ddpp课程设计题目（精选6篇）
篇1：ddpp课程设计题目
注意事项：
1、每个同学做两个题目（组合逻辑设计和时序逻辑设计各选做一个）。
2、可以自由组队，每队人数不超过3人，并且需有分工。
3、题目也可以自拟，但需得到任课老师的认可。
4、鼓励将设计论文向各类期刊投稿，只要获得采用发表，本项成绩即为满分。
5、课程设计报告的要求：
题目
学号和姓名
任务和要求
总体方案的选择
设计思路的介绍
Verilog HDL代码
仿真结果截图
结果分析
总结
参考文献
6、第16周周二上交纸质版的课程设计报告。
组合逻辑电路的课程设计题目
1、设计一个保险箱用的4位数字代码锁，该锁有规定的地址代码A、B、C、D，4个输入端和一个开箱钥匙孔信号E的输入端，锁的代码由实验者自编。当用钥匙开箱时，如果输入的4个代码正确，保险箱被打开；否则，电路将发出警报（可用发光二极管亮表示）。
具体要求：1）写出该组合逻辑电路的分析和设计方法；
2）参考有关资料画出原理图，找出要使用的芯片；
3）画出真值表以验证是否正确；
4）使用Verilog HDL语言进行仿真。
2、试用十按键开关，与非门和七位显示数码管设计一个显示0-9的手动记分控制电路。
具体要求： 1)阐述设计思路；
2）列出真值表；
3）画出设计的逻辑图；
4）试用Verilog HDL对所画电路进行仿真；
5）试设计两种方案完成此项设计。
3、使用74LS83构成4位二进制全加/全减器。
具体要求：1）列出真值表；
2）画出逻辑图；
3）用Verilog HDL进行仿真；
4、设计一个多通道数据分时传送系统。
提示：多通道数据分时传送系统原理是，通过数据选择器将并行数据分时一一送出，再通过数据分配器(用译码器实现)将接收到的串行数据分配到其各个相应的输出端口，从而恢复原来的并行数据．数据分配器选用74154，为4～16线译码器，数据选择器选用74151A，为8选1数据选择器。
具体要求：1）列出真值表；
2）画出逻辑图；
3）试用Verilog HDL进行仿真；
5、设计一个多数判决器
设计内容：
该判决器的输入为11位的向量，若其中1的数量超过0的数量，输出设置为1。当Data_Ready信号为1时，才对输入数据进行检查。
设计要求:
1）给出系统的设计思路，设计各层次的verilog文件。
2）利用modelsim等软件对设计进行编译、调试。
3）通过功能仿真、时序仿真进行功能测试。
设计报告要求：
1）给出设计方案，画出设计的总体框图以及功能分割图，并做相应说明。
2）打印各层次的verilog文件。
3）给出测试结果。
时序逻辑电路的课程设计题目
1、出租车计价器
设计内容：1）进行需求分析，确定总体框架；
2）画出逻辑图；
3）对设计的电路进行仿真；
设计要求：1)根据出租车上的速度传感器传来的脉冲个数和设置的里
程单价来计算对应的总价格，并将总价格通过LED实时
显示；
2)起步价可以设置；
3）里程单价可以设置；
4）可以对总价格进行复位，从而为下次计费做好准备； 设计提示：本设计应主要实现两个功能，显示行驶里程与总价。行驶里程的计算可由计数器实现，每一个脉冲假设为1Km。实验系统有标准时钟信号，因此通过分频可以获得脉冲信号。
总价格可由可控制条件的累加器实现，然后予以输出。累加器可由一个加法器和一个可复位的寄存器组成，最后设计译码器，将2位的十六进制转化为BCD码。
2、自动洗衣机控制器
设计内容：1）进行需求分析，确定总体框架；
2）画出逻辑电路图；
3）对设计电路进行仿真；
设计要求：假设自动洗衣机的定时操作顺序是，洗衣10min，排水2min，脱水3min，然后停止。设计出这个自动洗衣机的控制器。
设计提示：本设计有4个状态，分别为初始状、洗衣系统、排水系统、和脱水状态。当有复位信号时，系统进入循环控制状态，依次执行操作，可从信号灯观察到所处状态。
3、数字密码锁
设计内容：
设计一个简单的数字密码锁，假设预设密码为4位数：0000，当输入正确时输出为
1、输入错误时输出为0。同时输出输入的次数，当3次以上输入错误时，输出一个超告警信号，即使第四、五次输入正确也输出告警信号。设计要求:
1）给出系统的设计思路，设计各层次的verilog文件。
2）利用modelsim等软件对设计进行编译、调试。
3）通过功能仿真、时序仿真进行功能测试。
设计报告要求：
1）给出设计方案，画出设计的总体框图以及功能分割图，并做相应说明。
2）打印各层次的verilog文件。
3）给出测试结果。
4、交通控制灯
设计内容：1）进行需求分析，确定总体框架；
2）画出逻辑电路图；
3）对设计电路进行仿真；
设计要求：以4个红色指示灯、4个绿色指示灯和4个黄色指示灯模拟路口的东、南、西、北4个方向的红、绿、黄交通灯。控制这些指示
灯，使它们按下列规律亮和灭。
1）初始状态为4个方向的红灯全亮，时间1S；
2）东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮。东、西方向通车，时间5S；
3）东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮，时间2S；
4）东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮，南、北方向通车，时间5S；
5）东、西方向红灯亮，南、北方向红闪烁，时间2S；
6）返回2），继续运行；
设计提示：1）一个典型的时序状态机，一共有6个大的状态；
2）黄灯闪烁可通过连续亮0.2S和灭0.2S实现；
3）利用实验系统中1KHZ作为设计中的初始时钟，通过分频得
到0.2S、1S和5S等时钟信号；
5、数字钟
设计内容：1）进行需求分析，确定总体框架。
2）画出逻辑电路图；
3)对设计电路进行仿真；
设计要求：1）6个数码管显示时、分、秒；
2）能使电子钟复位；
3）能启动和停止电子钟运行；
4）在电子钟停止运行状态下，能够修改时、分、秒的值；
5）具有报时功能，整点时喇叭鸣叫；
6、基于moore状态机的10101序列检测器的设计
设计内容：
设计一个moore状态机来检测序列“10101”，当输入序列中出现“10101”时，状态机输出1，允许使用重叠位，即：前一个“10101”最后一位1可以作为后一个“10101”序列的起始位。
设计要求:
1）给出系统的设计思路，设计各层次的verilog文件。
2）利用modelsim等软件对设计进行编译、调试。
3）通过功能仿真、时序仿真进行功能测试。
设计报告要求：
1）给出设计方案，画出设计的总体框图以及功能分割图，并做相应说明。
2）打印各层次的verilog文件。
3）给出测试结果。
7、基于mealy状态机的11011序列检测器的设计
设计内容：
设计一个mealy状态机来检测序列“11011”，当输入序列中出现“11011”时，状态机输出1，允许使用重叠位，即：前一个“11011”最后一位1可以作为后一个“11011”序列的起始位。
设计要求:
1）给出系统的设计思路，设计各层次的verilog文件。
2）利用modelsim等软件对设计进行编译、调试。
3）通过功能仿真、时序仿真进行功能测试。
设计报告要求：
1）给出设计方案，画出设计的总体框图以及功能分割图，并做相应说明。
2）打印各层次的verilog文件。
3）给出测试结果。
8、自动售货机的设计
设计内容：
设计一个自动投币饮料机，机器销售2.5元一听的饮料，且只接受1元和5角的硬币。
设计要求:
1）给出系统的设计思路，设计各层次的verilog文件。
2）利用modelsim等软件对设计进行编译、调试。
3）通过功能仿真、时序仿真进行功能测试。
设计报告要求：
1）给出设计方案，画出设计的总体框图以及功能分割图，并做相应说明。
2）打印各层次的verilog文件。
3）给出测试结果。
篇2：ddpp课程设计题目
一、物理题目的背景设计有助于激发学生的学习兴趣
兴趣是一个人积极探究某种事物或爱好某种活动的倾向, 积极的思维活动是建立在浓厚的学习兴趣和丰富的情感基础上的。作为教师要充分利用这些因素, 精心诱导, 努力提高学生的学习兴趣。
例如透镜的教学设计中, 笔者设计了一个与农村中学学生联系较为密切的情境:快下雨了, 小明帮妈妈把塑料薄膜遮在晒干的稻草堆上, 雨过后, 天放晴了, 小明妈妈急忙把塑料薄膜拿掉, 说会有“危险”。小明不明白这种危险是什么, 你知道为什么吗?要解开这个谜, 还是让我们先从一个小实验开始吧。具体生动的情境往往具有很强的感染力, 它不仅能引导学生思考, 还可以强化学生的情感体验。再如在讲授运动的物体具有的能时, 先引用真实的例子:从列车上飞出一只馒头, 使一铁路职工中“弹”昏倒;1991年10月6日, 海南海口市乐东机场海军航空兵的一架014号飞机刚腾空而起, 忽然受到猛烈撞击, 左前三角挡风玻璃完全破碎, 追究原因, 竟然是迎面飞来的一只小鸟。这是怎么回事呢?课堂气氛立刻活跃起来, 学生小声议论, 有的开始相互交换意见, 很显然, 学生对这一问题产生了兴趣, 这种兴趣是培养学生具有良好思维品质的重要前提和基础。
二、物理题目的背景设计有助于学生创造性能力的培养
教育, 不是往学生的脑袋中灌装东西, 而是让知识在学生的头脑里生根, 慢慢“成长”出来。物理知识不能由教师简单地灌输到学生的头脑, 而只能由学生依据自身已有的知识和经验主动地加以构建。正如荷兰物理家弗赖登塔尔所说, 物理学习主要是进行“再创造”, 也就是“物理化”, 这个过程必须是由学生自己主动去完成, 而不是外界强加的。
让学生亲自参与物理题目的背景设计就是一种再创造, 是一种有助于学生创造性能力培养的途径。
例如:利用手边的直尺 (或铅笔、圆珠笔等) 做一个小实验:两只手的食指水平放置, 分别托住直尺的两端, 然后让两个食指向中间靠拢。根据观察到的现象, 请你提出一个与物理有关的问题 (不要求解答) 。本题是一道结论开放题, 对学生提出问题能力的培养是新课程标准对开展探究性学习的首要要求。手指在移动时可以结合摩擦和杠杆平衡等知识进行提问, 这就要求学生得系统地应用这些知识进行创造性劳动, 同时学生可利用手边的实验工具进行实际操作, 边动手边思考, 使学生的创造能力得到培养。学生在动手操作的同时就会自然地出现许许多多的问题:手指在移动时, 直尺也会动吗?手指在移动时, 两个食指的表面所受摩擦力的大小相等吗?手指在移动时, 直尺会失去平衡吗?……
三、物理题目的背景设计可点燃学生的爱国主义情感
物理教材中蕴藏着许多进行爱国主义教育的内容, 因此可结合物理教学对学生进行生动、具体、形象及多种形式的爱国主义教育。通过介绍中国古代物理学史和杰出科学家的发明贡献, 使学生认识到中国人民是勤劳、智慧的, 激发和增强学生的民族自豪感和自信心。通过介绍新中国的建设成就和最新的科技成果, 激发学生更加热爱社会主义祖国。例如有一次学完汽化和液化之后, 正逢神舟五号飞天成功, 举国欢庆。我特地安排一节课, 让学生展示自己收集到的有关“神五”的照片和资料, 并热烈讨论从火箭发射到回收飞船全过程中涉及的物态变化和其他物理现象。虽然学生所学知识有限, 但在自由讨论中已能发现四种以上的物态变化并提出了许多有价值的力学、能量等问题。更重要的是, 这一堂“计划外”的课深深触动了学生的心灵。由此可见, 物理课堂既是学生获得科学与人文知识的场所, 也是学生自由讨论、畅所欲言的论坛, 学生的个性特长、学习潜能、创新能力都能在其中得到充分锻炼。我们应该认真挖掘物理教材, 并用其去点燃学生智慧的火花, 激发他们热爱祖国炽热情感。
好的物理题目背景设计能引发学生的问题意识、参与意识和合作意识, 使学生在物理题目的背景设计中产生好奇、怀疑、困惑、渴求、探究等活动, 让学生在“做物理”的实际活动中学习物理, 在物理题目的背景设计中不断产生问题, 不断分析和解决问题, 从而获得对物理的真正理解。
篇3：数学题目设计应“三讲究”
一、讲究新——提供新鲜的东西引起兴趣
目前课本中的题型几乎被计算题、应用题、证明题“垄断”。笔者在教学中注意使用客观性题型,如选择题、是非题、改错题、匹配题等新“包装”,让学生有耳目一新的感觉。如为了提高学生的阅读能力,在学习勾股定理及逆定理之后,设计了这样一道题:
例1:阅读下列题目的解题过程:
已知a、b、c为△ABC的三边,且满足:a2c2-b2c2=a4-b4试判断△ABC的形状。
解:∵a2c2-b2c2=a4-b4①
∴c2(a2-b2)=(a2+b2)(a2-b2)②
∴c2=a2+b2③
∴△ABC为直角三角形④
问:(1)上述解题过程,从哪一步开始出现错误?请写出该步的代号 。
(2)错误的原因为 。
(3)本题正确的结论是 。
这样的题型,由于解题过程较简洁,用时少,学生乐于解。同时为了激发兴趣,可根据数学内容,设计一些适合学生爱好的新题。
二、讲究活——挖掘习题本身的内在力量保持兴趣
为了让学生在解题时保持兴趣,可给学生提供一些能用多种方法解决问题的习惯。
如在解几何题时,根据课本习题,可故意隐去一些结论,让学生去解答、猜想、证明,迎合学生希望自己是一个发现者、探索者的欲望,给他们创设一种“探索”的感受意境;使其在解题中感到乐趣无穷。
三、讲究近——揭示知识的应用价值提高兴趣
在习题中揭示出知识的应用价值,让学生体验到数学在他们周围世界的力量,真切感受到所学的知识是有用的,学用结合,可以大大提高学生的作业兴趣。
贴近生活实际:为了让学生从解决“身边发生”的问题中去认识学习数学的重要性,可设计一些这样的习题。
例2:某家长经销一批货,如果本月一日售出,可获利100元,然后可将本利都存入银行,已知银行月息为2.4%;如果下月一日售出,可获利120元,但要付5元保管费。试向这批货物何时售出(本月一日还是下月一日)最好?
提示:设这批货的本金为x元,则两种售法收益之差为:
(x+100)(1+2.4%)-(x+120-5)=0.024x-12.6
通过这些发生在学生周围的学用结合的习题,不但使学生学习了课本知识,还解决了实际问题,能使学生产生强烈的求知欲,提高作业兴趣。
贴近社会热点:随着社会主义市场经济的建立,商品经济已成为当今社会的热点问题。为了让学生及早接触这方面的知识,提高解决实际问题的能力,可在习题中给予渗透。
例3:某商店以每瓶15元的单价出售化妆品,这种化妆品的制造和销售成本是每瓶8元。另外每天的固定经费费用400元(如取暖费、租金、保险金等)。现求这个商店每天应产销多少瓶化妆品才能获得利润300元?若每天销50瓶,是亏损还是盈利?
这种从当今“商品经济热”的实际出发而设计的习题,使学生学以致用,让他们当一回“小能人”“小经理”,形成为用而学,越学越有用,越学越爱学的良性循环。
篇4：主题班会题目设计“六字诀”
一、体现一个“情”字
情感是打动人心的秘诀。青少年天性活泼, 感情丰富, 热情洋溢。主题班会就要激发他们的爱父母之情、爱同学之情、爱集体之情、爱校之情、爱家乡之情、爱大自然之情、爱国之情……激发他们的豪情壮志。题目富有浓厚的感情色彩, 就如春风扑面, 燃起学生胸中炽热的情感之火, 使他们全身心投入。因此, 主题班会的题目只有注意学生情感的引发, 才能拨动学生的心弦, 使之产生共鸣。如召开主题班会使学生了解改革开放30多年来家乡的巨变, 激励他们热爱家乡, 树立为振兴家乡、建设家乡而努力学习的理想, 便可用《谁不说咱家乡美》为题。“谁不说”、“家乡美”是由衷的赞叹, “咱”亲切自然, 感情真挚。这个题目好似学生内心的呼唤, 定会激发学生作为家乡儿女的自豪感。
二、突出一个“趣”字
兴趣是学生接受教育的动力。对学习有兴趣的学生, 在学习中总是表现出主动、积极、紧张、愉快的状态, 从而提高学习效率。同样道理, 学生对主题班会产生了兴趣, 就会积极参与, 认真思考, 从而收到预期的教育效果。青少年在繁重的学习压力面前, 很容易会对学习失去兴趣, 特别是对一些枯燥无味的学科教学产生厌烦心理。这时, 需要班主任召开主题班会培养学生学习的兴趣, 提高学习效率。拟什么题目呢?《题海战术是学习的秘诀》《学海无涯苦作舟》, 司空见惯, 平淡无奇, 使学生精神紧张, 心理压抑, 兴味索然。而《在神奇的化学王国》《快乐英语园》《数学王国游》《漫游智力世界》《植物园里有学问》等题目, 满足了青少年喜新好奇、求知欲强、活泼好动的心理, 使学生情趣盎然, 可以有效地培养学生对学科学习的兴趣, 促其全面发展。
三、注重一个“思”字
组织主题班会的目的是为了教育学生, 其题目本身就应该有深刻的教育性, 发人深省, 给学生以启迪和智慧。好的题目决不能以文字作游戏、以哗众取宠为目的, 而应以激发思考为宗旨, 要引导学生从题目生动形象的字面去领悟内含的哲理。如《“扫一屋”与“扫天下”》这个题目可以激发学生思考“做小事”与“立大志”的关系, 思考如何从点滴小事做起, 锻炼本领, 完善自我, 为将来成为祖国的有用之才积蓄力量。《学习苦乐辩》这个题目激发学生思考苦与乐的辩证关系, 激励他们树立正确的苦乐观。再如, 《烙在心底的一句话》《这句格言伴我成长》要比《我喜爱的一句格言》更能激励青少年从格言中吸取修身养性、奋发向上的养分。
四、坚持一个“新”字
主题班会的内容大部分是久已存在而必须不断强化的, 如爱国主义教育、集体主义教育、理想信念教育、艰苦朴素教育……若题目缺乏新意, 主题班会就难以激情、激趣、激思, 加之当代青少年的心理又有求新、求实、求乐、求美的特点, 所以主题班会的题目必须新颖生动、巧妙别致, 有时代感。如新学年、新学期的开始, 万象更新, 是施行德育的好时机, 假若召开主题班会激励学生勇攀高峰, 再创辉煌, 用《新学期, 新目标》为题, 就缺乏吸引力, 而以《站在新的起跑线上》《雄关漫道真如铁, 而今迈步从头越》为题目, 不仅避免了老一套, 而且很有新意, 读起来也很有韵味, 为主题班会的成功创造了条件。
五、强调一个“小”字
主题班会的题目设计应从实效性出发, 力求做到小而实。“小”是指题目不要过大、过空。题目太大, 范围太广, 显得泛泛, 无从下手, 不好驾驭, 不易于学生理解和把握, 虽然表面上热热闹闹, 但实际道理并没有讲透, 给学生留下的印象并不深刻, 影响主题班会的教育功能。所以, 题目要弃大就小, 避虚就实。题目小, 针对性就会强, 主题就会展得开、拓得深, 对学生的震撼就会越大, 学生受到的素质教育也就越深刻。例如以《爱我中华》为题, 进行爱国主义教育就显得过大, 不如化大为小, 像《我爱祖国的版图》《国旗, 国旗, 我爱您!》《长城, 我为你骄傲!》等, 由一个点入手引发学生热爱祖国的情感, 激发学生的民族自尊心和自豪感。
六、讲究一个“简”字
篇5：小学作文题目设计中的激趣之法
1.让作文题目“泛生活化”, 拓展学生提取素材的范围
由于小学生的作文一般都难度不高, 限定的范围也会比较小, 如果不能让作文题目给学生提供足够的想象空间, 那么学生的习作质量就会大打折扣。基于教学实践来看, 作文题目越灵活, 越能够让学生找到自己感兴趣的、有东西可写的素材或者感悟。经过尝试之后, 笔者发现, 一旦作文题目能够和学生的生活实际紧密结合在一起, 学生的表达就会比较丰富, 语句也更有表现力。所以, 教师在设置作文题目时, 要尽可能的让作文题目“泛生活化”, 所谓泛生活化, 其实是要让作文题目的设计源于学生的实际生活, 只有学生能够从自身经历中找到素材, 才有可能产生表达的兴趣, 也有可能让习作内容更完美。以《瞧, 他笑了》这一作文题为例, 教师充分考虑到学生在日常生活中积累了无数开心快乐的事件, 而且这个题目学生能够想起的有很多、能够表达的有很多。学生拿到这个作文题目之后, 想起了很多这样的瞬间, 教师指导学生对素材加以甄选, 选择那些对自己有深刻触动的、自己有把握能够写的生动具体的内容。有些学生选择了父亲的笑、有些选择了同学的笑、有些选择的是老师的笑……可以选择的内容非常丰富, 学生也有兴趣表达这些东西, 习作质量得到了有效的提高。
2.拓宽作文题目的辐射范围, 提示学生选择自己感兴趣的内容习作
有些作文题目看似非常宽广, 但是实际习作过程中却会让学生无从下手, 一方面是这样的题目脱离了学生的生活实际, 另一方面也是作文题目中无法给学生足够的思考和拓展空间。从小学生的思维方式来看, 他们更多的是倾向于形象思维, 对作文题目的理解首先对题目进行形象创造, 比如写人他们就会先对号入座, 选择自己的母亲等。这种思维方式决定了教师在设计作文题目时, 必须要拓展作文题目的辐射范围, 让学生能够在作文题目提示的范围之内尽可能多的产生联想和感悟, 从而选择自己感兴趣的习作内容。以《试卷发下来之后》这一作文题目为例, 每个学生都有这样的经历, 而且试卷发下来之后发生的事非常多, 能让学生进行无穷的拓展, 学生选择自己感兴趣的内容来表达, 再加上适当的语言组织, 很快就能够完成一篇高质量的作文。
3.尝试材料作文, 给学生自由表达提供素材和平台
小学生的材料作文一直使用的并不多, 究其原因要归结于学生对材料的理解和拟定题目联系在一起提高了作文的难度。但是材料作文能够提供非常丰富的信息, 能激活学生的思维, 调动学生的学习积极性, 给学生的自由表达提供素材和平台。因此, 教师在编制作文题目时, 要适当的尝试材料作文, 选择发生在学生身边、能够引起学生共鸣的材料, 挖掘能够让学生产生感悟并且有话可讲的关键内容。以“你不能改变容貌, 但你可以展现笑容。你不能左右天气, 但你可以改变心情。你不能预知明天, 但你可以把握今天。你不能决定生命的长度, 但你可以拓宽它的宽度。这段话对你有什么启发?能引发你怎样的联想?请依据材料中的一句话或几句话, 确定中心, 写一篇文章, 不少于500 字”这个材料作文为例, 学生对容貌、笑容、心情、把握今天等都有比较丰富的认识, 而且学生可以选择其中任何一个内容来写, 拓展了写作范围, 创造了自由表达的条件。
可见, 小学作文教学中, 作文题目的设计是一项非常值得研究的内容, 也是解决小学生作文质量不高的重要手段, 小学语文教师要不断研究作文教学的方法和原理, 不断挖掘教材和生活中可以进行习作联系的素材, 充分调动学生的习作积极性。只有让学生能够对习作充满兴趣, 习作教学才能够获得质的飞跃。也只有教师掌握了从题目设计到评改各个环节的有效教学方法, 才能够确保学生习作能力和水平的提升。
摘要：从教学实践来看, 如果作文题目本身比较生硬、学生没有实际的生活经验作支撑, 而且学生也不能从题目中找到自己可以表达、感兴趣去表达的东西, 那么必然在习作中东拼西凑、记流水账。本文从让作文题目“泛生活化”、拓宽作文题目的辐射范围和尝试材料作文三个方面论述了小学作文题目设计中的激趣之法。
关键词：小学作文,题目设计,策略:泛生活化,材料作文
参考文献
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[3]徐桂兰.谈农村小学作文兴趣教学[J].学周刊, 2013.32:153
[4]卜娟.培养兴趣教给方法——浅谈小学作文有效教学的策略[J].剑南文学 (经典教苑) , 2011.10:31
篇6：ddpp课程设计题目
第六届(2014年)全国空间轨道设计竞赛由中国力学学会和宇航动力学国家重点实验室联合主办.本次竞赛题目按照难易程度分为甲、乙两个题目：题目甲为多体环境下的小行星取样返回轨道设计，题目乙为可利用行星引力辅助的航天器快速飞离太阳系轨道设计.最终，经主办方复核所有团队结果，中国科学院空间应用工程与技术中心团队获得题目甲第一名，而国防科技大学航天科学与工程学院团队和光电院与空间应用中心联队共同获得题目乙第一名.
自1959年苏联发射第一颗月球探测器，拉开深空探测的序幕后，各国纷纷发射多颗行星探测器，进行深空探测，目前已经实现对太阳系内所有主要天体的探测，而对于太阳系外的探测还在设想当中，旅行者1号就是对这一设想的有力实践，旅行者1号是由美国宇航局研制的无人外太阳系空间探测器，旅行者1号于1977年9月5日发射，曾到访过木星及土星，2013年9月12日，美国宇航局NASA确认，“旅行者1号”探测器距离日心约180亿千米，已经进入太阳系最外层边界，目前处于太阳影响范围与星际介质之间[1].
随着中国国力的增强，开展进一步走向深空、飞出太阳系的航天活动是未来航天领域发展的必然选择.本届竞赛题目乙正以此为背景，设计快速飞离太阳系的轨道，以便实现对太阳系外探测轨道设计提供参考.本文主要对题目乙的任务概述、题目总结与竞赛结果及各团队的解题情况进行了总结.
1 竞赛题目任务概述
1.1 问题描述
探测器将于2025年1月1日至2055年12月31日之间任意时刻从地球出发，逃逸太阳系，出发时刻认为探测器的日心位置在误差范围内与地球相同，运载火箭最大可为探测器提供大小为3 km/s的逃逸速度，方向任意选择.逃逸过程中可在任意时刻利用大行星的引力辅助效应，即飞越的瞬时获得大行星引力辅助所产生的速度增量，除此之外，探测器的飞行轨道只受太阳引力影响，不考虑大行星及小天体引力.根据飞至距离日心40AU处的飞行时间获得得分，并以此作为评价标准.
探测器最大载重2 500 kg，其中燃料罐质量为燃料质量的5%，设备自重500 kg，燃料质量可根据情况自由调整.
探测器的推进系统[2,3]可以采用两种方式，在最终提交的结果中，每支参赛队伍只可采用一种方式：
(1)有限推力的电推进，推进比冲3 000 s，推力最大值0.5 N，推力大小和推力方向可优化选择，电推进发动机可任意开启和关闭.
(2)大推力的化学推进，推进比冲500 s，每次推进可简化为瞬时脉冲，速度脉冲的大小和方向可优化选择，推进时刻和次数没有限制.
1.2 性能指标和评价标准
性能指标为从地球出发到逃逸到太阳系边界的总时间
评价标准：假设有N个结果正确并且满足约束条件，按照J的大小排序，J值最小的设计结果为最佳.
1.3 动力学模型及约束条件
选择J2000日心黄道惯性参照系(heliocentric ecliptic inertial reference frame,HEIRF)作为参考坐标系，除利用行星进行引力辅助外，只考虑太阳的引力和推进系统推力.动力学方程按推进方式分为如下2种：
(1)电推进方式
式(2)和式(3)中，r为探测器位置矢量在HEIRF中的位置矢量，µS为太阳的引力常数，为探测器到太阳的距离，为推力大小，T为推力矢量，ge为地球海平面重力加速度，Isp为推进比冲(3 000 s).
(2)化学推进方式
化学推进方式近似为若干瞬时速度脉冲，设任意一次的速度脉冲分量为∆vx,∆vy,∆vz，速度脉冲前后的时刻设为(t-∆v)和(t+∆v)，探测器的位置、速度和质量变化满足如下
当没有施加速度脉冲时，探测器只受太阳引力作用.
在设计过程中的探测器轨道约束条件如下：
(1)地球出发初始状态约束
地球出发时刻(t0)介于2025年1月1日00:00和2055年12月31日24:00之间.在地球出发时刻，探测器与地球的位置相同，运载火箭最大可为探测器提供大小为3 km/s的逃逸速度
(2)探测器终点状态约束
探测器最终与太阳的相对距离不小于40 AU.
(3)行星引力辅助的约束
设计者如果选择利用行星引力辅助，则只需将行星引力辅助近似为探测器在HEIRF中获得一个瞬时速度脉冲，而不考虑其在HEIRF中的位置变化，行星引力辅助的约束条件是探测器具有HEIRF中相同的位置.
2 题目总结与竞赛结果
2.1 题目特点总结
本届竞赛的题目乙在延续深空轨迹优化传统技术的基础上提出了新的要求.求解题目会涉及到全局优化的序列搜索、小推力的轨迹优化、行星引力辅助、最优控制求解等传统的深空轨迹优化技术.作为题目甲的补充，题目乙给深空轨迹优化爱好者提供了一个可以广泛参与的任务，各参赛队伍均能够容易实现问题的求解，从而保证了本竞赛的参与度.综合题目甲，本届竞赛在保证题目前瞻性前提下，题目和约束更加倾向于贴近工程实际任务需求.
在题目乙中，以最短时间逃离太阳系为最优指标主要基于两方面考虑：首先，以时间最优指标的优化问题在历届竞赛中是首次提出，而小推力的轨迹和行星的引力辅助需要以花费更多的时间为代价，这将与最优指标的矛盾更加凸显，因此，求解问题过程中会产生一些新颖的思路和结果.其次，从实际任务角度出发，兼顾深空探测器的寿命问题，最短时间逃离有助于探测器有更充足的时间进行太阳系外的探测活动.从而，使得该结果可以为我国后续任务设计提供实际意义的参考.
2.2 竞赛结果总结
经过2个月的努力,共有8支队伍提交了题目乙的设计结果.性能指标和排名情况如表1所示.
3 主要团队解法简介
本节对参赛队的设计思路与方法进行简要的介绍.由于篇幅所限，只给出部分代表性结果及设计方法.方法介绍与轨道数据均摘自各队提交的说明文档和轨道数据文件.
3.1 国防科技大学结果
探测器推进系统采用了小推力的电推进系统.为了满足最短时间飞离太阳系的性能指标，该队采用了尽早地用掉所携带的燃料，使探测器在更短的时间内增加到更大的速度的策略.该团队最终的飞行序列为：探测器从地球出发后，经过火星和木星引力辅助各一次，之后飞离太阳系，运行轨迹如图1所示.最终轨迹的飞行任务参数如表2所示，引力辅助参数如表3所示.
该队伍采用了改进的差分进化算法，根据提交的结果报告其解法概要如下：
(1)首先，估计采用小推力作用下直接逃逸策略：整段轨道分为全力推进段和双曲线滑行段两个部分，以最小逃逸时间为指标，对4个设计变量进行优化(即出发时刻t0，逃逸速度方向的角度u,v和初始燃料质量m)，最优结果为6.726年，该结果与中国地质大学(武汉)计算机学院提交结果相近.
(2)构造适当的考虑引力甩摆的全局优化模型，针对不同的行星甩摆序列进行全局搜索，确定可行的时间最短的飞行序列.根据筛选得到地—火—木的甩摆序列时间最短.
(3)进一步改进序列优化模型，采用折中考虑小推力最优性和计算效率的模型对小推力方向进行优化和改进.
3.2 光电院与空间应用中心联队结果
光电院与空间应用中心联队(中国科学院光电研究院，中国科学院空间应用工程与技术中心)结果中探测器推进系统采用有限推力的电推进系统，推进比冲为3 000 s.
与国防科技大学团队结果类似，该队也采用了地—火—木—外的甩摆序列.运行轨迹如图2所示.最终轨迹的飞行任务参数如表4所示，引力辅助参数如表5所示.出发时间相差约773天，总消耗时间相差仅2.2天，最优指标极其相近.
3.3 其他结果
竞赛的第三名和第四名分别为：中国空间技术研究院通信卫星事业部和第二炮兵工程大学，他们分别利用了木星、火星的引力辅助，实现加速逃逸的策略，结果轨迹如图3和图4所示.
中国地质大学(武汉)计算机学院的结果不使用引力辅助，直接以小推力推进，消耗完所有推进剂以获取探测飞行的最大飞行速度，最后探测器以该最大速度滑行至距太阳40AU处，如图5所示.剩余3个团队采用了化学推进，由于初始质量给定上限，采用化学推进方式获得的速度增量有限，导致该团队进行优化后得到的航行时间比较长，例如信息工程大学队伍采用化学推进优化结果轨迹如图6所示.
4 本次竞赛中得到的启示
对太阳系外的探测一直以来是一个难以解决的问题，主要原因是按照传统的深空探测方式，从地球飞出太阳系所耗时间过长，很难轻易试验成功.要想成功实现未来对系外的探测，对飞行耗时的量化必然成为一个很重要的问题.而本届竞赛的题目乙正是针对这一问题，试图探究可以最快地飞出太阳系的有效飞行方式.
本题以从地球出发至逃逸到太阳系边界的总时间为评价指标，更加注重甩摆借力和转移时间的权衡.主要考验参赛队伍把任务设计要求转化成优化模型的能力、在结果最优性与计算工作量权衡取舍等能力.题目乙在延续深空轨迹优化传统技术的基础上提出了新的要求.求解题目涉及到了全局优化的序列搜索、小推力的轨迹优化、行星引力辅助、最优控制求解等传统的深空轨迹优化技术.作为题目甲的补充，题目乙给深空轨迹优化爱好者提供了一个可以广泛参与的任务，各参赛队伍均能够容易实现问题的求解，从而保证了本竞赛的参与度.
结果显示，大部分团队充分考虑了引力甩摆技术与小推力推进技术，并进行了综合优化.经过多年的国际和国内的深空轨迹优化竞赛，基于小推力轨迹优化的方法和技术已经成为主要参赛队伍熟知的技能[4,5,6,7,8,9]，竞赛的过程就是反映各团队分析问题、综合利用这些技能解决问题的能力.值得注意的是前两名团队的结果均为地球—火星—木星—逃逸的甩摆序列，窗口时间处在不同的阶段，但最优指标结果非常接近.该结果非常巧妙地依次利用火星、木星的引力辅助，在时间最优和借力飞行达到了精妙的统一，该结果基本接近全局最优解.第三、四名的结果为采用了单一的火星或木星的甩摆，其结果优于直接小推力逃逸的最优时间.而如果轨迹的全局优化处理的不理想，借力飞行在调整相位上将花费大量的时间.采用化学推进优化结果的队伍也给出了出色的结果，表明采用引力辅助，即使只有化学推进也可以实现在10年左右时间逃离太阳系进行外太空探测的目标.但是，由于题目给出的化学推进的比冲远小于小推力，故而采用化学推进得到的结果得到的最优指标比小推力结果差一些.
尽管命题者经过仔细考虑和验算，然而由于水平有限以及时间仓促，题目中难免会存在不足.全国空间轨道设计竞赛的目的是“广泛交流，共同提高”，从历次比赛的结果可以看出国内多支队伍的轨道设计水平都有显著的进步，说明空间轨道设计竞赛作为一个交流平台取得了很好的效果.按照惯例，2015年第七届全国空间轨道设计竞赛将由本届题目甲的冠军团队中国科学院空间应用工程与技术中心负责组织举办.
摘要：对第六届全国空间轨道设计竞赛(题目乙)的题目和各个团队的解题情况进行了总结.包括竞赛题目任务概述、题目总结与竞赛结果、各团队的解法简介,以及从本次竞赛解题中得到的启示.
关键词：轨道设计,竞赛,引力辅助
参考文献
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