基本信息
- 項目名稱：
- 基于機器視覺的飛機導(dǎo)彈自動掛載系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 為提高飛機掛載導(dǎo)彈的作業(yè)效率，本作品應(yīng)用圖像處理、自動控制、機械制造等技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于機器視覺的輔助掛彈系統(tǒng)的仿真實體模型，可準確高效地完成機翼下多個導(dǎo)彈的掛載任務(wù)。系統(tǒng)采用視覺信息識別方法實現(xiàn)多組導(dǎo)彈掛架識別和定位；采用自動控制方法控制掛彈機械裝置托舉導(dǎo)彈到指定掛架位置；完成掛架任務(wù)后，通過無線通信模塊自動更新掛彈狀態(tài)，管理系統(tǒng)完成監(jiān)控和查詢所有掛彈裝置的工作狀態(tài)和掛彈信息的任務(wù)。
- 詳細介紹：
- 本作品設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于視覺的輔助掛彈系統(tǒng)實體模型，設(shè)計了一個機械裝置，用于托舉導(dǎo)彈至飛機機翼下的掛架處，在機械裝置上加裝攝像頭，采集掛架的視覺信息，并由此實現(xiàn)對機翼下的掛點的檢測與定位。同時，引入管理軟件對掛彈作業(yè)和裝置進行管理。 為托舉不同型號的導(dǎo)彈，本作品設(shè)計并實現(xiàn)了具有四自由度的機械裝置，裝置可在X軸、Y軸、Z軸以及繞Z軸旋轉(zhuǎn)四個自由度上位移，可托舉導(dǎo)彈到達空間坐標系的任意位置，裝置具有足夠的托舉能力和很高的精度與穩(wěn)定性。 系統(tǒng)提供了DSP和FPGA兩套嵌入式解決方案。在機翼下掛點的對應(yīng)位置設(shè)置標記色塊，用以視覺檢測。攝像頭將采集到的圖像信息傳到處理器中，處理器經(jīng)過算法分析后給出坐標信息，驅(qū)動機械裝置上的步進電機，使導(dǎo)彈運動到指定位置，完成掛彈動作。掛彈動作完成之后，觸發(fā)無線傳輸模塊發(fā)送掛彈更新狀態(tài)給管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)自動更新狀態(tài)信息。 用戶可以通過系統(tǒng)提供的管理軟件對掛彈設(shè)備進行管理。軟件提供了任務(wù)指派、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、作業(yè)信息查詢、報警等功能。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)計目的:目前的掛彈車大多為人工引導(dǎo)的半自動模式，本作品的設(shè)計目的是設(shè)計一個自動掛彈系統(tǒng)的實體模型，為掛彈車這一類機場地勤設(shè)備向高智能化和高機械化發(fā)展提供一定參考價值。 基本思路:首先設(shè)計并制作四自由度機械裝置，將攝像頭裝在機械裝置上，拍攝對機翼下的顏色標記，通過DSP或FPGA處理器對攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)進行分析和處理，得出坐標信息，通過步進電機控制機械臂進行相應(yīng)的位移，引導(dǎo)導(dǎo)彈與飛機掛點的對接，自動完成掛彈動作，并能將飛機當前的狀態(tài)，通過無線傳輸模塊傳送至服務(wù)器，實現(xiàn)對飛機裝載狀態(tài)管理。 創(chuàng)新點:1）應(yīng)用機器視覺技術(shù)、嵌入式技術(shù)代替人眼完成對掛點的識別，掛彈自動化。2）由三個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成的機械裝置，具 有很高的穩(wěn)定性和承載能力。3）控制策略將機器視覺的信息反饋機制與目標檢測和空間定位的技術(shù)相結(jié)合，將檢測到的標記點的位置信息轉(zhuǎn)化為電機的運動。4）可自動更新掛彈狀態(tài)的服務(wù)器系統(tǒng)，引入數(shù)據(jù)庫和應(yīng)急報警機制。 技術(shù)關(guān)鍵:1）導(dǎo)彈掛點標記目標的視覺檢測；2）基于現(xiàn)實立體空間模型的坐標映射；3）嵌入式微處理器的掛彈機械裝置控制；4）高穩(wěn)定性和精度的掛彈機械裝置機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；5）多軸機械臂的運動控制策略；6）無線通訊技術(shù)與數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)。 主要技術(shù)指標：1）四自由度的機械臂結(jié)構(gòu)的控制精度。2）掛點標記的正確識別。3）多軸電機控制策略的精度及機械臂運行的穩(wěn)定性。 4）服務(wù)器的狀態(tài)更新的及時性 技術(shù)指標：1）兩側(cè)機翼各可加掛兩個導(dǎo)彈；2）機械臂達到毫米級運動精度。
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性：1）掛彈機械臂實體模型的設(shè)計，按照飛機掛載導(dǎo)彈所需要的功能實現(xiàn)。2）機械臂設(shè)計結(jié)構(gòu)的設(shè)計，借鑒了數(shù)控機床的水平傳動結(jié)構(gòu)，設(shè)計了滾珠絲杠加滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。升降采用的剪叉升降機構(gòu)實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)定位采用周轉(zhuǎn)輪系機構(gòu)來實現(xiàn)。3）DSP/FPGA具有對機器視覺數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法的高效運算能力，并通過用戶擴展口對電機驅(qū)動電路的輸入信號進行控制，完成視覺信息處理與控制一體化。4）作品將管理系統(tǒng)設(shè)計成具有中控臺的特點，自動根據(jù)任務(wù)量合理給各個掛彈車分配任務(wù)。 先進性：1）基于機器視覺的掛點位置檢測方法，將機器視覺的反饋機制和嵌入式技術(shù)應(yīng)用到目標的檢測和空間定位中，進行無接觸的檢測。2）四自由度機械裝置機械臂，使用各種優(yōu)化的傳動機制，設(shè)計有多個自由度。3）基于現(xiàn)實空間模型的建立和目標的準確檢測，機械臂運動的精度在毫米級別。4）將無線傳輸和可視化界面應(yīng)用到掛彈裝置設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，為掛彈車這一類機場地勤設(shè)備設(shè)計專用的設(shè)備管理系統(tǒng)行。 參考文獻見設(shè)計報告。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年10月獲本學(xué)院第十九屆“理奧杯”特等獎兩項 2010年12月獲本校第十九屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎一項 2011年6月獲第八屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎一項
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 系統(tǒng)整體技術(shù)或部分核心技術(shù)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；模型；現(xiàn)場演示；圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：本系統(tǒng)可為飛機掛多枚導(dǎo)彈，首先服務(wù)器向掛彈車輛指派作業(yè)任務(wù)，然后掛彈車開到機翼下，開啟掛彈功能，系統(tǒng)自動檢測掛點、機械裝置的平移、旋轉(zhuǎn)、上升，將導(dǎo)彈與掛點對接，之后機械臂下降，重復(fù)上述動作，完成其余導(dǎo)彈的掛彈工作，系統(tǒng)掛彈過程中，狀態(tài)監(jiān)測模塊在掛彈結(jié)束后，不斷向服務(wù)器傳送狀態(tài)信息， 有意外或緊急情況發(fā)生時，系統(tǒng)啟動報警功能。 推廣前景：1）本系統(tǒng)集機械化、自動化和智能化于一體，可以極大地節(jié)約成本提高效率，具有廣闊應(yīng)用前景。2）本系統(tǒng)設(shè)計的機械裝置具有很高的通用性，其多自由度和高承載能力的特點可使其應(yīng)用在許多場合，如立體貨倉機器人、檔案圖書管理機器人等，具有很高的推廣價值。 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測：本作品提出的“輔助掛彈系統(tǒng)”具體實施方式，是在現(xiàn)有的掛彈車輛的機械化基礎(chǔ)上，改造機械臂，加裝攝像頭、嵌入式開發(fā)板，完成智能化的掛彈任務(wù)。本系統(tǒng)無論是在軍用機場還是航母上，都有很高的應(yīng)用價值。系統(tǒng)中的機械臂可以推廣到許多的應(yīng)用場合。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外許多國家研制出了多種型號的掛彈車輛。按照工作原理和作業(yè)方式，飛機掛彈設(shè)備大體可分為柔性吊掛設(shè)備和全剛性機構(gòu)兩類。全剛性機構(gòu)的掛彈設(shè)備按升降機構(gòu)的不同，掛彈車又可分為升降臺和升降臂兩類。我國上世紀80年代初已研制了一種升降臂型掛彈車，作為飛機掛裝導(dǎo)彈的專用保障設(shè)備。目前國內(nèi)外的掛彈裝備已基本實現(xiàn)了機械化，但由于掛點位置受導(dǎo)彈遮擋不易檢測，所以整個掛彈過程仍需人員參與較為繁瑣的掛點位置判斷及機械臂動作的手動調(diào)整。 為此，我們設(shè)計了基于機器視覺的飛機導(dǎo)彈自動掛在系統(tǒng)。 有關(guān)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，國內(nèi)已有利用鋼絲繩進行傳動的四自由度機械臂、利用剛?cè)峤Y(jié)合的并聯(lián)機構(gòu)提高精度和減小振動的四自由度機械臂、利用四自由度并聯(lián)機構(gòu)，服役彈性阻尼系統(tǒng)實現(xiàn)多維平臺機構(gòu)、由三個旋轉(zhuǎn)自由度及一個移動自由度構(gòu)成的四自由度機械裝置、由兩個自由度的直線移動和兩個自由度的轉(zhuǎn)動的四自由度機械裝置的報道，但均不能滿足掛彈的高精度及高穩(wěn)定性要求。為此，我們采用了由滾珠絲杠副及齒輪傳動、剛性串聯(lián)機構(gòu)、三個直線自由度及一個旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成四自由度機械臂。 有關(guān)基于視覺的目標檢測方法，有關(guān)文獻及專利以目標紋理、形狀、以及頻域特征匹配，實現(xiàn)較為復(fù)雜的目標檢測，由于算法的復(fù)雜度直接影響到掛彈速度，為此，本作品采用了便于識別的顏色標記點進行定位檢測，以降低檢測難度，提高檢測精度。 有關(guān)上下位機通信及事件狀態(tài)管理系統(tǒng)方面，有利用單片機、GSM通信的電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)；有基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。但這些無法滿足飛機掛載導(dǎo)彈狀態(tài)的更新與管理的需要。為此，本作品采用無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)了飛機狀態(tài)自動更新的管理系統(tǒng)。 經(jīng)過查新，以基于機器視覺的飛機導(dǎo)彈自動掛載系統(tǒng)尚無與本作品相同或相似的技術(shù)。（詳細請見查新報告）
