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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本次設(shè)計(jì)的垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)涉及圖像信息采集，核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，無線信息傳輸，以及現(xiàn)場(chǎng)信息的終端顯示技術(shù)。獲取數(shù)字?jǐn)z像頭采集現(xiàn)場(chǎng)人類所不能到達(dá)的地方的圖像信息，并存儲(chǔ)在大容量即插即拔設(shè)備SD上，同時(shí)也可以通過基于NRF24L01的無線射頻模塊進(jìn)行短距離無線傳輸，現(xiàn)場(chǎng)可觸及的終端控制中心使用了atmega8芯片進(jìn)行無線信息接收，并傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察分析，電腦終端使用了Labview技術(shù)。
- 詳細(xì)介紹：
- 1 背景 現(xiàn)代偵察技術(shù)主要有兩種，一種是地面?zhèn)刹?，一種是空中偵測(cè)。地面?zhèn)刹炱鋵?shí)已經(jīng)發(fā)展的很成熟了，在我國古代就有專門的偵察兵——斥候，發(fā)展到現(xiàn)在僅限于地面的人的偵察技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要，對(duì)于有些可能威脅生命或人類生存的地方，例如戰(zhàn)爭(zhēng)現(xiàn)場(chǎng)，炸彈放置地，月球等就要求我們使用無生命的機(jī)器來完成偵察。所以在20世紀(jì)中期人們就開始了無人偵察技術(shù)的研究，在越南戰(zhàn)中無人偵察機(jī)的初次亮相更是激發(fā)了全世界范圍內(nèi)無人偵察機(jī)的研究熱情。無人偵察機(jī)也成為了無人偵察的代名詞。 一說到無人偵察，我們很自然的能想到無人偵察機(jī)。它是21世紀(jì)衛(wèi)星偵察和有人偵察后的有一種重要偵察形式形式，它與偵察衛(wèi)星相比相比，具體有成本低、偵察地域控制靈活、地面目標(biāo)分辨率高等特點(diǎn)；與有人偵察機(jī)相比，具有可晝夜持續(xù)偵察的能力，不必考慮飛行員的疲勞和傷亡等問題，特別在對(duì)敵方嚴(yán)密設(shè)防的重要地域?qū)嵤﹤刹鞎r(shí)，或在有人駕駛偵察機(jī)難以接近的情況下，使無人偵察機(jī)就更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。無人偵察機(jī)已成為重要的空中偵察裝備。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無人偵察機(jī)中機(jī)身最長的有13米多，最短的有0.15米；偵察高度也由原先的低空偵察向中高空和高高空發(fā)展；無人偵察機(jī)的續(xù)航能力也呈現(xiàn)出幾小時(shí)到幾十小時(shí)不等；而且偵察手段也是多種多樣，現(xiàn)在已經(jīng)很成熟的偵測(cè)技術(shù)手段有光電紅外感應(yīng)，微型數(shù)碼攝像，以及人們熟知的雷達(dá)。 綜上所述，無人偵察機(jī)尤其是無人偵察直升機(jī)已成為衡量一個(gè)國家偵察水平的標(biāo)志，而通過此次對(duì)垂直起降偵察平臺(tái)的研究，可以很好的推動(dòng)我國無人偵察機(jī)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)無人垂直起降偵察平臺(tái)的研究意義是非常重大的。 2 作品結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 2.1 作品結(jié)構(gòu)框圖 圖2-1-1 空中偵測(cè)平臺(tái) 圖2-1-2終端控制平臺(tái) 2.2 工作原理 垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)的研制分為空中偵測(cè)平臺(tái)和終端控制平臺(tái)兩部分。其中空中偵測(cè)平臺(tái)由圖像信息采集、溫度采集、狀態(tài)測(cè)量平臺(tái)、SD卡信息存儲(chǔ)、無線射頻信息傳輸，以及飛機(jī)平穩(wěn)飛行所需要的各種必須設(shè)備組成。數(shù)字?jǐn)z像頭采集到現(xiàn)場(chǎng)圖片后，傳入MCU處理成人們常見的圖片格式，然后存儲(chǔ)在大容量SD卡存儲(chǔ)設(shè)備中，供以后進(jìn)行分析使用，也可以通過射頻模塊發(fā)送到終端控制平臺(tái)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，偵測(cè)平臺(tái)自身狀態(tài)的測(cè)量完全依靠三維加速度傳感器進(jìn)行精確定位并調(diào)整，DS18B20測(cè)量當(dāng)?shù)丨h(huán)境的溫度，也可以通過無線射頻模塊發(fā)送到終端控制平臺(tái)，以便工作人員在終端控制臺(tái)做出下一步?jīng)Q策。垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)采用檢測(cè)與飛行完全獨(dú)立的方案，實(shí)現(xiàn)了MCU控制中心的安全保障。終端控制平臺(tái)通過無線射頻模塊接收偵測(cè)平臺(tái)發(fā)送過來的信息，可以用RS232發(fā)送到Labview電腦顯示終端，進(jìn)一步實(shí)施查看和處理，也可以直接在MCU Atmega8做出顯示，并通過人機(jī)接口鍵盤做出相應(yīng)決策。 3硬件設(shè)計(jì) 3.1 空中偵測(cè)平臺(tái) 空中偵測(cè)平臺(tái)中的硬件設(shè)計(jì)除了其設(shè)備所需要的起飛與降落等各種動(dòng)作設(shè)備之外，信息采集與處理的控制中心主要包含電源模塊的設(shè)計(jì)、MC9S12XS128控制核心板電路設(shè)計(jì)和制作、無線射頻模塊NRF24L01、圖像信息采集模塊信息轉(zhuǎn)換電路等模塊組成。各模塊所需要的電壓并不是統(tǒng)一的，從而導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)中各種穩(wěn)壓電路尤顯重要其設(shè)計(jì)。 圖3-1-1 MC9S12XS128系統(tǒng)電路圖 其中復(fù)位電路與程序燒錄下載所需要的接口電路都是很重要的，在整個(gè)控制電路中的擺放位置電路是否穩(wěn)定起到?jīng)Q定性的作用。 圖3-1-2 系統(tǒng)復(fù)位與程序下載電路 攝像頭直接采集的圖像是不會(huì)被MCU識(shí)別的，而且SD卡也不會(huì)存儲(chǔ)，這就涉及到信號(hào)的處理，下面的電路采用LM1881產(chǎn)生場(chǎng)中斷和行中斷信號(hào)，并返回給MCU進(jìn)行間歇控制，如圖圖3-1-3所示。 圖3-1-3 圖像處理電路 能夠?qū)CU產(chǎn)生終端信號(hào)還不夠，還需要AD轉(zhuǎn)換電路將連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成MCU可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，因?yàn)閿z像頭采集的圖像是瞬間的，而每一幀圖像又包含了相對(duì)MCU來說很大的數(shù)據(jù)量，采用普通的AD轉(zhuǎn)換電路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此本設(shè)計(jì)選用了TLC5510高速AD轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路需要一個(gè)8MHz的晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，具體的設(shè)計(jì)方案如圖圖3-1-4所示。 圖3-1-4 高速AD轉(zhuǎn)換電路 MC9S12XS128最小系統(tǒng)需要5V的穩(wěn)定電壓，否則芯片容易被燒毀，而普通的LM7805等穩(wěn)壓芯片雖然也能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓，但是因?yàn)樗麄兯峁┑碾娏鬟h(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該系統(tǒng)所需要的電流，為此我們選擇以TPS7350為主要芯片的穩(wěn)壓控制電路，來產(chǎn)生5V電壓。穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)的方案如圖圖3-1-5所示。 圖3-1-5 MCU穩(wěn)壓電路 SD卡需要3V的電源，整個(gè)模塊在系統(tǒng)中占用的面積也不是很大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)直接貼在了系統(tǒng)的下面，選擇ASM11173.3做為穩(wěn)壓芯片，其電路設(shè)計(jì)方案如下圖所示圖3-1-6。 圖3-1-6 SD卡接口電路以及穩(wěn)壓電路 攝像頭能夠穩(wěn)定地采集信息，所需要的穩(wěn)定電壓是不能夠省略的，它的信息需要直接和MCU相連并進(jìn)行處理，而12V穩(wěn)定電壓是需要單獨(dú)提供的。為此又設(shè)計(jì)了如下圖所示的升壓電路。 圖3-1-7 5V-12V升壓電路 3.2 終端控制平臺(tái) 終端控制平臺(tái)主要負(fù)責(zé)信息接收與中繼傳遞，也可以發(fā)送指令到空中偵測(cè)平臺(tái)，其控制中心采用了Atmel公司生產(chǎn)的系列芯片Atmega8，主要考慮到Atmega8執(zhí)行效率高，終端控制不需要太多的外接設(shè)備。具體包括無線射頻模塊NRF24L01，液晶顯示模塊12864，按鍵，串口信息傳遞模塊RS232，以及PC終端Labview顯示設(shè)備。 4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 空中偵測(cè)平臺(tái) 空中偵測(cè)平臺(tái)使用MC9S12XS128作為控制中心，在程序設(shè)計(jì)方面主要包括為SD卡存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)的fat32文件系統(tǒng)，圖像信息采集產(chǎn)生的中斷控制程序，NRF24L01的無線SPI模式發(fā)送程序，串口發(fā)送與接收控制程序。MCU總的程序流程圖如 圖4-1-1示。 圖4-1-1 空中偵測(cè)平臺(tái)流程圖 4.2 終端控制平臺(tái) 終端控制平臺(tái)需要接收無線信號(hào)，當(dāng)然也有無線射頻模塊相應(yīng)的SPI數(shù)據(jù)處理程序，同時(shí)有按鍵控制程序，液晶顯示程序已經(jīng)串口發(fā)送程序確保PC終端能夠顯示空中偵測(cè)平臺(tái)所發(fā)回來的圖像信息。這部分也采用了模塊化設(shè)計(jì)思想和C語言進(jìn)行編寫。 在本設(shè)計(jì)中，我們采用iccv7ProLoader作為終端控制平臺(tái)Atmega8的程序開放環(huán)境，該軟件使用非常方便。我們使用的程序下載軟件為AVR_fighter，該軟件進(jìn)行程序燒寫時(shí)操作非常方便，并且穩(wěn)定性很好。 同樣還使用了Fresscale CodeWarrior作為MC9S12XS128的開發(fā)環(huán)境。 5 系統(tǒng)整體調(diào)試 各個(gè)模塊基本都已經(jīng)成功調(diào)試完畢，又經(jīng)歷了半個(gè)多月的時(shí)間，在整體上又進(jìn)行了完整性測(cè)試，充分利用模塊化設(shè)計(jì)思想的優(yōu)勢(shì)，讓我們?cè)诤笃诘南到y(tǒng)整體調(diào)試中非常有針對(duì)性。我們?cè)谙到y(tǒng)整體調(diào)試時(shí)，先對(duì)所有的硬件電路進(jìn)行測(cè)試，如果硬件電路設(shè)計(jì)的參數(shù)達(dá)不到要求，我們先調(diào)試硬件，直至硬件電路均達(dá)到要求為主。并且，我們?cè)谟布{(diào)試過程中，也同時(shí)進(jìn)行軟件程序的編寫，軟件調(diào)試時(shí)先使用軟件的仿真功能調(diào)試程序，利用仿真功能將程序調(diào)試通過為主。這樣，當(dāng)硬件調(diào)試好后，軟件的仿真也通過后，我們就開始進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，根據(jù)具體功能進(jìn)行整體調(diào)試，直至所有功能均調(diào)試達(dá)到控制要求為止。經(jīng)過最后的調(diào)試，垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)以及終端控制平臺(tái)目前已經(jīng)能夠很好的工作，基本上實(shí)現(xiàn)了所要求的各種功能，并且，我們還增設(shè)了一定的擴(kuò)展功能，整個(gè)系統(tǒng)能很穩(wěn)定、可靠的工作。 6總 結(jié) 經(jīng)過幾個(gè)月的努力，我們終于按時(shí)完成了垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)的研制項(xiàng)目的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在空中偵測(cè)平臺(tái)能夠平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)飛行，降落， 并采集現(xiàn)場(chǎng)信息，存儲(chǔ)信息，采集溫度，發(fā)送無線數(shù)據(jù)。機(jī)械上的穩(wěn)定性還存在一些小的問題，這些都是我們以后需要改進(jìn)的地方。 回顧整個(gè)制作過程我們確實(shí)遇到了很多困難，從整體方案的確定到控制臺(tái)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，飛機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)、安裝，控制電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試，程序的編寫和調(diào)試、無線射頻模塊NRF24L01的調(diào)試、數(shù)字圖像處理與成型、電源的設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的最后協(xié)調(diào)等每一步都凝結(jié)了我們的汗水，很多知識(shí)都是從零開始學(xué)習(xí)的。所以，在垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)的研制項(xiàng)目順利完成之際，我們也由衷的感到欣慰，盡管我們?cè)谶@之中付出了很多，但我們覺得是值得的，因?yàn)槲覀儚闹袑W(xué)習(xí)到了如何分工合作、如何去自己獨(dú)立解決問題，懂得了什么叫做堅(jiān)持就是勝利，且進(jìn)一步提高了我們的自學(xué)能力和專業(yè)技能。在此我們希望類垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)的研制能夠真正應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，降低生產(chǎn)成本，為人類造福。為使更多的人對(duì)科技創(chuàng)新的重視，希望他的研制能對(duì)我們的整體科技創(chuàng)新水平起到促進(jìn)作用，為今后研制更多、更好的為人類服務(wù)的空中偵測(cè)平臺(tái)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明目的： 垂直向上空中偵測(cè)平臺(tái)適用于那些高處或者海洋上面等人類難以直接到達(dá)的地方。為了適應(yīng)生活的需要，為了滿足間接檢測(cè)技術(shù)的要求，讓空中偵測(cè)平臺(tái)完成人類需要完成拍攝或者檢測(cè)的任務(wù)，降低空中偵測(cè)技術(shù)的成本，提高空中偵測(cè)技術(shù)的效率以成為現(xiàn)在迫切需要解決的問題。垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的、綜合性的結(jié)果，它是集通信技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)于一體的綜合產(chǎn)物?，F(xiàn)在各種各樣的檢測(cè)技術(shù)均已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用與實(shí)施，并且其應(yīng)用將會(huì)滲透到人們生活中的各種環(huán)境。 基本思路： 本次設(shè)計(jì)的垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)涉及圖像信息采集，核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，無線信息傳輸，以及現(xiàn)場(chǎng)信息的終端顯示技術(shù)?？刂浦行陌惭b在偵測(cè)平臺(tái)的安全位置，獲取數(shù)字?jǐn)z像頭采集現(xiàn)場(chǎng)人類所不能到達(dá)的地方的圖像信息，并存儲(chǔ)在大容量即插即拔設(shè)備SD上，同時(shí)也可以通過基于NRF24L01的無線射頻模塊進(jìn)行短距離無線傳輸，現(xiàn)場(chǎng)可觸及的終端控制中心使用了atmega8芯片進(jìn)行無線信息接收，并傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察分析，電腦終端使用了Labview技術(shù)。最終實(shí)現(xiàn)了偵測(cè)平臺(tái)能夠垂直起降，并且向上要達(dá)到一定的高度；在空中時(shí)定點(diǎn)偵察，水平移動(dòng)，不同角度的側(cè)轉(zhuǎn)；高速的數(shù)字?jǐn)z像頭攝象頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)角度的拍攝及定點(diǎn)拍攝。 創(chuàng)新點(diǎn)： 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 本設(shè)計(jì)中在MC9S12XS128控制器中采用了FAT32文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像信息的存儲(chǔ)，無線射頻信息傳輸保證了人類能夠在偵測(cè)平臺(tái)工作時(shí)看到圖像信息。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 基于當(dāng)前空中偵測(cè)技術(shù)的發(fā)展，本項(xiàng)目所研制的垂直升降空中偵測(cè)平臺(tái)需要達(dá)到的目標(biāo)有： 1）垂直向上空中偵測(cè)平臺(tái)能夠垂直起降，并且上要達(dá)到一定的高度； 2）在空中時(shí)可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)偵察，水平移動(dòng)，不同角度的側(cè)轉(zhuǎn)； 3）安裝有可萬向旋轉(zhuǎn)的攝象頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)角度的拍攝； 4）地面控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)返回并顯示所偵察到的情況 5）使用雙翼或者三翼保證平臺(tái)穩(wěn)定。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年華北科技學(xué)院科技文化節(jié)二等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 航空偵察是指運(yùn)用航空偵察平臺(tái)，通過偵察平臺(tái)所載的偵察設(shè)備在大氣層內(nèi)實(shí)施的偵察。航空偵察是軍事偵察的重要組成部分，具有時(shí)效性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來越大的作用。航空偵察裝備系統(tǒng)效能的大小，直接決定了航空?qǐng)D像情報(bào)獲取的數(shù)量及質(zhì)量，并影響到未來戰(zhàn)爭(zhēng)的指揮、決策。 歷次戰(zhàn)爭(zhēng)的實(shí)踐證明，航空偵察對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)果起著非常重要的作用，因此，各國都十分重視航空偵察裝備的建設(shè)與發(fā)展。 無人偵察機(jī)是偵察機(jī)家族的“新貴” 。由于無人機(jī)具有體積小、生存力高、壽命周期費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在問世的一開始，就被用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察。根據(jù)續(xù)航時(shí)間、航程和大小等，無人偵察機(jī)可分為長航時(shí)、中程、短程、近程和微型5 種類型。當(dāng)今，以色列和美國在無人偵察機(jī)的發(fā)展的規(guī)模和技術(shù)水平方面處于領(lǐng)先地位。
同類課題研究水平概述
- 從美國第一次在越南戰(zhàn)爭(zhēng)中使用無人偵察機(jī)到現(xiàn)在，研制并擁有無人偵察機(jī)的國家已經(jīng)達(dá)到30多個(gè)，而且其中以色列、美國、英國等在此方面處于領(lǐng)先水平。而且它以成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)所必不可少的武器裝備。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無人偵察機(jī)中機(jī)身最長的有13米多，最短的有0.15米；偵察高度也由原先的低空偵察向中高空和高高空發(fā)；無人偵察機(jī)的續(xù)航能力也呈現(xiàn)出幾小時(shí)到幾十小時(shí)不等；而且偵察手段也是多種多樣，現(xiàn)在已有的有光電紅外感應(yīng)，高清ccd攝像頭，和雷達(dá)。 1）未來無人偵察的發(fā)展方向，主要有穿透雷達(dá)，高速率的數(shù)字式通用保密數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，開發(fā)通用的地面控制系統(tǒng)和發(fā)展垂直起降的無人直升機(jī)。其中無人直升機(jī)具有垂直起降、空中旋停、前后左右機(jī)動(dòng)的能力，不需要復(fù)雜的發(fā)射裝置和回收系統(tǒng)，因此，優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚。它可以廣泛用于炮兵射擊訓(xùn)練、陸軍的情報(bào)偵察與戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視以及海軍的中短程海上監(jiān)視（包括監(jiān)視水面和水下目標(biāo)）等。 綜上所述，無人偵察機(jī)尤其是無人偵察直升機(jī)已成為衡量一個(gè)國家偵察水平的標(biāo)志，而通過此次對(duì)垂直起降偵察平臺(tái)的研究，可以很好的推動(dòng)我國無人偵察機(jī)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)無人垂直起降偵察平臺(tái)的研究意義是非常重大的。
