毕业设计（论文）基于GPS导航的自主行驶智能车模型设计.doc

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1、本科毕业设计设计题目：基于GPS导航的自主行驶智能车模型设计院系名称： 机械工程学院 专业班级： 机电11-2 姓 名： 学 号： 2011022508 指导教师： 职 称： 副教授 2015 年 6 月 24 日黑龙江科技大学毕业设计任务书学生姓名： 任务下达日期：2014 年 12 月 8 日设计开题日期：2015 年 4 月 8 日设计开始日期：2015 年 4 月 9 日中期检查日期：2015 年 5 月 13 日设计完成日期：2015 年 6 月 24日一、 一般部分设计题目：基于GPS导航的自主行驶智能车模型设计 二、设计的主要内容： 主要完成基于GPS导航的自主行驶智能车模型的转

2、向机构和减速器机构的设计与计算、硬件和软件设计。 三、设计目标： 设计一辆模型四驱越野车结构，尺寸约为500mm*300mm*150mm，重量不超过3kg，能够在较复杂路面行驶，行驶速度15m/s，通过GPS卫星进行自主导航行驶。 指 导 教 师： 院（系）主管领导： 2015 年 12 月6日黑龙江科技大学开题答辩及综合评定书对调研报告评阅意见（10分）：对可行性论证报告评阅意见（20）：开题答辩委员会审核意见：组长签字：成员签字： 年 月 日黑龙江科技大学毕业设计综合评定书指导教师评阅意见（10分）：评 阅 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日审阅教师评阅意见（10分）： 答辩时准备提出的

3、问题：评 阅 成 绩： 审阅教师签字： 年 月 日答辩委员会评语（50分）：答辩成绩：答辩委员会主任签字： 副主任签字：答辩委员会委员签字：年 月 日综合评定开题成绩（30分）评阅成绩（10分）审阅成绩（10分）答辩成绩（50分）综合成绩摘 要随着世界科技与军事发展，移动机器人技术取得了突飞猛进的发展。智能设备越来越在人类生活、工作等领域承担重要角色，其中智能车辆自主驾驶技术兴起之后，人们对智能车的关注度越来越高。本文对基于GPS导航的自主行驶智能车设计方案进行了探讨，设计主要针对机械部分、硬件部分和软件部分三个部分进行设计计算和元件的选型。其中机械部分设计了一套四驱越野车模型，硬件部分以AV

4、R ATmega2560芯片作为处理器，搭配GPS模块、传感器模块、电源模块等。软件部分采用C语言进行编写，分别对每个模块进行了算法设计及程序的编写，最后实现对自主行驶智能车模型的控制。关键词：智能车；GPS导航；AVR单片机；导航算法AbstractWith the development of science and technology, as well as military around the world, mobile robot technology has achieved astounding advances. Intelligent devices are playin

5、g an increasingly important role in our daily life and work, and other fields. Among them, after the emergence of autonomous driving technology of intelligent vehicle, people are paying more and more attention to intelligent vehicles.The paper explores the design scheme of autonomous driving intelli

6、gent vehicle with GPS navigation. The design mainly focuses on three parts, namely, mechanical part, hardware part, and software part, including design calculation and components selection. Among them, the mechanical part designs a four wheel drive SUV model; the hardware part selects AVR ATmega2560

7、 chip as the processor, complete with GPS module, sensor module and power module, etc.The software part is programmed by C language. Algorithm design and programming are conducted for each module. Eventually, it realizes control of the autonomous driving intelligent vehicle model.Key words: intellig

8、ent vehicle; GPS navigation; AVR singlechip; navigation algorithm.目 录摘 要 Abstract第一部分 调研报告11.1 学生教师简介 11.2 调研实证 11.3 毕业设计背景 21.3.1 车辆导航系统发展现状21.3.2 智能车发展现状31.4 企业概况 41.5 调研分析 41.6 结论 5参考文献 6第二部分 可行性论证报告72.1 设计目的72.2 方案论证72.2.1 发动机类型选择82.2.2 电池类型选择92.2.3 传动方案选择102.3 最终设计方案11参考文献 12第三部分 毕业设计计算书133.1 电

9、动机选择 133.1.1 电动机类型选择133.1.2 电动机功率的计算133.1.3 电动机转速的计算143.2 计算总传动比和分配各级传动比 153.2.1 车辆总传动比的计算153.2.2 传动比的分配153.3 运动参数及动力参数的计算 163.3.1 各轴转速的计算163.2.2 各轴功率的计算163.2.2 各轴转矩的计算163.4 齿轮传动设计计算 173.4.1 圆柱齿轮传动设计计算173.4.2 锥齿轮传动设计计算223.5 传动轴设计和选择 253.5.1 万向联轴器样式选择253.5.2 传动轴设计263.5.3 转向机构设计26第四部分 智能车硬件设计294.1 系统硬

10、件设计方案 294.1.1 ATmega2560-16U单片机介绍294.1.2 ATmega2560-16U最小系统304.1.2 ATmega2560-16U最小系统304.1.3 I2c总线接口314.1.4 RS-232-C串口总线接口324.1.5 USB接口334.2 ATK-NEO-6M GPS模块 334.3 GY-86 10DOF传感器模块 354.3.1 HMC5883L磁场传感器354.3.2 MPU6050六轴陀螺仪36第五部分 智能车软件设计385.1 导航算法设计 385.1.1 导航原理385.1.2 程序流程图405.1.3 相关代码405.2 GPS程序设计

11、425.2.1 NMEA-0183协议425.2.2 程序流程图455.2.3 相关代码455.3 六轴陀螺仪程序设计 475.3.1 基本原理475.3.2 程序流程图505.3.3 相关代码515.4 磁场强度传感器程序设计 525.4.1 基本原理525.4.2 程序流程图565.4.3 相关代码575.5 舵机控制程序设计 615.5.1 基本原理615.5.2 程序流程图635.5.3 相关代码63结 论66致 谢67参考文献68CONTENTS摘 要 Abstract1. Research report11.1 The introduction of students and te

12、achers 11.2 Examine object evidence 11.3 Graduation design background 21.3.1 Current situation of the development of vehicle navigation system21.3.2 The current situation of the development of intelligent vehicles31.4 Company profile 41.5 Research analysis 41.6 Conclusion5Reference62. Feasibility re

13、port72.1 Design goal72.2 Porject approachment72.2.1 The engine type selection82.2.2 The battery type selection92.2.3 Transmission scheme selection102.3 The final design scheme11Reference123. Graduation design calculation133.1 Motor selection133.1.1 Motor type selection133.1.2 Calculation of motor po

14、wer133.1.3 The calculation of motor speed143.2 Calculate the total transmission ratio and distribution ratio at all levels 153.2.1 The calculation of gross vehicle transmission ratio153.2.2 The distribution of the velocity ratio153.3 The calculation of motion parameters and dynamic parameters 163.3.

15、1 The calculation of the shaft speed163.2.2 The calculation of the shaft power163.2.2 The calculation of the shaft torque163.4 Gear transmission design and calculation 173.4.1 Cylindrical gear transmission design and calculation173.4.2 Bevel gear transmission design and calculation223.5 The shaft de

16、sign and selection 253.5.1 Universal coupling style choice253.5.2 Design of the shaft263.5.3 Steering mechanism design264. Smart car hardware design294.1 The system hardware design 294.1.1 ATmega2560-16U chip introduction294.1.2 ATmega2560-16U minimum system304.1.3 I2c bus314.1.4 RS-232-C bus324.1.5

17、 USB port334.2 ATK-NEO-6M GPS module 334.3 GY-86 10DOF sensor module 354.3.1 HMC5883L compass sensor354.3.2 MPU6050 gyro365. Smart car software design385.1 Navigation algorithm design 385.1.1 Navigation principle385.1.2 Program flow chart405.1.3 Reference code405.2 The GPS program design 425.2.1 NME

18、A-0183 agreement425.2.2 Program flow chart455.2.3 Reference code455.3 Six axis of gyroscope program design 475.3.1 Fundamental475.3.2 Program flow chart505.3.3 Reference code515.4 The intensity of magnetic field sensors program design 525.4.1 Fundamental525.4.2 Program flow chart565.4.3 Reference co

19、de575.5 The steering gear control program design 615.5.1 Fundamental615.5.2 Program flow chart635.5.3 Reference code63Conclusion66Thanks67Reference68第一部分 调研报告1.1 学生、教师简介表1-1 学 生 简 介姓名专业班级学号卞用方机械电子工程机电11-22011022508表1-2 指 导 教 师 简 介姓 名工作单位职 称学校导师林海鹏黑龙江科技大学副教授企业导师陈发展道通智能航空工程师1.2 调研实证图1-1 在深圳道通科技有限公司实习1

20、.3 毕业设计背景毕业设计题目：基于GPS导航的自主行驶智能车模型设计随着世界科技与军事发展，以及电子计算机，控制理论，人工智能等学科的长足进步，移动机器人技术取得了突飞猛进的发展。特别是在我们赖以生存的陆地上，无人设备的研究十分广泛，自主行驶智能车属于陆地移动机器人的一种，目前也是全世界研究的热点。现如今在航天领域，人类登陆地外行星已不是难事，而智能车可以在外星球进行勘探，采集样本，采矿等工作；在军事领域，智能车可以代替士兵在高位地区完成侦查，救援，排雷等任务；在民用方面，自动或辅助驾驶可以减少驾驶员的工作量，避免疲劳驾驶，从而可以减少交通事故。智能车还可以让残疾人拥有自己的汽车，帮助他们自

21、由行动。由此看来无论从人类科技的发展，军事或者民用领域上自主无人车研究都是大势所趋。11.3.1 车辆导航系统发展现状目前，车辆导航技术已经比较成熟，尤其以美国发展最为先进，相对比较发达的国家都已经建立自己的ITS（Intelligent Transport System），我国智能交通系统发展在二十世纪九十年代，目前我国政府、企业和研究机构也高度重视ITS的发展和建立，同时也设立了自己的ITS机构2。卫星导航定位系统主要有有美国的全球定位系统GPS（Global Positioning System）、俄罗斯的全球导航卫星系统GNSS（Global Navigation Satellite

22、System)、欧盟的伽利略导航卫星系统GALILEO（Galileo satellite navigation system）和我国自主研发北斗卫星导航系统BDS（BeiDou Navigation Satellite System）。对于GPS系统而言，美国已经制定出到2020年GPS的现代化规划。目前全球约有2000万人在使用定位系统(GPS)来进行导航。代表当今世界先进水平的美国GPS导航卫星有效载荷技术，已从第一代GPS Block 1卫星发展到第二代的Block2/2A、第三代的Block 2R、第四代的Block 2F和正在计划的第五代GPS 3卫星有效载荷技术。目前，美空军已完

23、成GPS-3系统结构与需求定义、需求分析研究、操作概念模式研究及通信网络与星间链路论证等工作，并开发了一套性能强大的集成GPS仿真系统（I-GPSS）软件，进行星座设计与系统性能分析3。1.3.2 智能车发展现状对于智能车发展状况而言，美国国防先进研究项目局（Defense Avanced Research Projects Agency,DARPA）主办的无人智能车挑战赛，极大地推动了无人驾驶汽车及相关技术在世界范围内的发展。谷歌公司的无人驾驶车是目前在真实交通环境中累积行驶里程最长的无人驾驶车，这个项目的领导者是来自斯坦福大学人工智能实验室的Sebastian Thrun，也是在他的带领下

24、斯坦福大学开发的无人智能车Stanley在2005年DARPA Grand Challenge比赛中勇夺冠军456。图1-2 谷歌公司研发的无人驾驶汽车国内，由国家自然科学基金委主办了“中国智能车未来挑战赛”，积极促进国内各大高校与研究机构对无人驾驶汽车的研发。国防科技大学研制的红旗HQ3无人驾驶汽车有长沙自主行驶至武汉，行车286公里，创造了国内无人驾驶汽车的行驶里程的记录78。1.4 企业概况此次调查的道通智能航空有限公司是一家新兴的无人机研发型企业，研发了包括VINTURE II 、X-STAR 3 等自主飞行无人机，主要针对欧美市场进行销售，在最近的美国拉斯维加斯CES2015(Int

25、ernational Consumer Electronics)国际消费电子产品展览会上广受好评。1.5 调研分析由于无人机与智能车在导航算法和传感器硬件等具有相似性，因此在公司实习期间，作为无人机测试人员，对GPS自主控制导航系统进行了深入的了解。目前小型智能设备在远距离自主运动控制中，分为惯性导航和GPS导航两种算法。其中惯性导航作为早期导航算法应用于导弹控制、火箭发射等，但是由于惯性导航对传感器精度和控制算法要求较高，并且作为一种开环控制方式，误差容易积累，因此目前广泛使用GPS搭配地磁传感器的方式实现导航。目前，无人驾驶智能汽车的研发水平，美、德两国最为先进，中国起步较晚，道路状况复杂

26、，实际应用中还需突破更多的技术障碍。制约我国无人驾驶智能汽车发展的因素主要有：1.市场投入。据了解，国外无人驾驶智能汽车的研发依靠大规模的产业投入，路面测试充分；而中国的研发与市场结合不仅，路面实验不是很充分。2.感知准确度。目前我国无人驾驶智能汽车在高性能传感器技术和复杂环境感知技术等方面与发达国家相比还有很大的距离。以谷歌无人驾驶智能汽车为例，它以谷歌街景提供的精细3D地图数据感知与识别目标，识别难度低而且处理速度快，而我国的无人驾驶车辆仅依靠所搭载的摄像机等传感器来完成自然环境感知。3.成本有待下降。感知准确度的提高必须依赖昂贵的传感器，例如，目前我国研制的无人驾驶智能汽车的激光雷达都是

27、进口的，国内并没有自主研发出替代产品。这就使得成本上升，不利于商业化推广。4.法律责任。无人驾驶智能汽车发生事故的法律责任需要界定；无人驾驶车安全设计原理以保护车内乘客为优先选择，而这可能会对行人的安全造成更大的隐患。5.外观设计。无人驾驶智能汽车外观上要解决仪器隐蔽的问题。6.电脑系统安全性。无人驾驶智能汽车运行高度依赖行车电脑，一旦受到病毒入侵或是远程控制，后果不堪设想。1.6 结论随着汽车工业的发展，关于汽车的研究也就越来越受关注。本设计就是在这样的背景下提出的，结合科研题目，采用处理速度较为快速的AVR ATmega 2560作为控制核心，可以应用在机器人，无人飞行器等领域。所以本设计

28、与实际相结合，现实意义很强。参考文献1 纪超.基于ARM的无人车GPS导航系统的设计与实现D.西安：西安工业大学.2013:5-10.2张其善，吴今培，杨东凯.智能车辆定位导航系统及应用M.北京：科学出版社,2002:1-25.3 ANTONIOU Michail，CHERNIAKOV Mikhail，Space-surface bistatic synthetic aperture radar with navigation satellite transmissionl:a reviewJ.Science China.June 2015：1-3.4 Urmson,Chris，J.Andre

29、w Bagnell，Christopher R.Baker，Martial Hebert，Alonzo Kelly，Raj Rajkumar，Paul E.Rybskietal.Tartan racing:A multi-modal approcah to the DARPA urban challenge.2007.5 Montemerlo, Michael, Jan Becker, Suhrid Bhat, Hendrik Dahlkamp, Dmitri Dolgov, Scott Ettinger, Dirk Haehnel et al. Junior: The Stanford en

30、try in the urban challengeJ. Journal of Field Robotics.2008，Vol.23, No. 9,:569-597. 6 Thrun, Sebastian, Mike Montemerlo, Hendrik Dahlkamp, David Stavens, Andrei Aron, James Diebel, Philip Fong et al. Stanley: The robot that won the DARPA Grand ChallengeJ. Journal of field Robotics, Vol. 23, No. 9 (2

31、006): 661-692. 7 孙振平.自主驾驶汽车智能控制系统D.国防科技大学博士学位论文，2004.8 孙兆斌.自主移动机器人导航与控制中的增强学习方法研究D.国防科技大学硕士学位论文，2010.9 唐有根，李文良.镍氢电池M.北京：化学工业出版社，2007.5.10 王大康，卢颂峰.机械设计课程设计M.北京：北京工业大学出版社,2009.12-13.11 深圳市好盈科技有限公司.深圳市好盈科技有限公司EB/OL，12 李振刚,机械设计M,哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2013.8.第二部分 可行性论证报告2.1 设计目的设计一种四驱越野车结构的智能车机械结构平台，尺寸约为重量不超过4K

32、G，能够在较为复杂的路面上行驶，行驶速度约为15m/s，采用GPS的方式进行自主导航行驶。2.2 方案论证2.2.1 发动机类型选择根据智能车尺寸大小，因此选择动力方式依据目前市场上可见的RC模型车使用的动力方案，RC模型车较为常见动力类型有以下三种：1.汽油动力RC模型用二冲程汽油发动机工作原理与摩托车发动机工作原理一致，使用90-97号之间的汽油，并混合机油即可。汽油动力有以下优缺点：优点：结构简单，性能稳定，行驶时间长。缺点：调整复杂，体积重量大，噪音巨大，有一定危险性。图2-1 汽油发动机2.甲醇动力RC模型甲醇二冲程风冷发动机，使用专用合成燃料，以甲醇为主，混合蓖麻油，硝基等化学物质

33、，使用点火器点火，属于热火式发动机。甲醇动力有以下优缺点：优点：与汽油发动机相比体积小，重量轻，转速较高。缺点：调整复杂，燃料昂贵，噪音更大，并且寿命较短。图2-2 甲醇发动机3.电动力RC模型用无刷电机，以电池作为动力，输出电能到无刷电机上，使用电子调速器对电机进行调速控制。无刷电机具有以下优缺点：优点：便于调整，体积小，转速高，噪音小，寿命长，较为安全。缺点：续航能力弱，控制较为复杂。图2-3 无刷电机根据以上优缺点对比，在牺牲一定续航的情况下，选用体积小，噪音小，安全性高的动力输出更为适合，因此选用电动力作为动力输出。2.2.2 电池类型选择作为无人车关键部分，动力电池对整车动力性，可靠

34、性有重大影响，动力电池需要具备能量密度高、输出功率高、寿命长、低内阻、无记忆效应、可靠性高、成本低等特性。表2-1 常用车动力电池参数和性能比较9电池种类比能量（Wh/kg）比功率（W/kg）寿命（次）成本（美元）温度（）优点突出问题铅酸408050080040价格低，可靠比特性差镍氢601201000200040比能量高价格高锂离子100250600150450比能量高高温启动根据表2-1，较为可行的三种电池分别为铅酸蓄电池，镍氢电池，锂离子电池。1.铅酸蓄电池：铅酸蓄电池作为动力型电池的应用历史最长，具有技术成熟、成本售价低廉、可靠性好、原材料易得等优点，是目前最为常见的一种车用蓄电池。但

35、是铅酸蓄电池的比能量和比体积都较小，这导致其一次充电的行程短，运行效率低。2.镍氢电池：镍氢电池是继镍镉电池之后的新一代高能二次电池。由于它具有高容量、大功率、无污染等特点而备受人们的青睐，是当今二次电池重要的发展方向之一。但是充放电较为麻烦，自放电现象严重，性能比锂电池差。3.锂离子电池：锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池， 是电池行业继镍氢电池之后的又一次技术上的重大突破。锂是金属中最轻的元素，且标准电极电位为-3.045V，是金属元素中电位最负的一个元素。与铅酸电池和镍氢电池相比，锂离子电池具有以下优点：工作电压高达每节3.2V4.2V， 相当于3节镍镉或镍氢电池串接起来的电压值

36、， 能减少电池组合体的数量，从而使因单体电池之间的电压差所造成的电池故障的概率减少许多，也就是说大大延长了电池组合体的寿命；能量密度高，是镍氢电池的两倍，几乎是镍镉电池的1.53倍；能量效率高，锂离子电池可达99%以上，远高于镍氢电池5565%的平均水平；自放电率小，一般自放电率小于6%；循环寿命长，可循环充电1000次以上；无任何记忆效应；不含重金属及有毒物质，不污染环境，是真正的绿色电源；还可以进行大电流充放电。因此选择锂离子电池方案更为合适。2.2.3 传动方案选择车辆常用两种传动方案。1.皮带传动1. 电机 2.球笼式万向联轴器 3.轴承 4.直齿轮 5.皮带 6.车轮图2-4 皮带传

37、动方式皮带传动方式由电机1带动减速齿4，通过前后双皮带带动轮胎运动。其优点是传动效率高，行驶速度快，结构较为简单。缺点是皮带不具有密闭性，容易在行驶过程中进入灰尘，颗粒等物体造成齿轮损坏，并且皮带容易老化变形，可维护性差。2. 轴传动1. 电机 2.球笼式万向联轴器 3.轴承 4.直齿轮 5.皮带 6.车轮 7.锥齿轮图2-5 轴传动方式轴传动方式先由电机1带动减速齿4，通过前后传动轴带动锥齿轮减速齿转动，最后带动轮胎转动。其优点是密闭性好，传动比大，扭矩大，适合爬坡等复杂路面。缺点是速度较慢，传动效率低。根据设计要求，车辆要在一定复杂路况上行驶，因此在牺牲传动效率的情况下，选择轴传动方式更合

38、适。2.3 最终设计方案通过上述方案比较，最终确定以锂离子电池作为动力带动电机，轴传动结构方式，结构简图见图2-5。控制方式采用AVR ATmega2560芯片控制舵机转向，通过ATK-6M GPS模块获取GPS信息和GY-86模块获取磁场信息。参考文献1 纪超.基于ARM的无人车GPS导航系统的设计与实现D.西安：西安工业大学.2013:5-10.2张其善，吴今培，杨东凯.智能车辆定位导航系统及应用M.北京：科学出版社,2002:1-25.3 ANTONIOU Michail，CHERNIAKOV Mikhail，Space-surface bistatic synthetic apertu

39、re radar with navigation satellite transmissionl:a reviewJ.Science China.June 2015：1-3.4 Urmson,Chris，J.Andrew Bagnell，Christopher R.Baker，Martial Hebert，Alonzo Kelly，Raj Rajkumar，Paul E.Rybskietal.Tartan racing:A multi-modal approcah to the DARPA urban challenge.2007.5 Montemerlo, Michael, Jan Beck

40、er, Suhrid Bhat, Hendrik Dahlkamp, Dmitri Dolgov, Scott Ettinger, Dirk Haehnel et al. Junior: The Stanford entry in the urban challengeJ. Journal of Field Robotics.2008，Vol.23, No. 9,:569-597. 6 Thrun, Sebastian, Mike Montemerlo, Hendrik Dahlkamp, David Stavens, Andrei Aron, James Diebel, Philip Fon

41、g et al. Stanley: The robot that won the DARPA Grand ChallengeJ. Journal of field Robotics, Vol. 23, No. 9 (2006): 661-692. 7 孙振平.自主驾驶汽车智能控制系统D.国防科技大学博士学位论文，2004.8 孙兆斌.自主移动机器人导航与控制中的增强学习方法研究D.国防科技大学硕士学位论文，2010.9 唐有根，李文良.镍氢电池M.北京：化学工业出版社，2007.5.10 王大康，卢颂峰.机械设计课程设计M.北京：北京工业大学出版社,2009.12-13.11 深圳市好盈科技有

42、限公司.深圳市好盈科技有限公司EB/OL，12 李振刚,机械设计M,哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2013.8.第三部分 毕业设计计算书3.1 电动机选择3.1.1 电动机类型选择使用RC模型车广泛使用的车用无刷电机，具有调速能力强，寿命长，响应迅速等优点。3.1.2 电动机功率的计算根据要求可知车辆重量4KG，常用轮胎直径为80mm轮胎，计算车辆在运行中所受摩擦力。其中： （式3-1）式中 车重，4000g；重力加速度，10m/s；摩擦系数，0.05；计算得到车辆运行中所受摩擦力，50N。根据要求可知车辆行驶速度大约5m/s，计算车辆功率。其中：（式3-2）式中 车辆运行中所受摩擦力，50N；车辆行驶速度，15m/s；计算得到车辆功率为。由图2-5查得滚动轴承4对，闭式圆柱齿轮1对，闭式圆锥齿轮4对，联轴器12个，因此总传动效率计算式为：（式3-3）根据机械传动和摩擦副的效率概率值表10可知：滚动轴承传动效率，0.98；闭式圆柱齿轮传动效率，0.97；闭式圆锥齿轮传动效率，0.96；万向联轴器传动效率，0.98；计算总传动效率。电动机额定功率与车辆实际功率关系为：（式3-4）电机额定功率，420W。因此计算出电动机额定功率为420W。3.1.3 电动机转速的计算计算车轮转速使用公式为：（式3-5）式中