基本信息
- 项目名称：
- 基于机器视觉的飞机导弹自动挂载系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 为提高飞机挂载导弹的作业效率，本作品应用图像处理、自动控制、机械制造等技术设计并实现了一个基于机器视觉的辅助挂弹系统的仿真实体模型，可准确高效地完成机翼下多个导弹的挂载任务。系统采用视觉信息识别方法实现多组导弹挂架识别和定位；采用自动控制方法控制挂弹机械装置托举导弹到指定挂架位置；完成挂架任务后，通过无线通信模块自动更新挂弹状态，管理系统完成监控和查询所有挂弹装置的工作状态和挂弹信息的任务。
- 详细介绍：
- 本作品设计并实现了一个基于视觉的辅助挂弹系统实体模型，设计了一个机械装置，用于托举导弹至飞机机翼下的挂架处，在机械装置上加装摄像头，采集挂架的视觉信息，并由此实现对机翼下的挂点的检测与定位。同时，引入管理软件对挂弹作业和装置进行管理。 为托举不同型号的导弹，本作品设计并实现了具有四自由度的机械装置，装置可在X轴、Y轴、Z轴以及绕Z轴旋转四个自由度上位移，可托举导弹到达空间坐标系的任意位置，装置具有足够的托举能力和很高的精度与稳定性。 系统提供了DSP和FPGA两套嵌入式解决方案。在机翼下挂点的对应位置设置标记色块，用以视觉检测。摄像头将采集到的图像信息传到处理器中，处理器经过算法分析后给出坐标信息，驱动机械装置上的步进电机，使导弹运动到指定位置，完成挂弹动作。挂弹动作完成之后，触发无线传输模块发送挂弹更新状态给管理系统，管理系统自动更新状态信息。 用户可以通过系统提供的管理软件对挂弹设备进行管理。软件提供了任务指派、设备状态监控、作业信息查询、报警等功能。
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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
- 设计目的:目前的挂弹车大多为人工引导的半自动模式，本作品的设计目的是设计一个自动挂弹系统的实体模型，为挂弹车这一类机场地勤设备向高智能化和高机械化发展提供一定参考价值。 基本思路:首先设计并制作四自由度机械装置，将摄像头装在机械装置上，拍摄对机翼下的颜色标记，通过DSP或FPGA处理器对摄像头采集到的视频数据进行分析和处理，得出坐标信息，通过步进电机控制机械臂进行相应的位移，引导导弹与飞机挂点的对接，自动完成挂弹动作，并能将飞机当前的状态，通过无线传输模块传送至服务器，实现对飞机装载状态管理。 创新点:1）应用机器视觉技术、嵌入式技术代替人眼完成对挂点的识别，挂弹自动化。2）由三个直线自由度和一个旋转自由度构成的机械装置，具 有很高的稳定性和承载能力。3）控制策略将机器视觉的信息反馈机制与目标检测和空间定位的技术相结合，将检测到的标记点的位置信息转化为电机的运动。4）可自动更新挂弹状态的服务器系统，引入数据库和应急报警机制。 技术关键:1）导弹挂点标记目标的视觉检测；2）基于现实立体空间模型的坐标映射；3）嵌入式微处理器的挂弹机械装置控制；4）高稳定性和精度的挂弹机械装置机械结构的设计；5）多轴机械臂的运动控制策略；6）无线通讯技术与数据库开发技术。 主要技术指标：1）四自由度的机械臂结构的控制精度。2）挂点标记的正确识别。3）多轴电机控制策略的精度及机械臂运行的稳定性。 4）服务器的状态更新的及时性 技术指标：1）两侧机翼各可加挂两个导弹；2）机械臂达到毫米级运动精度。
科学性、先进性
- 科学性：1）挂弹机械臂实体模型的设计，按照飞机挂载导弹所需要的功能实现。2）机械臂设计结构的设计，借鉴了数控机床的水平传动结构，设计了滚珠丝杠加滚动导轨的结构来实现。升降采用的剪叉升降机构实现。旋转定位采用周转轮系机构来实现。3）DSP/FPGA具有对机器视觉数据的复杂算法的高效运算能力，并通过用户扩展口对电机驱动电路的输入信号进行控制，完成视觉信息处理与控制一体化。4）作品将管理系统设计成具有中控台的特点，自动根据任务量合理给各个挂弹车分配任务。 先进性：1）基于机器视觉的挂点位置检测方法，将机器视觉的反馈机制和嵌入式技术应用到目标的检测和空间定位中，进行无接触的检测。2）四自由度机械装置机械臂，使用各种优化的传动机制，设计有多个自由度。3）基于现实空间模型的建立和目标的准确检测，机械臂运动的精度在毫米级别。4）将无线传输和可视化界面应用到挂弹装置设备状态监控系统中，为挂弹车这一类机场地勤设备设计专用的设备管理系统行。 参考文献见设计报告。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年10月获本学院第十九届“理奥杯”特等奖两项 2010年12月获本校第十九届大学生课外学术科技作品竞赛特等奖一项 2011年6月获第八届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖一项
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 系统整体技术或部分核心技术的技术转让。
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；现场演示；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
- 使用说明：本系统可为飞机挂多枚导弹，首先服务器向挂弹车辆指派作业任务，然后挂弹车开到机翼下，开启挂弹功能，系统自动检测挂点、机械装置的平移、旋转、上升，将导弹与挂点对接，之后机械臂下降，重复上述动作，完成其余导弹的挂弹工作，系统挂弹过程中，状态监测模块在挂弹结束后，不断向服务器传送状态信息， 有意外或紧急情况发生时，系统启动报警功能。 推广前景：1）本系统集机械化、自动化和智能化于一体，可以极大地节约成本提高效率，具有广阔应用前景。2）本系统设计的机械装置具有很高的通用性，其多自由度和高承载能力的特点可使其应用在许多场合，如立体货仓机器人、档案图书管理机器人等，具有很高的推广价值。 市场分析和经济效益预测：本作品提出的“辅助挂弹系统”具体实施方式，是在现有的挂弹车辆的机械化基础上，改造机械臂，加装摄像头、嵌入式开发板，完成智能化的挂弹任务。本系统无论是在军用机场还是航母上，都有很高的应用价值。系统中的机械臂可以推广到许多的应用场合。
同类课题研究水平概述
- 国内外许多国家研制出了多种型号的挂弹车辆。按照工作原理和作业方式，飞机挂弹设备大体可分为柔性吊挂设备和全刚性机构两类。全刚性机构的挂弹设备按升降机构的不同，挂弹车又可分为升降台和升降臂两类。我国上世纪80年代初已研制了一种升降臂型挂弹车，作为飞机挂装导弹的专用保障设备。目前国内外的挂弹装备已基本实现了机械化，但由于挂点位置受导弹遮挡不易检测，所以整个挂弹过程仍需人员参与较为繁琐的挂点位置判断及机械臂动作的手动调整。 为此，我们设计了基于机器视觉的飞机导弹自动挂在系统。 有关机械结构的设计，国内已有利用钢丝绳进行传动的四自由度机械臂、利用刚柔结合的并联机构提高精度和减小振动的四自由度机械臂、利用四自由度并联机构，服役弹性阻尼系统实现多维平台机构、由三个旋转自由度及一个移动自由度构成的四自由度机械装置、由两个自由度的直线移动和两个自由度的转动的四自由度机械装置的报道，但均不能满足挂弹的高精度及高稳定性要求。为此，我们采用了由滚珠丝杠副及齿轮传动、刚性串联机构、三个直线自由度及一个旋转自由度构成四自由度机械臂。 有关基于视觉的目标检测方法，有关文献及专利以目标纹理、形状、以及频域特征匹配，实现较为复杂的目标检测，由于算法的复杂度直接影响到挂弹速度，为此，本作品采用了便于识别的颜色标记点进行定位检测，以降低检测难度，提高检测精度。 有关上下位机通信及事件状态管理系统方面，有利用单片机、GSM通信的电力系统状态监测管理系统；有基于GPRS网络的设备状态监控系统。但这些无法满足飞机挂载导弹状态的更新与管理的需要。为此，本作品采用无线传输技术实现了飞机状态自动更新的管理系统。 经过查新，以基于机器视觉的飞机导弹自动挂载系统尚无与本作品相同或相似的技术。（详细请见查新报告）
