基本信息
- 项目名称：
- 垂直升降空中侦测平台
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本次设计的垂直升降空中侦测平台涉及图像信息采集，核心数据存储，无线信息传输，以及现场信息的终端显示技术。获取数字摄像头采集现场人类所不能到达的地方的图像信息，并存储在大容量即插即拔设备SD上，同时也可以通过基于NRF24L01的无线射频模块进行短距离无线传输，现场可触及的终端控制中心使用了atmega8芯片进行无线信息接收，并传输到电脑进行实时观察分析，电脑终端使用了Labview技术。
- 详细介绍：
- 1 背景 现代侦察技术主要有两种，一种是地面侦察，一种是空中侦测。地面侦察其实已经发展的很成熟了，在我国古代就有专门的侦察兵——斥候，发展到现在仅限于地面的人的侦察技术已远远不能满足人们的需要，对于有些可能威胁生命或人类生存的地方，例如战争现场，炸弹放置地，月球等就要求我们使用无生命的机器来完成侦察。所以在20世纪中期人们就开始了无人侦察技术的研究，在越南战中无人侦察机的初次亮相更是激发了全世界范围内无人侦察机的研究热情。无人侦察机也成为了无人侦察的代名词。 一说到无人侦察，我们很自然的能想到无人侦察机。它是21世纪卫星侦察和有人侦察后的有一种重要侦察形式形式，它与侦察卫星相比相比，具体有成本低、侦察地域控制灵活、地面目标分辨率高等特点；与有人侦察机相比，具有可昼夜持续侦察的能力，不必考虑飞行员的疲劳和伤亡等问题，特别在对敌方严密设防的重要地域实施侦察时，或在有人驾驶侦察机难以接近的情况下，使无人侦察机就更能体现出其优越性。无人侦察机已成为重要的空中侦察装备。 经过几十年的发展，无人侦察机中机身最长的有13米多，最短的有0.15米；侦察高度也由原先的低空侦察向中高空和高高空发展；无人侦察机的续航能力也呈现出几小时到几十小时不等；而且侦察手段也是多种多样，现在已经很成熟的侦测技术手段有光电红外感应，微型数码摄像，以及人们熟知的雷达。 综上所述，无人侦察机尤其是无人侦察直升机已成为衡量一个国家侦察水平的标志，而通过此次对垂直起降侦察平台的研究，可以很好的推动我国无人侦察机技术的发展。对无人垂直起降侦察平台的研究意义是非常重大的。 2 作品结构框图及工作原理 2.1 作品结构框图 图2-1-1 空中侦测平台 图2-1-2终端控制平台 2.2 工作原理 垂直升降空中侦测平台的研制分为空中侦测平台和终端控制平台两部分。其中空中侦测平台由图像信息采集、温度采集、状态测量平台、SD卡信息存储、无线射频信息传输，以及飞机平稳飞行所需要的各种必须设备组成。数字摄像头采集到现场图片后，传入MCU处理成人们常见的图片格式，然后存储在大容量SD卡存储设备中，供以后进行分析使用，也可以通过射频模块发送到终端控制平台，进行现场分析，侦测平台自身状态的测量完全依靠三维加速度传感器进行精确定位并调整，DS18B20测量当地环境的温度，也可以通过无线射频模块发送到终端控制平台，以便工作人员在终端控制台做出下一步决策。垂直升降空中侦测平台采用检测与飞行完全独立的方案，实现了MCU控制中心的安全保障。终端控制平台通过无线射频模块接收侦测平台发送过来的信息，可以用RS232发送到Labview电脑显示终端，进一步实施查看和处理，也可以直接在MCU Atmega8做出显示，并通过人机接口键盘做出相应决策。 3硬件设计 3.1 空中侦测平台 空中侦测平台中的硬件设计除了其设备所需要的起飞与降落等各种动作设备之外，信息采集与处理的控制中心主要包含电源模块的设计、MC9S12XS128控制核心板电路设计和制作、无线射频模块NRF24L01、图像信息采集模块信息转换电路等模块组成。各模块所需要的电压并不是统一的，从而导致电路设计中各种稳压电路尤显重要其设计。 图3-1-1 MC9S12XS128系统电路图 其中复位电路与程序烧录下载所需要的接口电路都是很重要的，在整个控制电路中的摆放位置电路是否稳定起到决定性的作用。 图3-1-2 系统复位与程序下载电路 摄像头直接采集的图像是不会被MCU识别的，而且SD卡也不会存储，这就涉及到信号的处理，下面的电路采用LM1881产生场中断和行中断信号，并返回给MCU进行间歇控制，如图图3-1-3所示。 图3-1-3 图像处理电路 能够对MCU产生终端信号还不够，还需要AD转换电路将连续的信号转换成MCU可以识别的数字信号，因为摄像头采集的图像是瞬间的，而每一帧图像又包含了相对MCU来说很大的数据量，采用普通的AD转换电路是远远不够的，因此本设计选用了TLC5510高速AD转换电路，该转换电路需要一个8MHz的晶振提供时钟信号，具体的设计方案如图图3-1-4所示。 图3-1-4 高速AD转换电路 MC9S12XS128最小系统需要5V的稳定电压，否则芯片容易被烧毁，而普通的LM7805等稳压芯片虽然也能够产生稳定的5V电压，但是因为他们所提供的电流远远达不到该系统所需要的电流，为此我们选择以TPS7350为主要芯片的稳压控制电路，来产生5V电压。稳压电路设计的方案如图图3-1-5所示。 图3-1-5 MCU稳压电路 SD卡需要3V的电源，整个模块在系统中占用的面积也不是很大，所以在设计时直接贴在了系统的下面，选择ASM11173.3做为稳压芯片，其电路设计方案如下图所示图3-1-6。 图3-1-6 SD卡接口电路以及稳压电路 摄像头能够稳定地采集信息，所需要的稳定电压是不能够省略的，它的信息需要直接和MCU相连并进行处理，而12V稳定电压是需要单独提供的。为此又设计了如下图所示的升压电路。 图3-1-7 5V-12V升压电路 3.2 终端控制平台 终端控制平台主要负责信息接收与中继传递，也可以发送指令到空中侦测平台，其控制中心采用了Atmel公司生产的系列芯片Atmega8，主要考虑到Atmega8执行效率高，终端控制不需要太多的外接设备。具体包括无线射频模块NRF24L01，液晶显示模块12864，按键，串口信息传递模块RS232，以及PC终端Labview显示设备。 4 软件设计 4.1 空中侦测平台 空中侦测平台使用MC9S12XS128作为控制中心，在程序设计方面主要包括为SD卡存储设备设计的fat32文件系统，图像信息采集产生的中断控制程序，NRF24L01的无线SPI模式发送程序，串口发送与接收控制程序。MCU总的程序流程图如 图4-1-1示。 图4-1-1 空中侦测平台流程图 4.2 终端控制平台 终端控制平台需要接收无线信号，当然也有无线射频模块相应的SPI数据处理程序，同时有按键控制程序，液晶显示程序已经串口发送程序确保PC终端能够显示空中侦测平台所发回来的图像信息。这部分也采用了模块化设计思想和C语言进行编写。 在本设计中，我们采用iccv7ProLoader作为终端控制平台Atmega8的程序开放环境，该软件使用非常方便。我们使用的程序下载软件为AVR_fighter，该软件进行程序烧写时操作非常方便，并且稳定性很好。 同样还使用了Fresscale CodeWarrior作为MC9S12XS128的开发环境。 5 系统整体调试 各个模块基本都已经成功调试完毕，又经历了半个多月的时间，在整体上又进行了完整性测试，充分利用模块化设计思想的优势，让我们在后期的系统整体调试中非常有针对性。我们在系统整体调试时，先对所有的硬件电路进行测试，如果硬件电路设计的参数达不到要求，我们先调试硬件，直至硬件电路均达到要求为主。并且，我们在硬件调试过程中，也同时进行软件程序的编写，软件调试时先使用软件的仿真功能调试程序，利用仿真功能将程序调试通过为主。这样，当硬件调试好后，软件的仿真也通过后，我们就开始进行软、硬件联合调试，根据具体功能进行整体调试，直至所有功能均调试达到控制要求为止。经过最后的调试，垂直升降空中侦测平台以及终端控制平台目前已经能够很好的工作，基本上实现了所要求的各种功能，并且，我们还增设了一定的扩展功能，整个系统能很稳定、可靠的工作。 6总 结 经过几个月的努力，我们终于按时完成了垂直升降空中侦测平台的研制项目的设计。现在空中侦测平台能够平稳的实现飞行，降落， 并采集现场信息，存储信息，采集温度，发送无线数据。机械上的稳定性还存在一些小的问题，这些都是我们以后需要改进的地方。 回顾整个制作过程我们确实遇到了很多困难，从整体方案的确定到控制台的硬件、软件设计，飞机的机械设计、安装，控制电路的设计、调试，程序的编写和调试、无线射频模块NRF24L01的调试、数字图像处理与成型、电源的设计以及整个系统的最后协调等每一步都凝结了我们的汗水，很多知识都是从零开始学习的。所以，在垂直升降空中侦测平台的研制项目顺利完成之际，我们也由衷的感到欣慰，尽管我们在这之中付出了很多，但我们觉得是值得的，因为我们从中学习到了如何分工合作、如何去自己独立解决问题，懂得了什么叫做坚持就是胜利，且进一步提高了我们的自学能力和专业技能。在此我们希望类垂直升降空中侦测平台的研制能够真正应用到现实生活当中，降低生产成本，为人类造福。为使更多的人对科技创新的重视，希望他的研制能对我们的整体科技创新水平起到促进作用，为今后研制更多、更好的为人类服务的空中侦测平台提供坚实的基础。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明目的： 垂直向上空中侦测平台适用于那些高处或者海洋上面等人类难以直接到达的地方。为了适应生活的需要，为了满足间接检测技术的要求，让空中侦测平台完成人类需要完成拍摄或者检测的任务，降低空中侦测技术的成本，提高空中侦测技术的效率以成为现在迫切需要解决的问题。垂直升降空中侦测平台是一个科学技术发展共同的、综合性的结果，它是集通信技术、电子技术、计算机技术和机械技术于一体的综合产物。现在各种各样的检测技术均已经得到广泛的应用与实施，并且其应用将会渗透到人们生活中的各种环境。 基本思路： 本次设计的垂直升降空中侦测平台涉及图像信息采集，核心数据存储，无线信息传输，以及现场信息的终端显示技术。控制中心安装在侦测平台的安全位置，获取数字摄像头采集现场人类所不能到达的地方的图像信息，并存储在大容量即插即拔设备SD上，同时也可以通过基于NRF24L01的无线射频模块进行短距离无线传输，现场可触及的终端控制中心使用了atmega8芯片进行无线信息接收，并传输到电脑进行实时观察分析，电脑终端使用了Labview技术。最终实现了侦测平台能够垂直起降，并且向上要达到一定的高度；在空中时定点侦察，水平移动，不同角度的侧转；高速的数字摄像头摄象头，实现了对各个角度的拍摄及定点拍摄。 创新点： 技术关键和主要技术指标： 本设计中在MC9S12XS128控制器中采用了FAT32文件系统，实现了图像信息的存储，无线射频信息传输保证了人类能够在侦测平台工作时看到图像信息。
科学性、先进性
- 基于当前空中侦测技术的发展，本项目所研制的垂直升降空中侦测平台需要达到的目标有： 1）垂直向上空中侦测平台能够垂直起降，并且上要达到一定的高度； 2）在空中时可实现定点侦察，水平移动，不同角度的侧转； 3）安装有可万向旋转的摄象头，实现对各个角度的拍摄； 4）地面控制系统可实时返回并显示所侦察到的情况 5）使用双翼或者三翼保证平台稳定。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年华北科技学院科技文化节二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 航空侦察是指运用航空侦察平台，通过侦察平台所载的侦察设备在大气层内实施的侦察。航空侦察是军事侦察的重要组成部分，具有时效性强、机动灵活等特点，在信息化战争中发挥着越来越大的作用。航空侦察装备系统效能的大小，直接决定了航空图像情报获取的数量及质量，并影响到未来战争的指挥、决策。 历次战争的实践证明，航空侦察对战争的结果起着非常重要的作用，因此，各国都十分重视航空侦察装备的建设与发展。 无人侦察机是侦察机家族的“新贵” 。由于无人机具有体积小、生存力高、寿命周期费用低等优点，在问世的一开始，就被用于战场侦察。根据续航时间、航程和大小等，无人侦察机可分为长航时、中程、短程、近程和微型5 种类型。当今，以色列和美国在无人侦察机的发展的规模和技术水平方面处于领先地位。
同类课题研究水平概述
- 从美国第一次在越南战争中使用无人侦察机到现在，研制并拥有无人侦察机的国家已经达到30多个，而且其中以色列、美国、英国等在此方面处于领先水平。而且它以成为现代战争所必不可少的武器装备。 经过几十年的发展，无人侦察机中机身最长的有13米多，最短的有0.15米；侦察高度也由原先的低空侦察向中高空和高高空发；无人侦察机的续航能力也呈现出几小时到几十小时不等；而且侦察手段也是多种多样，现在已有的有光电红外感应，高清ccd摄像头，和雷达。 1）未来无人侦察的发展方向，主要有穿透雷达，高速率的数字式通用保密数据传输系统，开发通用的地面控制系统和发展垂直起降的无人直升机。其中无人直升机具有垂直起降、空中旋停、前后左右机动的能力，不需要复杂的发射装置和回收系统，因此，优势得天独厚。它可以广泛用于炮兵射击训练、陆军的情报侦察与战场监视以及海军的中短程海上监视（包括监视水面和水下目标）等。 综上所述，无人侦察机尤其是无人侦察直升机已成为衡量一个国家侦察水平的标志，而通过此次对垂直起降侦察平台的研究，可以很好的推动我国无人侦察机技术的发展。对无人垂直起降侦察平台的研究意义是非常重大的。
