí)行部件主要由舵機(jī)及其傳動(dòng)件構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 執(zhí)行傳動(dòng)部件

系統(tǒng)采用 MG995 舵機(jī)作為動(dòng)力源，其金屬外殼能提供較好的散熱，金屬齒輪強(qiáng)度高，嚙合好，在高阻力、快沖擊甚至堵轉(zhuǎn)等情況下不易斷齒，具有過流保護(hù)，在額定功率下，響應(yīng)較快，精度夠，能提供 13 kg的扭矩。因此在設(shè)計(jì)擺臂與連桿等傳動(dòng)件長度時(shí)，具有較廣的范圍，擺臂如果過長，抗阻性低，擺角弧線放大率高，雖反應(yīng)速度快，但控制精度不夠。反之，擺臂過短，抗阻性高，擺角弧線放大率低，雖控制精度夠，但反應(yīng)慢。連桿根據(jù)擺臂長度而定，主要是將擺臂的上下運(yùn)動(dòng)傳遞給平板使之傾斜，同時(shí)確保擺臂的擺角中心位于水平。綜上，經(jīng)過初步的理論計(jì)算，分別設(shè)計(jì)與制作了5組擺臂和連桿，除長度不同之外，外形也略有不同，分別安裝后經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，最終確定能使控制比較精確且舵機(jī)載荷較小的擺臂長為50 mm，連桿長為100 mm。

2 電控設(shè)計(jì)

板球控制系統(tǒng)除了要有良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)外，還要有出色的電控設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)充滿活力，系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。電控設(shè)計(jì)包括硬件電路和軟件程序，其中硬件電路是電控設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而軟件程序則是電控設(shè)計(jì)的核心，兩者相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)可控，穩(wěn)定和高精度的板球控制系統(tǒng)。

圖3 電控設(shè)計(jì)框架

2.1 系統(tǒng)電路

硬件電路主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互模塊、攝像頭視覺模塊、電源模塊和舵機(jī)執(zhí)行模塊等構(gòu)成。單片機(jī)最小系統(tǒng)以恩智浦(NXP)半導(dǎo)體公司32位的MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)為主控芯片。運(yùn)行頻率高達(dá)100 MHz、嵌套向量中斷控制器、 512KB片內(nèi)Flash、16路通道DMA、多路16位ADC、多路PWM波通道、100多個(gè)通用I/O口等等，完全能夠滿足本控制系統(tǒng)所需要的所有功能模塊。

電源模塊采用開關(guān)電源模塊，由市電降壓為12 V再轉(zhuǎn)為直流電，輸出電流6 A。再由電路板上的LM2941-6 V，LM240-5 V，AMS1117-3.3 V等低壓差線性穩(wěn)壓芯片分別穩(wěn)出6 V、5 V和3.3 V等電壓源為各個(gè)模塊供電，焊接多個(gè)多值電容，電源模塊注重濾波防噪。因電機(jī)在啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)的時(shí)候瞬時(shí)電流都比較大，峰值能達(dá)到3A以上，因此要求系統(tǒng)必須有足夠穩(wěn)定的輸出電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選擇IR2104與IRFP4368組合，IR2104芯片是H橋驅(qū)動(dòng)芯片，耐壓值較高能夠達(dá)到幾百伏，通過單片機(jī)輸出的PWM信號轉(zhuǎn)化為電壓信號進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)管選用高頻、高速、超大電流MOS管IRFP4368，其最高電流可以達(dá)到200A以上，能很好的保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。板球控制系統(tǒng)的中攝像頭離平板高度約100 cm左右，支撐架上攝像頭與被攝物體距離跟拍攝效果有一定的距離關(guān)系。攝像頭的高度越高，采集的角度越大，容易出現(xiàn)雜波等失真。高度越低，雖然失真率低，但采集的角度小，不足以將整個(gè)平板均采集出來。綜合考慮，選用OV5116作為視覺采集模塊。它由模擬灰度攝像頭和信號硬件二值化電路組成，主要識別捕捉滾球在平板上的坐標(biāo)，故將球與平板各涂黑白兩色即可區(qū)分。OV5116模擬灰度攝像頭視頻信號中包括了多種同步信號及脈沖信號，利用LM1881芯片將只需要的灰度圖像信號從中分離出來?；叶葓D像信號在由雙路運(yùn)放芯片AD8032構(gòu)成的模擬信號反向比較器電路處理轉(zhuǎn)化成黑白二值圖像信號，可直接用普通I/O口讀取圖像，大大減少了單片機(jī)資源的占用，通過調(diào)節(jié)可變電位器即可對圖像二值化閾值進(jìn)行微調(diào)，電路如圖4所示。

圖4 硬件二值化

撥碼開關(guān)、按鍵和OLED液晶電路可組成人機(jī)交互部分，通過按鍵和撥碼開關(guān)可對程序參數(shù)進(jìn)行修改并重新存儲在單片機(jī)的片內(nèi)Flash中，而液晶用于顯示變量和圖像，方便了系統(tǒng)的脫機(jī)調(diào)試。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

小球在平板上的運(yùn)動(dòng)并不是亂七八糟毫無規(guī)律的，涵蓋著速度、加速度、動(dòng)能等等數(shù)學(xué)與力學(xué)的知識，是有一定強(qiáng)大的理論依據(jù)的。為方便對板球的控制算法設(shè)計(jì)，運(yùn)用所學(xué)的知識作適當(dāng)推理，以拉格朗日方程描述物體的運(yùn)動(dòng)，其功能相當(dāng)于牛頓第二定律，建立了與拉格朗日問題相關(guān)的簡單數(shù)學(xué)模型：廣義動(dòng)量對時(shí)間的變化率等于系統(tǒng)廣義力和拉格朗日力之和[4]。

(i=1,2,3…,n)

平板上的小球具有動(dòng)能和勢能，具有廣義坐標(biāo)和廣義速度，符合拉格朗日方程。

小球有兩個(gè)移動(dòng)方向、三個(gè)旋轉(zhuǎn)(可以忽略)；平板有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向[7]。此系統(tǒng)主要確定與控制4個(gè)自由度[6]：球的位置坐標(biāo)和平板傾斜角。

小球的動(dòng)能包括其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和在平板上的平移動(dòng)能[8]：

小球在運(yùn)動(dòng)過程中沒有滑動(dòng)，從而：

將兩公式合并，得出小球平移動(dòng)能：

平板的動(dòng)能包括其自身的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和小球繞平板支撐點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能：

將兩公式合并，得出平板的動(dòng)能：

選擇坐標(biāo)原點(diǎn)為零勢能點(diǎn)，則平板勢能為零，小球勢能Vb為：

Vb=mg(xsinα+ysinβ)

于是得到拉格朗日函數(shù)：

為描述小球在板上的運(yùn)動(dòng)情況，可解出小球的加速度與板的傾斜角度和角速度的關(guān)系：

還可以解出平板傾斜的動(dòng)力學(xué)受外部驅(qū)動(dòng)力和小球位置與速度的影響：

2.3 控制算法

控制算法的軟件程序分為人機(jī)交互初始化、圖像采集、坐標(biāo)獲取、控制算法和控制量輸出，其中前幾部分較為簡單，而控制算法才是系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，并且與機(jī)械結(jié)構(gòu)有所聯(lián)系，在此將單獨(dú)對本系統(tǒng)的控制算法作研究。通過數(shù)學(xué)模型的簡單分析，控制算法的設(shè)計(jì)就很簡單了。

2.3.1 控制思路

小球要想在水平板上靜止不動(dòng)，那么平板必須處于水平位置。當(dāng)要控制小球從甲位置滾到乙位置停止時(shí)，其理想的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象 做簡要分解，如圖5所示，可對小球從起始位置運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置的六個(gè)特征時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行粗略分析，小球是：靜止→加速滾動(dòng)→勻速滾動(dòng)→減速滾動(dòng)→靜止，而平板則是：水平→正向傾斜→水平→反向傾斜→水平。

圖5 六時(shí)刻狀態(tài)

上述平板的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)過程是根據(jù)小球的當(dāng)前位置實(shí)施調(diào)整的，球偏離目標(biāo)越遠(yuǎn)平板傾斜的角度越大，球離目標(biāo)越近，雖然平板傾斜的角度越小，但平板調(diào)整的頻率增高?？梢钥闯鲂∏虻臐L動(dòng)是平板以其水平位置為基礎(chǔ)的增減傾斜實(shí)現(xiàn)的。由于小球在光滑平板上滾動(dòng)，滑動(dòng)摩擦力小，加上舵機(jī)靈敏性的局限，系統(tǒng)難以在開環(huán)控制狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對小球的控制。因此，引進(jìn)了具有滾球位置坐標(biāo)實(shí)時(shí)反饋的PID閉環(huán)控制算法，閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

通過對各式PID算法的嘗試，本板球控制系統(tǒng)最終采用位置式PID控制算法，通過調(diào)節(jié)出合理的PID的算法參數(shù)，閉環(huán)效果明顯，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快反應(yīng)、高穩(wěn)態(tài)和高精度控制。

在完成目的任務(wù)之前小球在板上是一直運(yùn)動(dòng)的，攝像頭采集與處理的圖像信號會有一定的延遲，為了減小誤差并快速準(zhǔn)確的預(yù)測小球的運(yùn)動(dòng)位置，減少平板角度的調(diào)整頻率和角度，使用經(jīng)典的卡爾曼濾波算法的遞推預(yù)估，不斷的對小球的位置進(jìn)行采集->預(yù)測->更新->采集->預(yù)測-更新。

2.3.2 算法控制過程

相較于攝像頭到平板的距離，平板的傾斜幅度過小可以忽略不計(jì)，圖像幾乎不產(chǎn)生畸變，因此圖像處理和控制算法不用考慮三維模型中小球的坐標(biāo)及軌跡，完全可以當(dāng)作二維平面處理。以平板中心建立二維直角坐標(biāo)系，為了方便控制，運(yùn)用正交分解法，將小球的滾動(dòng)分解為X，Y兩個(gè)方向的分運(yùn)動(dòng)，并且分別單獨(dú)采用PID算法閉環(huán)控制，如圖7所示。

圖7 平面運(yùn)動(dòng)分解

即將實(shí)時(shí)捕捉到的小球坐標(biāo)(X0，Y0)，與目標(biāo)位置的坐標(biāo)(X，Y)相減，其中X軸坐標(biāo)的偏差△X用于X軸閉環(huán)控制，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)得出X軸的增量±PWM占空比，再與平板X軸向水平位置PWM占空比相加，控制量輸出給控制平板X軸向傾斜的舵機(jī)，完成對小球X軸向分運(yùn)動(dòng)的控制。同理，Y軸的閉環(huán)控制亦是如此。

平板的水平監(jiān)測是通過x、y兩個(gè)方向的舵機(jī)的轉(zhuǎn)角決定的。系統(tǒng)上電自檢時(shí)，除了要對攝像頭進(jìn)行初始化及板中心點(diǎn)定位之外，需要監(jiān)測x和y兩個(gè)舵機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)角對應(yīng)的PWM值，存儲在flash中，作為平板水平的基準(zhǔn)值，記為舵機(jī)中值。最終的PID調(diào)節(jié)只有兩個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角達(dá)到此值時(shí)，平板必然水平。

2.3.3 算法參數(shù)調(diào)節(jié)

PID控制器是由比例環(huán)節(jié)(placeP)、積分環(huán)節(jié)(placeI)和微分環(huán)節(jié)(placeD)組成。以下是PID控制器實(shí)際控制的部分核心C語言程序：

signed long int Servo_PIDControl(struct PID *pid)

{

signed long local_error = 0;

signed long local_derror = 0;

pid->local_Ref = Set_Mid_Servo;

local_error = pid->local_Ref - pid->local_FeedBack;

if ((local_error < local_DEADLINE) && (local_error > -local_DEADLINE))

{ ; }// 不執(zhí)行PID調(diào)節(jié)

else // 執(zhí)行位置PID調(diào)節(jié)

{

local_derror = local_error - pid->local_PreError;

// 計(jì)算微分項(xiàng)偏差

pid->local_PreIntegral += local_error;

// 存儲當(dāng)前積分偏差

pid->local_PreError = local_error;

// 存儲當(dāng)前偏差

pid->local_PreU = pid->placeP * local_error + pid->placeI * pid->local_PreIntegral + pid->placeD * local_derror; // 位置PID算法

if (pid->local_PreU >= local_MAX)

{ // 防止調(diào)節(jié)溢出

pid->local_PreU = local_MAX;

}

else if (pid->local_PreU <= local_MIN)

{

pid->local_PreU = local_MIN;

}

}

return(pid->local_PreU / 1000);

}

位置式PID控制算法是由單片機(jī)輸出的控制量直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這個(gè)控制量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置是一一對應(yīng)。由于此控制算法是全量輸出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對過去進(jìn)行累加；而且單片機(jī)輸出的控制量對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如遇外因?qū)е驴刂屏康拇蠓茸兓?，會引起?zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，造成嚴(yán)重的后果。因而系統(tǒng)采用輸出控制量增量的增量式PID。單片機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了placeP、placeI 、placeD，只要使用前后三次測量值的偏差，即可求出控制增量。

它能將兩個(gè)不相關(guān)的數(shù)學(xué)變量建立起聯(lián)系，類似函數(shù)關(guān)系中的映射，以坐標(biāo)的偏差為控制器的輸入，則可輸出控制舵機(jī)的PWM占空比。采用經(jīng)驗(yàn)法對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。比例系數(shù)placeP：將小球與目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)偏差進(jìn)行放大，使偏差的數(shù)量級符合占空比的數(shù)量級。比例系數(shù)由小逐漸加大，當(dāng)平板出現(xiàn)震蕩為止，則placeP值取當(dāng)前值的80%；積分系數(shù)placeI：消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，但在位置式閉環(huán)控制中的作用不大，故placeI值取placeP值的5%；微分系數(shù)placeD：具有預(yù)見性，能預(yù)見小球運(yùn)動(dòng)趨勢并超前控制，在小球還沒到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，通過小球的滾動(dòng)速率，可提前減速，故placeD值由小往大加，直到小球減速正好停于目標(biāo)位置為止。同樣的，PID算法參數(shù)的調(diào)節(jié)也是X軸、Y軸分別調(diào)節(jié)，由于系統(tǒng)基本上是理想對稱的，所有在X、Y方向上的閉環(huán)控制參數(shù)基本一致。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 測試方法

根據(jù)系統(tǒng)要求，控制光滑平板的傾斜角度使?jié)L球能在平板上按可設(shè)路徑滾動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)任意可設(shè)坐標(biāo)的定點(diǎn)停留。測量小球從起點(diǎn)位置到達(dá)目標(biāo)位置的時(shí)間，同時(shí)測量小球在從起始位置出發(fā)到達(dá)目標(biāo)位置的過程，其路徑的偏差，還有小球?qū)嶋H停留位置與目標(biāo)位置的偏差。所以測試儀器有秒表和直尺，多次記錄測試結(jié)果。由于測量時(shí)需要小球的位置痕跡，但有色的痕跡對攝像頭造成巨大干擾，所以將小球沾水浸濕，這樣小球的運(yùn)動(dòng)軌跡呈一透明的水印，即可測量有對攝像頭無干擾。

3.2 測試結(jié)果

表1 小球完成從同一位置出發(fā)至目標(biāo)位置并靜止的時(shí)間

(s)

表2 小球停留靜止后其實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差 (mm)

3.3 測試分析

通過測試的所得結(jié)果，放置小球從同一位置出發(fā)至目標(biāo)位置并停留靜止的時(shí)間大約在5秒左右，小球停留靜止后其實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差基本在0～3 mm之間，小球從同一起始點(diǎn)出發(fā)到目標(biāo)位置的過程中，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與理論要求的軌跡偏差也是在0～3 mm之間。由于攝像頭的像素不是很高，圖像不可能不含噪點(diǎn)及外界因素的存在，精度受到一定的干擾，但是各項(xiàng)精度基本上符合理論計(jì)算和理論預(yù)計(jì)，證明了PID控制算法[9]設(shè)計(jì)的參數(shù)可優(yōu)化性和調(diào)節(jié)性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 小球從同一起始點(diǎn)出發(fā)到目標(biāo)位置其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與理論要求的軌跡偏差 (mm)

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)在機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作上提高了精度控制、硬件電路設(shè)計(jì)上提高了控制簡易化、軟件算法設(shè)計(jì)上以拉格朗日理論為基礎(chǔ)簡化了控制算法。在機(jī)械方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作有許多創(chuàng)新進(jìn)步之處，特別是攝像頭支架與平板的分體式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)上的設(shè)計(jì)等?？刂扑惴☉?yīng)用了位置PID和雙PID控制策略及調(diào)參方法等具有工程實(shí)際意義，為板球控制系統(tǒng)理論與技術(shù)的發(fā)展具有積極的作用。通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，及機(jī)電經(jīng)驗(yàn)知識實(shí)現(xiàn)了這集機(jī)械設(shè)計(jì)制作，軟硬件電子控制于一身的機(jī)電一體化高精度板球控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)獲2017年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽全國一等獎(jiǎng)。