基本信息
- 項目名稱：
- 垂直升降空中偵測平臺
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本次設(shè)計的垂直升降空中偵測平臺涉及圖像信息采集，核心數(shù)據(jù)存儲，無線信息傳輸，以及現(xiàn)場信息的終端顯示技術(shù)。獲取數(shù)字攝像頭采集現(xiàn)場人類所不能到達的地方的圖像信息，并存儲在大容量即插即拔設(shè)備SD上，同時也可以通過基于NRF24L01的無線射頻模塊進行短距離無線傳輸，現(xiàn)場可觸及的終端控制中心使用了atmega8芯片進行無線信息接收，并傳輸?shù)诫娔X進行實時觀察分析，電腦終端使用了Labview技術(shù)。
- 詳細介紹：
- 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。地面?zhèn)刹炱鋵嵰呀?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)已遠遠不能滿足人們的需要，對于有些可能威脅生命或人類生存的地方，例如戰(zhàn)爭現(xiàn)場，炸彈放置地，月球等就要求我們使用無生命的機器來完成偵察。所以在20世紀中期人們就開始了無人偵察技術(shù)的研究，在越南戰(zhàn)中無人偵察機的初次亮相更是激發(fā)了全世界范圍內(nèi)無人偵察機的研究熱情。無人偵察機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。它是21世紀衛(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、地面目標分辨率高等特點；與有人偵察機相比，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，特別在對敵方嚴密設(shè)防的重要地域?qū)嵤﹤刹鞎r，或在有人駕駛偵察機難以接近的情況下，使無人偵察機就更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。無人偵察機已成為重要的空中偵察裝備。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無人偵察機中機身最長的有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；無人偵察機的續(xù)航能力也呈現(xiàn)出幾小時到幾十小時不等；而且偵察手段也是多種多樣，現(xiàn)在已經(jīng)很成熟的偵測技術(shù)手段有光電紅外感應，微型數(shù)碼攝像，以及人們熟知的雷達。 綜上所述，無人偵察機尤其是無人偵察直升機已成為衡量一個國家偵察水平的標志，而通過此次對垂直起降偵察平臺的研究，可以很好的推動我國無人偵察機技術(shù)的發(fā)展。對無人垂直起降偵察平臺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 空中偵測平臺 圖2-1-2終端控制平臺 2.2 工作原理 垂直升降空中偵測平臺的研制分為空中偵測平臺和終端控制平臺兩部分。其中空中偵測平臺由圖像信息采集、溫度采集、狀態(tài)測量平臺、SD卡信息存儲、無線射頻信息傳輸，以及飛機平穩(wěn)飛行所需要的各種必須設(shè)備組成。數(shù)字攝像頭采集到現(xiàn)場圖片后，傳入MCU處理成人們常見的圖片格式，然后存儲在大容量SD卡存儲設(shè)備中，供以后進行分析使用，也可以通過射頻模塊發(fā)送到終端控制平臺，進行現(xiàn)場分析，偵測平臺自身狀態(tài)的測量完全依靠三維加速度傳感器進行精確定位并調(diào)整，DS18B20測量當?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，以便工作人員在終端控制臺做出下一步?jīng)Q策。垂直升降空中偵測平臺采用檢測與飛行完全獨立的方案，實現(xiàn)了MCU控制中心的安全保障。終端控制平臺通過無線射頻模塊接收偵測平臺發(fā)送過來的信息，可以用RS232發(fā)送到Labview電腦顯示終端，進一步實施查看和處理，也可以直接在MCU Atmega8做出顯示，并通過人機接口鍵盤做出相應決策。 3硬件設(shè)計 3.1 空中偵測平臺 空中偵測平臺中的硬件設(shè)計除了其設(shè)備所需要的起飛與降落等各種動作設(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、MC9S12XS128控制核心板電路設(shè)計和制作、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，從而導致電路設(shè)計中各種穩(wěn)壓電路尤顯重要其設(shè)計。 圖3-1-1 MC9S12XS128系統(tǒng)電路圖 其中復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)復位與程序下載電路 攝像頭直接采集的圖像是不會被MCU識別的，而且SD卡也不會存儲，這就涉及到信號的處理，下面的電路采用LM1881產(chǎn)生場中斷和行中斷信號，并返回給MCU進行間歇控制，如圖圖3-1-3所示。 圖3-1-3 圖像處理電路 能夠?qū)CU產(chǎn)生終端信號還不夠，還需要AD轉(zhuǎn)換電路將連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換成MCU可以識別的數(shù)字信號，因為攝像頭采集的圖像是瞬間的，而每一幀圖像又包含了相對MCU來說很大的數(shù)據(jù)量，采用普通的AD轉(zhuǎn)換電路是遠遠不夠的，因此本設(shè)計選用了TLC5510高速AD轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路需要一個8MHz的晶振提供時鐘信號，具體的設(shè)計方案如圖圖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，但是因為他們所提供的電流遠遠達不到該系統(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，整個模塊在系統(tǒng)中占用的面積也不是很大，所以在設(shè)計時直接貼在了系統(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相連并進行處理，而12V穩(wěn)定電壓是需要單獨提供的。為此又設(shè)計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 終端控制平臺主要負責信息接收與中繼傳遞，也可以發(fā)送指令到空中偵測平臺，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 4.1 空中偵測平臺 空中偵測平臺使用MC9S12XS128作為控制中心，在程序設(shè)計方面主要包括為SD卡存儲設(shè)備設(shè)計的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 空中偵測平臺流程圖 4.2 終端控制平臺 終端控制平臺需要接收無線信號，當然也有無線射頻模塊相應的SPI數(shù)據(jù)處理程序，同時有按鍵控制程序，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平臺所發(fā)回來的圖像信息。這部分也采用了模塊化設(shè)計思想和C語言進行編寫。 在本設(shè)計中，我們采用iccv7ProLoader作為終端控制平臺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，該軟件進行程序燒寫時操作非常方便，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 各個模塊基本都已經(jīng)成功調(diào)試完畢，又經(jīng)歷了半個多月的時間，在整體上又進行了完整性測試，充分利用模塊化設(shè)計思想的優(yōu)勢，讓我們在后期的系統(tǒng)整體調(diào)試中非常有針對性。我們在系統(tǒng)整體調(diào)試時，先對所有的硬件電路進行測試，如果硬件電路設(shè)計的參數(shù)達不到要求，我們先調(diào)試硬件，直至硬件電路均達到要求為主。并且，我們在硬件調(diào)試過程中，也同時進行軟件程序的編寫，軟件調(diào)試時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，當硬件調(diào)試好后，軟件的仿真也通過后，我們就開始進行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，根據(jù)具體功能進行整體調(diào)試，直至所有功能均調(diào)試達到控制要求為止。經(jīng)過最后的調(diào)試，垂直升降空中偵測平臺以及終端控制平臺目前已經(jīng)能夠很好的工作，基本上實現(xiàn)了所要求的各種功能，并且，我們還增設(shè)了一定的擴展功能，整個系統(tǒng)能很穩(wěn)定、可靠的工作。 6總 結(jié) 經(jīng)過幾個月的努力，我們終于按時完成了垂直升降空中偵測平臺的研制項目的設(shè)計。現(xiàn)在空中偵測平臺能夠平穩(wěn)的實現(xiàn)飛行，降落， 并采集現(xiàn)場信息，存儲信息，采集溫度，發(fā)送無線數(shù)據(jù)。機械上的穩(wěn)定性還存在一些小的問題，這些都是我們以后需要改進的地方。 回顧整個制作過程我們確實遇到了很多困難，從整體方案的確定到控制臺的硬件、軟件設(shè)計，飛機的機械設(shè)計、安裝，控制電路的設(shè)計、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)計以及整個系統(tǒng)的最后協(xié)調(diào)等每一步都凝結(jié)了我們的汗水，很多知識都是從零開始學習的。所以，在垂直升降空中偵測平臺的研制項目順利完成之際，我們也由衷的感到欣慰，盡管我們在這之中付出了很多，但我們覺得是值得的，因為我們從中學習到了如何分工合作、如何去自己獨立解決問題，懂得了什么叫做堅持就是勝利，且進一步提高了我們的自學能力和專業(yè)技能。在此我們希望類垂直升降空中偵測平臺的研制能夠真正應用到現(xiàn)實生活當中，降低生產(chǎn)成本，為人類造福。為使更多的人對科技創(chuàng)新的重視，希望他的研制能對我們的整體科技創(chuàng)新水平起到促進作用，為今后研制更多、更好的為人類服務(wù)的空中偵測平臺提供堅實的基礎(chǔ)。
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
- 作品設(shè)計、發(fā)明目的： 垂直向上空中偵測平臺適用于那些高處或者海洋上面等人類難以直接到達的地方。為了適應生活的需要，為了滿足間接檢測技術(shù)的要求，讓空中偵測平臺完成人類需要完成拍攝或者檢測的任務(wù)，降低空中偵測技術(shù)的成本，提高空中偵測技術(shù)的效率以成為現(xiàn)在迫切需要解決的問題。垂直升降空中偵測平臺是一個科學技術(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)、計算機技術(shù)和機械技術(shù)于一體的綜合產(chǎn)物?，F(xiàn)在各種各樣的檢測技術(shù)均已經(jīng)得到廣泛的應用與實施，并且其應用將會滲透到人們生活中的各種環(huán)境。 基本思路： 本次設(shè)計的垂直升降空中偵測平臺涉及圖像信息采集，核心數(shù)據(jù)存儲，無線信息傳輸，以及現(xiàn)場信息的終端顯示技術(shù)?？刂浦行陌惭b在偵測平臺的安全位置，獲取數(shù)字攝像頭采集現(xiàn)場人類所不能到達的地方的圖像信息，并存儲在大容量即插即拔設(shè)備SD上，同時也可以通過基于NRF24L01的無線射頻模塊進行短距離無線傳輸，現(xiàn)場可觸及的終端控制中心使用了atmega8芯片進行無線信息接收，并傳輸?shù)诫娔X進行實時觀察分析，電腦終端使用了Labview技術(shù)。最終實現(xiàn)了偵測平臺能夠垂直起降，并且向上要達到一定的高度；在空中時定點偵察，水平移動，不同角度的側(cè)轉(zhuǎn)；高速的數(shù)字攝像頭攝象頭，實現(xiàn)了對各個角度的拍攝及定點拍攝。 創(chuàng)新點： 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標： 本設(shè)計中在MC9S12XS128控制器中采用了FAT32文件系統(tǒng)，實現(xiàn)了圖像信息的存儲，無線射頻信息傳輸保證了人類能夠在偵測平臺工作時看到圖像信息。
科學性、先進性
- 基于當前空中偵測技術(shù)的發(fā)展，本項目所研制的垂直升降空中偵測平臺需要達到的目標有： 1）垂直向上空中偵測平臺能夠垂直起降，并且上要達到一定的高度； 2）在空中時可實現(xiàn)定點偵察，水平移動，不同角度的側(cè)轉(zhuǎn)； 3）安裝有可萬向旋轉(zhuǎn)的攝象頭，實現(xiàn)對各個角度的拍攝； 4）地面控制系統(tǒng)可實時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穩(wěn)定。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年華北科技學院科技文化節(jié)二等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
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)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 航空偵察是指運用航空偵察平臺，通過偵察平臺所載的偵察設(shè)備在大氣層內(nèi)實施的偵察。航空偵察是軍事偵察的重要組成部分，具有時效性強、機動靈活等特點，在信息化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越大的作用。航空偵察裝備系統(tǒng)效能的大小，直接決定了航空圖像情報獲取的數(shù)量及質(zhì)量，并影響到未來戰(zhàn)爭的指揮、決策。 歷次戰(zhàn)爭的實踐證明，航空偵察對戰(zhàn)爭的結(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。 無人偵察機是偵察機家族的“新貴” 。由于無人機具有體積小、生存力高、壽命周期費用低等優(yōu)點，在問世的一開始，就被用于戰(zhàn)場偵察。根據(jù)續(xù)航時間、航程和大小等，無人偵察機可分為長航時、中程、短程、近程和微型5 種類型。當今，以色列和美國在無人偵察機的發(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)爭中使用無人偵察機到現(xiàn)在，研制并擁有無人偵察機的國家已經(jīng)達到30多個，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，無人偵察機中機身最長的有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)；無人偵察機的續(xù)航能力也呈現(xiàn)出幾小時到幾十小時不等；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，高清ccd攝像頭，和雷達。 1）未來無人偵察的發(fā)展方向，主要有穿透雷達，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。其中無人直升機具有垂直起降、空中旋停、前后左右機動的能力，不需要復雜的發(fā)射裝置和回收系統(tǒng)，因此，優(yōu)勢得天獨厚。它可以廣泛用于炮兵射擊訓練、陸軍的情報偵察與戰(zhàn)場監(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）等。 綜上所述，無人偵察機尤其是無人偵察直升機已成為衡量一個國家偵察水平的標志，而通過此次對垂直起降偵察平臺的研究，可以很好的推動我國無人偵察機技術(shù)的發(fā)展。對無人垂直起降偵察平臺的研究意義是非常重大的。
