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限额设计在工程设计阶段费用控制中的应用

2023-11-11 08:49:34 收藏本文下载本文

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限额设计在工程设计阶段费用控制中的应用

篇1：限额设计在工程设计阶段费用控制中的应用

限额设计在工程设计阶段费用控制中的应用

重点论述了限额设计的过程和原理,以期对限额设计形成一套标准化的操作程序,达到在设计阶段控制投资的目的'.

作者：赵林海作者单位：煤炭工业太原设计研究院国际工程部部长刊名：科技情报开发与经济英文刊名：SCI/TECH INFORMATION DEVELOPMENT & ECONOMY 年，卷(期)： 13(9) 分类号：F403.7 关键词：工程设计限额设计工程造价管理

篇2：石油工程限额设计中工程造价的控制的论文

石油工程限额设计中工程造价的控制的论文

摘要：石油工程建设时间长，占用的资金大，实际工作中经常会出现三超现象。如何有效地控制投资，达到资源的最优化利用，是摆在我们面前的一个大课题。本文简要介绍了限额设计中造价控制的现状，造价控制的重点，投资控制的方法和实际工作中应注意的几个问题。

关键词:石油工程；限额设计；工程造价现状；重点方法

1概述

中石油每年投资约4000多亿元人民币，石油工程建设时间长，占用的资金大，投入的人工、材料、施工机械都很多。建设项目造价控制的好与坏，直接关系到工程质量的高与低，直接关系到项目的成功与失败。限额设计，是实现资源最优化配置的一种手段，即将概念设计或可行性研究批准的投资估算值做为投资上限，用其控制基础设计或初步设计，再以基础设计或初步设计批准的概算值为上限，控制详细设计或施工图设计。在满足项目各项使用功能的前提下，严格按分配到的投资额，实现设计各阶段的过程管理，管控好不合理变更和现场签证，以保证投资限额不被突破。限额设计有利于合理地使用人力、物力，有利于避免投资浪费，有利于取得良好的投资效益和社会效益。

2目前的现状

实际工作中经常会出现三超现象，即基础设计或初步设计概算额超过可研阶段投资估算批准额，详细设计或施工图设计的预算额超过概算批准额。造成工作中三超现象的原因主要有：由于设计人员本身的技术能力和工作责任心，加之工作经验缺乏，致使设计方案深度不够，初步设计较粗，设计丢项或落项；由于设计单位控制成本等原因，造成概预算编制人员没有去施工现场调研，缺乏现场的基础数据；现场施工措施费用计取不足；业主对设计方案的要求不断变化，造成真正施工的方案与审批的设计方案有差异；详勘做的不到位，施工中发现未知的地质条件等；除此以外，还有一些“钓鱼”项目，在项目初期，人为将投资估算额做得很低，当项目拿到手之后，加大工程量，导致概算和预算高出估算很多。不但给国家资金造成了巨大的浪费，同时也不利于项目管理，因此推广限额设计，显得非常迫切和重要。

3限额设计投资控制的重点

投资控制贯穿于建设项目全过程，根据国外的有关论述，不同建设阶段，影响投资的程度是不同的。在初步设计或基础设计阶段，影响项目投资的可能性为75%～95%，在技术设计阶段，影响项目投资的可能性为35%～75%，在详细设计或施工图设计阶段，影响项目投资的可能性为5%～35%，而在详细设计或施工阶段，现场设计变更和现场签证等，影响项目投资的可能性仅为5%以下。很明显，在限额设计中，项目投资控制的关键节点应放项目前期或项目决策阶段，在项目立项后，投资控制的重点应转移到基础设计或初步设计阶段。

4限额设计投资控制的对策

限额设计控制的对象原则上是影响工程设计的静态投资。静态投资中基本预备费为按工程费比例计提，不便进行分解。涨价预备费、建设期借款利息作为动态投资的一部分，也不便分解。投资中真正分解和控制的部分是建安工程费用和设备及工器具购置费。建筑工程工程量控制的主要内容包括：工程的结构形式，选用的设计标准、体积、总建筑面积和三材消耗量等；安装工程工程量控制的主要内容包括：各类站场的设计规模、设计输量、各种管径的规格、壁厚、长度、阀门的规格数量、设备规格、型号、主要参数、各类用电设备的负荷大小、电缆长度和桥架重量等；基础设计或初步设计阶段的工程量的确定，应以概念设计或可研阶段批准的工程量为基础并做相应细化，受可研深度的影响，某些不易确定的工程量，可参考已建或类似建成的工程量估算。

5限额设计中应注意的几个问题

5.1决策阶段，合理地编制估算

在工程造价的确定与控制中，决策阶段对工程造价的影响程度是最高的，国家的各种技术经济政策，建设规模、建设标准水平的确定，厂址的'选择，工艺参数的计算和选取，站场主要工艺设备的选型等都直接决定着工程造价的高与低。工程项目建设过程是一个长周期，大投入的生产过程，它不仅要受科学技术条件的限制，也要受发展过程和表现形式等客观规律的限制。在工程建设开始，就设置一个一成不变的投资控制目标，是不切实际的，我们只能设置一个粗线条的投资控制目标，这就是投资估算限值。在限额设计中，投资估算限值应能实是求事地反映业主要求。从工程的建设规模、站场布局等方面真实反映设计意图，主要工艺方案和站场选址方案要进行多方案技术经济比选，优化后的设计方案不仅要技术上可行，经济上也要合理。所以作为工程造价人员，从决策开始，就要深入地进入到设计各阶段中去，按照按单元分解和控制工程造价的原则，合理计算影响投资的各种风险，尽量把投资做到准确合理，使投资不留缺口，这是限额设计的重点，也是下阶段的投资控制的依据。

5.2在设计阶段，设计目标进一步明确，设计方案进一步优化

在项目立项和做出决策之后，下面的工作就是基础设计或初步设计和详细设计或施工图设计，技术复杂的还要做技术设计。基础设计或初步设计概算是工程造价控制目标的进一步具体化。在项目组成立后，项目经理应编写设计输入文件，将项目的设计原则，基础设计参数，设计压力，设计温度和投资控制具体目标向设计团队中的每一位队员交底，对工艺方案细化并进行多方案技术经济比选，和团队成员一起研究实现投资限额的可能性，把规定的设计任务和投资限额按设计专业下达到各设计岗位，督促设计人员进行进一步地细化。如果发现设计方案或某个专业的设计指标未达到投资分解控制的目标，超出投资限额，应及时反映给项目经理，并提出解决方案，不应等基础设计或初步设计概算额超出估算额后再去压缩工程投资，减少项目，缩减工艺设备，以至影响设计目标的实现，造成设计方案不合理，不能满足业主最终的使用要求。对于各专业设计人员，除熟练掌握本专业技能外，还应掌握一定经济基础知识，严格按照分配的投资限额去设计，并以项目结构分解单元为考核对象，实现对资源的最优化配置，使投资发挥出最大经济效益。例如，某供水工程初步设计，通过对管线的管径、路由和材质进行了十多个方案的技术经济对比，在总投资不超出限额的情况下，把输水规模由3×104m3/d提高到5×104m3/d，为建设单位节约投资3000多万元，取得了满意的技术经济效益。详细设计或施工图设计是指导工程施工的主导文件。详细设计或施工图限额设计是将详细设计预算或施工图预算严格控制在批准的基础设计或初步设计概算内，按照批准的基础设计或初步设计确定的设计规模，设计输量、设计参数进行设计。详细设计或施工图设计限额控制的关键点应放在工程量计算和施工措施优化上，基础设计或初步设计确定的工程量为详细设计或施工图设计的工程量最高上限，无特殊原因，不得突破。详细设计或施工图设计的局部修改和变更，引起正常投资变化是允许的，但应按设计程序做严格记录，如遇特殊地质条件、特殊天气、地下不明障碍物等，应按新增后的工程量重新计算并将投资控制目标作相应调整。当设计规模、主要工艺方案、主要工艺流程等发生重大改变时，必须重新修改或重新编制基础设计或初步设计文件，并报原批准部门审批，重新确定投资限额和控制目标。

5.3施工阶段，招标选择施工单位，严格控制工程变更和现场签证

在工程项目施工阶段引入竞争机制，当投资额达到国家标准后，除国家规定的某些特殊工程不得招标外，其余大部分均可采用公开招标或邀请招标的方法，择优选择施工单位。工程招投标是目前国家推行的主要工程发包方式，也是控制投资限额的重要方法。货比三家，建设单位可以以合理低价选择出最大程度满足要求的承建单位，这样，既有利于项目管理，又有利于实现限额设计。在工程施工中，严格控制工程的各种不合理变更和签证。设计变更和签证要严格执行审批程序，除非迫不得已进行的设计变更和签证，如地下遇到特殊地质条件，地下文物、地下光缆和管线等。设计变更要有严格的审批手续，要由原设计单位、业主、监理单位三方签字认可。

5.4合理控制现场费用

石油工程一般占地面积比较大，因此，征地、拆迁等与地方的协调费用也占有一定的比例，合理控制和使用这部分资金，也是有效控制工程造价的一个重要方面。尤其在长输管道项目中，永久占地和临时占地及各种赔偿费用等约占工程总投资的30%～40%，如何合理利用和使用好这部分资金，显得格外重要。

6结语

限额设计是一个投资的主动控制过程，是一个复杂的控制过程，需要各部门、每个人的参与，以上是本人对限额设计的一点认识，希望和大家共同研究。

篇3：在建设工程设计阶段如何有效控制投资

在建设工程设计阶段如何有效控制投资

工程设计是影响和控制工程造价的关键环节.有资料显示,在项目决策及设计阶段,影响工程投资的`可能性为30%～75%,而在施工阶段影响工程投资的可能性只有5%～25%.因此,工程投资控制的重点应放在设计阶段,同时兼顾施工阶段及竣工结算阶段.

作者：王茹环刘建华高红作者单位：王茹环(石家庄经济学院)

刘建华(石家庄市住宅开发建设公司)

高红(河北省国防建筑公司)

刊名：经济论坛英文刊名：ECONOMIC TRIBUNE 年，卷(期)： “”(4) 分类号：关键词：

篇4：工程经济中设计阶段的造价控制论文

任何施工单位在选择工程项目时，首先考虑的是其是否可行，是否可以为企业带来一定的收益，在综合多种因素之后，选择能够盈利的工程项目。对工程造价进行控制是确保施工企业利益的最有效的方法，而工程经济中设计阶段的造价控制作为全过程造价控制的关键部分，对整个工程造价控制的效果具有直接的影响。因此，应严格把控工程经济中设计阶段的造价控制关口。工程经济中的设计阶段的主要任务是根据项目建设的任务书，并结合实地勘测和考察的结果进行初步设计工作，确定施工图和施工方案，将抽象的施工建设直观地反映在建设图纸上，使得工程建设施工有章可循。此外，利用相关工程价值计算方法，对设计阶段的过程造价进行估算，确保设计方案可以体现经济性原则，最终实现节约工程建设投资的目的。对工程经济中的设计阶段实施造价控制是事前控制的重要体现，为了防止施工阶段无章可循，事前进行设计工作，合理控制设计阶段的造价，减少设计商造成的工程造价成本的增加，优化设计过程，控制整个工程造价成本。据相关调查资料分析，设计费用在整个工程成本中所占的份额仅为1%，但是其对工程总造价的影响程度却达到了75%，由此可见，设计阶段的造价控制工作在整个工程造价控制中是有多么的重要。

篇5：工程经济中设计阶段的造价控制论文

2.1设计阶段造成的工程造价失控

由于在设计工作开展之前缺乏可行性的研究和调查，使得设计缺乏一定的理论和实践根据，设计方案缺乏科学性和合理性。在设计过程中，经常出现变更设计方案的现象，造成设计存在一定的漏洞，经常会漏掉重要的设计项目，最终使得工程造价失控。

2.2技术设计阶段造成的工程造价的失控

工程的技术设计并没有相应的法律和制度作为保障，使得在设计中的投资无法做到有效利用，出现了资金浪费的现象。设计人员过度重视技术设计，而忽略经济性原则，设计概算的最终结果与实际存在很大的出入，有时设计概算要远远大于实际投入，无法保证设计阶段造价控制的有效性。此外，设计人员在进行设计中一味地追求建筑的美观和高大上，而忽视工程造价控制，使得许多工程建设因临时添加的功能而要增加投资成本，使得工程造价失去了控制。

2.3设计人员缺乏成本意识

设计人员错误地认为自己的工作就是负责工程项目的设计工作，而在设计过程中忽略了造价控制，使得设计缺乏经济性，不利于节约投资成本，在一定程度上造成了施工企业或单位的经济损失。还有一部分的设计人员对造价控制缺乏深刻的认识，忽略了设计阶段造价控制的重要性。因此，使得工程经济中设计阶段的造价失去控制，进而影响了施工企业或单位的经济最大化目标的实现。

篇6：工程经济中设计阶段的造价控制论文

3.1树立经济理念，积极转变设计思想

工程经济中会设计阶段造价控制之所以出现失控的局面，很大一部分责任要归咎于设计人员缺乏一定的经济的理念上，对工程造价控制的认识不足，进而逐渐形成了“重技术、轻经济”的设计理念，在设计阶段铺张浪费严重，无法对设计阶段的造价进行有效的控制。

3.2推行限额设计，优化设计方案

工程设计方案是在国家规定标准范围内，功能设计是否能满足实际的使用需求都是工程设计阶段要考虑的因素。工程项目设计不仅关系到项目建设一次性投资的金额，更直接影响工程项目的经济效益。因此，工程项目设计人员在进行设计的过程中，要综合利用各种指标对设计方案所涉及的每项数据进行核对，及时修正错误，不断优化设计方案，将工程造价控制在合理的范围内。限额设计是降低工程项目成本的有效措施之一。在进行设计招标和设计委托时，工程项目总投资金额已经做出了计算，并将计算的结果标注在了招标文件和委托合同里。但在设计时，设计人员只关注建筑工程项目面积和功能等指标，而忽略了工程造价，使得工程造价成本严重超出预算，导致企业经济利益受损。科学合理的限额设计方法在工程造价控制与管理中可以收到事半功倍的效果。因此，应建立起完整的限额设计管理办法，按照批准的'设计任务书和投资估算，制定初步的设计总概算，与工程有关的各专业也应按分配的投资额控制设计，保证工程设计阶段中的造价不突破预计的投资限额。

3.3引入市场竞争机制，推行工程设计招标

工程建设需要科学的设计方案作依托和根据，以确保建设施工的顺利开展。在工程设计阶段引入市场竞争机制，为各个设计企业或单位提供一个公平合理的竞争环境，遵循“经济实用性”原则对设计企业的设计方案进行筛选，并根据严格的设计招标方法，确定最佳的设计方案，与资历最强的设计企业或单位建立合作关系，最终实现设计阶段节约资金的目标。

3.4严格执行现有的设计规范和标准，依法建立奖惩制度

设计人员在进行设计之前，首先应熟悉相关法律政策，严格履行相关设计规范和标准开展设计工作。通过科学的奖惩制度来规范设计人员的设计工作，避免铺张浪费、超期等问题的出现，对违反相关设计规定的设计人员严格处置，使其承担相应的责任，为其他设计人员的设计工作奠定基础。而且还要对保证工程建设质量，节约资金投入的设计人员进行奖励，以提高设计人员工作的积极性。

4结论

目前，施工企业对造价控制的认识越来越深入，深刻地意识到了设计阶段造价控制对于整个工程造价控制的重要性。本文就工程经济中设计阶段的造价控制问题及其原因进行探讨，并提出了几条有效控制工程设计阶段造价的策略，具有一定的参考价值。但是对工程经济中设计阶段的造价控制的研究工作还需进一步的深入，需要更多的研究学者广泛地开展相关研究工作，进一步提升工程经济中设计阶段造价控制在整个工程建设中的地位和作用，不断优化提高工程造价设计阶段控制的策略，切实保障施工企业或单位经济利益的获得，为工程建设的稳定发展奠定坚实的基础。

参考文献:

［1］乔国秀，张蒙生.浅谈工程经济中设计阶段的造价控制［J］．内蒙古水利，(2):142－143.

［2］王非.浅谈设计阶段的工程造价控制［J］．经营管理者，(21):348.

［3］王利荣.关于工程经济中设计阶段的造价控制探析［J］．城市建筑，(8):154.

篇7：浅谈价值工程在设计中的应用

价值工程(Value Engineering)，又称价值分析，是一门技术与经济相结合的现代化管理科学，设计是工程建设的基础，设计方案上任何环节的不合理或缺陷所留下的隐患都会造成工程项目投资的不良经济后果。应用价值工程理论，对工程项目进行科学的分析，对设计方案进行优化选择，不仅从技术上，还要从技术与经济相结合的前提下进行充分论证，在满足工程结构及使用功能要求的前提下，依据经济指标和综合效益选择设计方案，显得越来越重要。

笔者根据多年的造价工作实践经验，谈谈如何运用价值工程原理，在工程项目设计中优化设计方案、降低工程造价，提高经济效益，使价值工程技术在工程设计中得以更广泛的运用，使设计项目真正做到技术先进、功能齐全、造价合理。

一、价值工程与工程设计的关系

价值工程是指重于功能分析，力求用最低的寿命周期总成本，生产出在功能上能充分满足用户要求的产品、服务或工程项目，从而获得最大的经济效益的有组织的活动。一般来说，提高产品价值的途径有五种：一是提高功能，降低成本;二是功能不变，降低成本;三是成本不变，提高功能;四是功能略有下降，但带来成本大幅度降低;五是成本略有上长;但带来功能大幅度提高。

价值是评价某一产品、服务或工程项目的功能与实现这一功能所消耗费用之比合理程度的尺度，用数学比例式表达如下：

价值(V)=功能(F)/成本(C)

设计不仅是关于工程技术领域的科学，也受社会、政治、经济等方面的制约。在设计过程中，利用价值工程对设计方案进行经济比较，对不合理的设计提出意见，运用价值工程原理，对方案实行科学决策，对工程设计进行优化，使设计项目的产品质量，也就是产品最终价值体现在经济效益和社会效益中。由此可见设计质量的优劣是价值工程应用的最好体现。在工程设计中应用价值工程，对资源合理配置，增加设计产品的科技含量和价值均具有重大的意义。

二、价值工程的核心和方法

价值工程的核心是功能分析。它通过对产品的功能分析，研究如何以最低的产品寿命周期成本去实现产品的必要功能。就是说在项目设计时，对产品进行工艺方案分析的同时，还要对产品的功能进行分析，从而确定必要功能和实现必要功能的最低成本方案。

价值工程分析的方法有多种，选择对象进行功能分析时，一般采取经验分析法、ABC分析法以及百分比分析法。在价值工程分析中，我们首先根据项目的具体情况，确定工程项目应用价值工程的对象和需要分析的问题，一般考虑设计标准高低的确定，设计内容中有无不必要的功能，在应用价值工程进行有组织活动时，我们把价值工程活动同质量管理活动结合起来，把各专业人员(工艺、设备、建筑、结构、电气、给排水、总图运输等)组织起来，发挥集体的力量。各专业设计人员充分利用价值工程分析方法，寻找在满足质量要求的前提下降低成本的途径，通常选择价值量大的单项进行重点分析，同时对不同的项目采取不同的解决方法。在具体的价值分析时，收集各种基础资料和技术资料，应用功能分析的原理，对项目实体进行系统的功能分析，如分析项目的每个分项工程、甚至每个专业在项目设计中的作用。寻找有无其他方法能实现项目的功能，同时从功能和成本两方面来进行评价，计算改进方案的成本和功能值，根据改进方案的评价，从中优选最佳方案。

三、价值工程在工程设计中的应用

价值工程作为一门运用管理技术，在设计过程中的运用实际上是发现矛盾、分析矛盾和解决矛盾的过程。具体地说，就是应用价值工程，分析功能与成本的关系，以提高设计项目的价值系数，

在设计中要勇于创新，探索新工艺、新技术的可能性，有效的提高设计技术的价值。通过优化设计来控制项目成本是一个综合性的问题，不能片面强调节约成本，要正确处理技术与经济的对立统一是控制成本的关键环节。设计中既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求，使项目达不到功能的倾向，又要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。设计人员要用价值工程的原理来进行设计方案分析，要以提高价值为目标，以功能分析为核心，以经济效益为出发点，从而真正达到优化设计效果。

下面列举应用实例。利用价值工程优化设计方案，提高价值。

在某省重点“十五”技改工程设计中，我们运用价值分析方法进行方案优选，通过技术方法比较、经济分析和经济评价，把设计项目寿命周期成本的观念渗透到具体设计技术措施之中。该厂新建一座近10万平方米的联合工房，集制丝车间、卷接包车间、参观走廊、辅料高架库、配方高架库、办公及辅助用房于气体的综合建筑。工艺方案收集国内外有关资料，为实现某一功能提出各种各样的设想，并使其完善和具体化，我们进行了多种方案的经济比较，通过优化设计，改进了原不合理的工艺布局，减少了一些重复的、不必要的工序，最后确定的设计方案，是国内最先进的工艺流程，降低了工程造价近亿元，有效控制了工程成本，大大提高了企业的价值。

在总图的布置上，充分利用地势、地貌的特点，该工程建设场地东北角北面地势较低，与南面高差10米左右，利用地势的高差建设配方高架库，高架库设计为单层，层高10米，这样有机的把库房与厂房连接起立，工艺流程也顺畅，厂区内功能分区明确，人流、物流通畅，减少了填方工程量，节约了工程造价。该项目总图方案我们结合项目现场实际情况、场地现状进行三维空间规划与设计，同时注重设计方案的经济效果，以合理的工程造价，最大限度地满足功能需要，很好地利用了建设场地地形，使项目投资降低，经济效益显著。

在这一设计方案中，我们总结了以下几点：①要敢于打破框框，不受原设计的束缚，完全根据功能定义来设想实现功能的手段，要从各种不同角度来设想;②要组织各专业设计人员参加这一工作，发挥集体的力量;③把不同想法集中，充分考虑各种设想的利弊，综合确定新的方案，并逐步使其完善。

实例2：利用价值工程降低工程成本，提高企业经济效益。

在某瓷厂技改工程设计中，运用价值分析方法。首先我们进行广泛深入调查研究，根据企业现有厂房、设备等固定资产和财务状况，对扩建工程内容统一规划、统一安排、合理调配。彩烤车间4523平方米，建设单位已委托某县设计单位作了土建施工图设计，并按图打下了桩基，±0.000以上未建，按我院工艺设计，原土建设计不能满足工艺要求，需重做土建设计。在确定土建投资时，我们利用价值工程分析原理，寻找建筑、结构在功能满足使用要求、合理的基础上的最优方案，发现利用原设计柱网的布置，并利用原有厂房原料(一)车间、成型(一)车间，进行适当地改造，完全可以满足功能使用的要求，可节约土建投资600多万元。在确定设备投资时，对主要设备、材料的选择我们采用价值工程法进行比选。具体是采用两次价值系数进行评选，以最终价值系数大者为优胜者。通过价值分析，节约投资近500万元，提高了企业的经济效益。

实例3：利用价值工程，使项目投资略有上升，工程功能大幅提高。

通过价值工程活动，结合设计项目和所在地的自然地理条件，对设计成本进行分析，合理设计，有效利用资源，显然会大大提高其价值和功能。在建筑工程中，基础隐蔽工程部分往往发生变更较多，因为基础地质复杂、不确定的因素较多，一旦地质资料质量不高，缺乏科学依据，很容易造成设计不准确。例如：在某房地产开发项目设计中，由于地基复杂、地质资料提供不准确等问题，基础设计深度与实际不符，需重新修改施工图基础设计，基础深度加深为3.5米，局部加深达到4.2 米。修改设计后基础工程建设成本有所增加，我们利用价值工程原理进行分析，在这种深基础的情况下，建设地下室增加的建安成本约为单独建地下室的25%，而可以利用地下室做车库、地下商场等功能的提高，远远大于建安成本的价值，地下室的建设增加了建筑面积，可以给房地产开发商带来较大的经济效益。

篇8：浅谈GPS在管线工程控制测量中的应用

浅谈GPS在管线工程控制测量中的应用

文章以两个管线工程项目为例,概略叙述GPS系统在工程控制测量中的应用,说明GPS全球定位系统在工程控制测量中的高效率、高质量、低强度等特点.

作者：陈守如作者单位：连云港广播电视大学,江苏,连云港,22 刊名：大众科技英文刊名：DAZHONG KEJI 年，卷(期)： “”(8) 分类号：P228.4 关键词：GPS定位系统管线工程控制测量

篇9：LPC2106在足球机器人控制中的应用设计

LPC2106在足球机器人控制中的应用设计

摘要：足球机器人融合了计算机视觉、模式识别、决策对策、自动控制、无线通信、多智能体合作等多项技术，具有极高的研究价值。本文设计了基于ARM7微处理器的集中视觉足球机器人底层控制系统，简化了系统设计，满足微型机器人的控制需要。同时，也有利于足球机器人自主化的转型和发展。

关键词：足球机器人嵌入式系统 LPC2106 ARM7 PTR

以应用为中心的嵌入式系统，已经深入到生活的各个方面。相对于其它领域，智能机器人系统可以说是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。本文对嵌入式系统在足够机器人底层控制系统中的应用进行研究和设计。

1 足球机器人系统

足球机器人是计算机视觉、模式识别、决策对策、自动控制、无线通信、智能体设计与电力传动、多智能体合作等多项技术的结合体，是一个典型的智能机器人系统。足球机器人比赛集高科技、娱乐、竞技于一体，虽历时不长，但已经成为国际上广泛开展的高技术对抗活动，引起社会广泛的关注。研究与开发足球机器人系统，参加机器人足球赛是研究智能机器人，跟踪国际高科技理论技术的理想切入点，同时也是嵌入式计算机系统理论联系实际的极富生命力的成长点。

(本网网收集整理)

从国内外的比赛情况来看，目前主要是集中视觉的足球机器人比赛。如图1所示，在整个比赛中，视觉系统通过CCD摄像头和图像采集卡对场上情景进行实时采集和处理，把辨识结果送给决策系统，通过无线发射器向车体系统发出一系列控制命令。机器人根据主机命令做出反应，在场上运动，同时能通过译码器进行位置控制以及基于传感器进行自动避障和简单识别环境。

通常足球机器人系统可以划分为机器人（车体）子系统、通信子系统、视觉子系统和决策子系统四个部分，通过计算机视觉子系统闭环而构成智能决策和控制系统（如图2）。从图2中可以看到，足球机器人车体是整个系统的执行机构，它直接体现了整个系统的性能。小车的性能主要由车体性能与车载嵌入式控制系统――微型足球机器人底层控制系统决定。当小车车体具有了良好的运动性能后，小车的性能就由车载嵌入式系统决定了。因此构建一个快速、安全、可靠的实时嵌入式系统是整个系统的关键。

2 系统设计和实现

2.1 系统任务

通过无线通信系统接受决策子系统传来的控制指令；根据运动指令控制小车左右轮转速；通过传感器判断场上环境信息，辅助机器人定位及运动。

2.2 微处理器选型

传统的微处理器如51、96系列应用于机器人系统，虽然开发周期短，成本低，但其实时性不好，复杂的控制算法难以实现；另外，增加的外围电路数据转换速度慢，使机器人的性能得不到充分的发挥。高速DSP的出现虽然使得系统模块化和全数字化，但其开发套件成本高。与DSP具有同等性能的ARM微处理器资源丰富，具有很好的通用性，其主要技术优点是高性能、低价格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域，因此将ARM应用于机器人控制系统不失为一种好的策略。

LPC2106是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S微处理器，嵌入128KB高速Flash存储器。采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。多个32位定时器、PWM输出和32个GPIO使它特别适用于工业控制和小型机器人系统。本文就是以LPC2106为核心，设计结构简单、性能稳定的足球机器人车体系统。

2.3 车体系统设计

采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机作为驱动电路。LPC2106产生的PWM波经专门的集成电路双H桥驱动器L298放大，驱动左右轮电机。编码器输出两路具有90度相位差的脉冲，经正交脉冲解码，为CPU提供反馈的计数值和转动方向。LPC2106透过无线接收模块接收主机命令，并融合外传感器电路反馈的.环境变量进行电机的PID闭环控制。CPU保留JTAG在线调试接口，方便程序的编写、下载和升级。系统硬件组成原理图如图3所示。

（1）电机与驱动电路

微型直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能和非常高的效率广泛的应用于小功率系统中。为了控制直流电动机，采用定频脉宽调制（PWM）控制。这里，由于LPC2106本身就带有6个PWM输出口，直接输出控制信号即可，无须另加电路。不过，其输出的PWM波功率有限，须由驱动电路放大后才能驱动电机。

考虑到电压、电流的等级尺寸、外观等因素，采用了L298来代替三级管所构成的驱动电路。L298驱动电路如图4所示。

L298是恒压恒流双H桥集成电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可达到2A。L298的EN A（第6引脚）、EN B（第11引脚）分别与LPC2106的PWM4和PWM6相连，作为调制信号。SENSE A，SENSE B为电流反馈引脚。电机控制方向引脚如表1所列。

表1 L298控制引脚使能逻辑关系

ENA（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止

Vss电压最小为4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V。但经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。

（2）无线接收模块

小车通过无线接收模块接收主机发出的命令进行运动，通信的高速性、稳定性和准确性至关重要，它将直接影响整个系统的采样周期。采用PTR2000模块作为控制核心，它的显著特别是所需要外围元件少，设计非常的方便。传统的无线通信电路方案不是电路复杂就是调试困难，PTR2000是一款基于nRF401芯片的无线数据收发模块，最高通信速率为20Kb/s，工作距离为10m内。采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，其工作频率稳定可靠，功耗极低且灵敏度极高，非常适合小型化的设计且其频率433.92MHz与434.33MHz可选，很好地满足了比赛的要求。

图5给出了PTR2000与LPC2106的接口电路图。其中，DO、DIIV与分别LPC2106的TXD0（13引脚）和RXD0（14引脚）相连，作为串行通信的通道。CS为PTR2000模块的频率选择信号，PWR为模块节能引脚，正常工作为高电平。TXEN是模块发射接收控制，由LPC2106的I/O口控制。PRT2000是收发一体的集成芯片，采用3.3V供电，可以与LPC2106进行无缝连接。PRT2000作为发射端与PC机相连时，需要通过一个电平转换器（这里用MAX3232）转换成RS-232电平。

主机采用广播式通信方式，依次发送13个字节，如图6所示，足球机器人根据ID指针去响应相应的字节，并校验启动位及自身ID校验字节，进行取舍。

（3）传感器模块

场上形势瞬息万变，单纯依靠视觉系统，经常出现空跑、顶牛或带球丢失等情况。为了稳定带球以及避免碰撞，有必要增加相应的传感器来识别场上的物体，实现避障与带球功能。

（4）电源模块

系统用同一电源给IC和电机供电，电池采用8.4V的可充电锂电池。除直接给电机供电外，还需分出5V给外围设备供电，由于LPC2106是双电源供电，CPU内核为1.8V，I/O口需要3.3V，所以电流电压经7805转换成5V电压，由线性稳压器TPS76818QD与TPS75733KTT分别提供1.8V和3.3V电压。同时采用专门的电源监控芯片MAX708S，提高了系统的可靠性。

2.4 程序设计

程序主要由初始化程序、串行通信程序，可调整PWM波输出程序、I/O口控制程序组成。主函数是一个响应中断的循环结构，如图7所示。

ARM7是一个支持多个操作系统移植的芯片。使用合适的实时操作系统（例如μCLinux等）来代替循环等待结构的主程序，使程序设计的任务大大简化，方便了系统任务的扩充，有利于系统的升级和转型。从系统移植的角度看，ARM比传统的51、96系列，甚至DSP单片机都具有明显的优越性。

3 结论

本文研究和设计一个基于ARM7微处理器的车载嵌入式系统，不仅满足了微型足球机器人控制系统的要求，同时，也为机器人的转型应用提供了良好的技术支持。