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基本信息

項目名稱:
基于機器視覺的飛機導彈自動掛載系統
小類:
機械與控制
簡介:
為提高飛機掛載導彈的作業效率,本作品應用圖像處理、自動控制、機械制造等技術設計并實現了一個基于機器視覺的輔助掛彈系統的仿真實體模型,可準確高效地完成機翼下多個導彈的掛載任務。系統采用視覺信息識別方法實現多組導彈掛架識別和定位;采用自動控制方法控制掛彈機械裝置托舉導彈到指定掛架位置;完成掛架任務后,通過無線通信模塊自動更新掛彈狀態,管理系統完成監控和查詢所有掛彈裝置的工作狀態和掛彈信息的任務。
詳細介紹:
本作品設計并實現了一個基于視覺的輔助掛彈系統實體模型,設計了一個機械裝置,用于托舉導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和裝置進行管理。 為托舉不同型號的導彈,本作品設計并實現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軸旋轉四個自由度上位移,可托舉導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定性。 系統提供了DSP和FPGA兩套嵌入式解決方案。在機翼下掛點的對應位置設置標記色塊,用以視覺檢測。攝像頭將采集到的圖像信息傳到處理器中,處理器經過算法分析后給出坐標信息,驅動機械裝置上的步進電機,使導彈運動到指定位置,完成掛彈動作。掛彈動作完成之后,觸發無線傳輸模塊發送掛彈更新狀態給管理系統,管理系統自動更新狀態信息。 用戶可以通過系統提供的管理軟件對掛彈設備進行管理。軟件提供了任務指派、設備狀態監控、作業信息查詢、報警等功能。

作品圖片

  • 基于機器視覺的飛機導彈自動掛載系統
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作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

設計目的:目前的掛彈車大多為人工引導的半自動模式,本作品的設計目的是設計一個自動掛彈系統的實體模型,為掛彈車這一類機場地勤設備向高智能化和高機械化發展提供一定參考價值。 基本思路:首先設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據進行分析和處理,得出坐標信息,通過步進電機控制機械臂進行相應的位移,引導導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,通過無線傳輸模塊傳送至服務器,實現對飛機裝載狀態管理。 創新點:1)應用機器視覺技術、嵌入式技術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自由度構成的機械裝置,具 有很高的穩定性和承載能力。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相結合,將檢測到的標記點的位置信息轉化為電機的運動。4)可自動更新掛彈狀態的服務器系統,引入數據庫和應急報警機制。 技術關鍵:1)導彈掛點標記目標的視覺檢測;2)基于現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)高穩定性和精度的掛彈機械裝置機械結構的設計;5)多軸機械臂的運動控制策略;6)無線通訊技術與數據庫開發技術。 主要技術指標:1)四自由度的機械臂結構的控制精度。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定性。 4)服務器的狀態更新的及時性 技術指標:1)兩側機翼各可加掛兩個導彈;2)機械臂達到毫米級運動精度。

科學性、先進性

科學性:1)掛彈機械臂實體模型的設計,按照飛機掛載導彈所需要的功能實現。2)機械臂設計結構的設計,借鑒了數控機床的水平傳動結構,設計了滾珠絲杠加滾動導軌的結構來實現。升降采用的剪叉升降機構實現。旋轉定位采用周轉輪系機構來實現。3)DSP/FPGA具有對機器視覺數據的復雜算法的高效運算能力,并通過用戶擴展口對電機驅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)作品將管理系統設計成具有中控臺的特點,自動根據任務量合理給各個掛彈車分配任務。 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應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,使用各種優化的傳動機制,設計有多個自由度。3)基于現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用到掛彈裝置設備狀態監控系統中,為掛彈車這一類機場地勤設備設計專用的設備管理系統行。 參考文獻見設計報告。

獲獎情況及鑒定結果

2010年10月獲本學院第十九屆“理奧杯”特等獎兩項 2010年12月獲本校第十九屆大學生課外學術科技作品競賽特等獎一項 2011年6月獲第八屆西安高新“挑戰杯”陜西省大學生課外學術科技作品競賽特等獎一項

作品所處階段

實驗室階段

技術轉讓方式

系統整體技術或部分核心技術的技術轉讓。

作品可展示的形式

實物、產品;模型;現場演示;圖片

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

使用說明:本系統可為飛機掛多枚導彈,首先服務器向掛彈車輛指派作業任務,然后掛彈車開到機翼下,開啟掛彈功能,系統自動檢測掛點、機械裝置的平移、旋轉、上升,將導彈與掛點對接,之后機械臂下降,重復上述動作,完成其余導彈的掛彈工作,系統掛彈過程中,狀態監測模塊在掛彈結束后,不斷向服務器傳送狀態信息, 有意外或緊急情況發生時,系統啟動報警功能。 推廣前景:1)本系統集機械化、自動化和智能化于一體,可以極大地節約成本提高效率,具有廣闊應用前景。2)本系統設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。 市場分析和經濟效益預測:本作品提出的“輔助掛彈系統”具體實施方式,是在現有的掛彈車輛的機械化基礎上,改造機械臂,加裝攝像頭、嵌入式開發板,完成智能化的掛彈任務。本系統無論是在軍用機場還是航母上,都有很高的應用價值。系統中的機械臂可以推廣到許多的應用場合。

同類課題研究水平概述

國內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方式,飛機掛彈設備大體可分為柔性吊掛設備和全剛性機構兩類。全剛性機構的掛彈設備按升降機構的不同,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,作為飛機掛裝導彈的專用保障設備。目前國內外的掛彈裝備已基本實現了機械化,但由于掛點位置受導彈遮擋不易檢測,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整。 為此,我們設計了基于機器視覺的飛機導彈自動掛在系統。 有關機械結構的設計,國內已有利用鋼絲繩進行傳動的四自由度機械臂、利用剛柔結合的并聯機構提高精度和減小振動的四自由度機械臂、利用四自由度并聯機構,服役彈性阻尼系統實現多維平臺機構、由三個旋轉自由度及一個移動自由度構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、剛性串聯機構、三個直線自由度及一個旋轉自由度構成四自由度機械臂。 有關基于視覺的目標檢測方法,有關文獻及專利以目標紋理、形狀、以及頻域特征匹配,實現較為復雜的目標檢測,由于算法的復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。 有關上下位機通信及事件狀態管理系統方面,有利用單片機、GSM通信的電力系統狀態監測管理系統;有基于GPRS網絡的設備狀態監控系統。但這些無法滿足飛機掛載導彈狀態的更新與管理的需要。為此,本作品采用無線傳輸技術實現了飛機狀態自動更新的管理系統。 經過查新,以基于機器視覺的飛機導彈自動掛載系統尚無與本作品相同或相似的技術。(詳細請見查新報告)
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