高精度激光跟蹤指示云臺(tái)的研制開題報(bào)告定稿(范例)

1、洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告系（部）： 計(jì)算機(jī)與信息工程系 2013年3月28日 課題名稱高精度激光跟蹤指示云臺(tái)的研制學(xué)生姓名楊許豪專業(yè)班級(jí)通信工程B090507課題類型硬件設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師王新新職稱講師課題來(lái)源科研1. 綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義云臺(tái)是安裝、固定攝像機(jī)的支撐設(shè)備，可分為固定和電動(dòng)云臺(tái)兩種。固定云臺(tái)適用于監(jiān)視范圍不大的情況，在固定云臺(tái)上安裝好攝像機(jī)后可調(diào)整攝像機(jī)的水平和俯仰的角度，達(dá)到最好的工作姿態(tài)后只要鎖定調(diào)整機(jī)構(gòu)就可以了。 電動(dòng)云臺(tái)適用于對(duì)大范圍進(jìn)行掃描監(jiān)視，能夠擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍。電動(dòng)云臺(tái)高速姿態(tài)是由兩臺(tái)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)接受來(lái)自控制器的信

2、號(hào)精確地運(yùn)行定位。在控制信號(hào)的作用下，云臺(tái)上的攝像機(jī)既可自動(dòng)掃描監(jiān)視區(qū)域，也可在監(jiān)控中心值班人員的操縱下跟蹤監(jiān)視對(duì)象。云臺(tái)根據(jù)其回轉(zhuǎn)的特點(diǎn)可分為只能左右旋轉(zhuǎn)的水平旋轉(zhuǎn)云臺(tái)和既能左右旋轉(zhuǎn)又能上下旋轉(zhuǎn)的全方位云臺(tái)，也就是二自由度（2-Degree ofFreedom）云臺(tái)，簡(jiǎn)稱 2-DOF 云臺(tái)。 圖 1 云臺(tái) 一般來(lái)說(shuō)，二自由度云臺(tái)的水平旋轉(zhuǎn)角度為0350，垂直旋轉(zhuǎn)角度為+90。恒速云臺(tái)的水平旋轉(zhuǎn)速度一般在310/s，垂直速度為4/s左右。中速云臺(tái)的水平旋轉(zhuǎn)速度一般在032/s，垂直旋轉(zhuǎn)速度在016/s左右。高速云臺(tái)的水平旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)480/s以上，垂直旋轉(zhuǎn)速度在120/s以上。云臺(tái)的應(yīng)用范圍很

3、廣，現(xiàn)如今云臺(tái)主要用于安全監(jiān)控、動(dòng)態(tài)攝像等需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像（視頻）捕捉的場(chǎng)合或環(huán)境，使采集方式更直接、方便，獲取的信息內(nèi)容更豐富。也有一些特殊環(huán)境需要云臺(tái)產(chǎn)品，這樣的環(huán)境需要云臺(tái)具有滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特殊防護(hù)性能，常見的有水下型、高溫型、低溫型、防腐型和防爆型。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理和傳輸以及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)日新月異的發(fā)展和進(jìn)步，云臺(tái)的諸多應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地更新和進(jìn)步，云臺(tái)的功能已經(jīng)不能滿足用戶的需求。例如：云臺(tái)與控制系統(tǒng)的通信一般都遵循派爾高（PELCO）協(xié)議，而此協(xié)議沒有云臺(tái)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的反饋，用戶只能對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向和運(yùn)行狀態(tài)（停止/轉(zhuǎn)動(dòng)）的控制，無(wú)法獲得當(dāng)前的姿態(tài)數(shù)據(jù)。想要更加準(zhǔn)確

4、、智能，就需要一個(gè)帶有坐標(biāo)反饋的云臺(tái)，以便于系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控事物進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別和定位。在監(jiān)控行業(yè)，人們已不再滿足以往的監(jiān)控方式，監(jiān)控中人們往往存在如下的困惑：人類自身的弱點(diǎn)注意既不集中（人集中注意力低于每小時(shí)20分鐘），其他事物的干擾（電話、聊天等）；攝像頭與監(jiān)視屏的矛盾隨即抽取攝像頭顯示，一個(gè)監(jiān)視屏輪休顯示多個(gè)攝像頭；監(jiān)控人員的局限性一個(gè)人監(jiān)看多個(gè)顯示屏，監(jiān)控人員平均監(jiān)看每個(gè)攝像頭的時(shí)間低于每小時(shí)5分鐘；被動(dòng)監(jiān)控只能起錄像作用，事故后才能進(jìn)行查驗(yàn)等等。圖 2 監(jiān)控的煩惱由于以上原因，監(jiān)控技術(shù)被迫向智能化的方向發(fā)展，而智能化不僅需要對(duì)控制終端的應(yīng)用進(jìn)行升級(jí)，也需要對(duì)云臺(tái)部分進(jìn)行升級(jí)。在深林防火方面，

5、森林火災(zāi)因?yàn)槌３Ｌ幵谏钌嚼狭种校灰装l(fā)現(xiàn)，故而發(fā)現(xiàn)火災(zāi)對(duì)于早撲滅火災(zāi)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)主要的監(jiān)控方式就是建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)城市監(jiān)控的簡(jiǎn)單延伸，將采集視頻圖像通過(guò)微波匯總，由人工完成集中監(jiān)視；人工監(jiān)視易造成肉眼疲勞，視頻中的火情不易被查覺，造成漏報(bào)；監(jiān)控中心的視頻線路較多，人工監(jiān)視也無(wú)法一一監(jiān)看，易造成漏報(bào)。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的最大缺點(diǎn)是漏報(bào)率高，通過(guò)建立智能預(yù)警系統(tǒng)對(duì)森林進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠降低漏報(bào)率。智能預(yù)警系統(tǒng)的前端包含有重型數(shù)字云臺(tái)，如圖3所示為一款用于森林防火的重型數(shù)字云臺(tái)，此云臺(tái)支持角度回顯，但價(jià)格昂貴，要滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需求就要大范圍的安裝設(shè)備，這需要有大量的資金支持。森林防火

6、迫切需要有這樣一種廉價(jià)但性能完善的云臺(tái)。圖 3 高精度數(shù)字云臺(tái)除此以外如低成本吊艙、全站儀等，也都需要這樣一種含有精確位置反饋的、相對(duì)較低成本的云臺(tái)。因此從事高精度激光跟蹤指示云臺(tái)的研究就具有非凡的意義，能夠一定程度上解決上述問(wèn)題，為社會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。2. 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題研制一個(gè)含有高精確位置控制和反饋的云臺(tái)，計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)串行接口來(lái)對(duì)云臺(tái)進(jìn)行水平和俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，同時(shí)也可發(fā)射激光束到指定的目標(biāo)，進(jìn)而對(duì)靜止的和移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行指示定位，以便其他設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。所要解決的問(wèn)題如下：電機(jī)類型選擇問(wèn)題控制用電動(dòng)機(jī)可劃分：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)等，由于要制一個(gè)精度比較高的云臺(tái)

7、就要選擇一個(gè)細(xì)分?jǐn)?shù)較高的電機(jī)，伺服電機(jī)的相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，伺服電機(jī)的控制精度、低頻特性、矩頻特性、過(guò)載能力等方面都有一定的優(yōu)越性，然而在一定的精度要求下，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)都能實(shí)現(xiàn)，而且步進(jìn)電機(jī)能以比較低的經(jīng)濟(jì)成本來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以具體的電機(jī)選擇要根據(jù)實(shí)際的云臺(tái)參數(shù)要求進(jìn)行選擇。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路問(wèn)題電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路要能夠?qū)崿F(xiàn)讓所選電機(jī)平穩(wěn)、正確的旋轉(zhuǎn)到指定的位置，具有一定的負(fù)載能力。解決這個(gè)問(wèn)題就要搜索查看相關(guān)電機(jī)的典型控制電路，理解并熟練掌握，然后根據(jù)自己的要求對(duì)電路進(jìn)行修改、設(shè)計(jì)。電機(jī)的控制算法問(wèn)題云臺(tái)要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的指示以及跟蹤功能，編寫算法的時(shí)候要留下合適的控制接口，以便于PC機(jī)進(jìn)行控制?？刂齐姍C(jī)用

8、的比較多的是PID控制算法，因此要了解PID控制算法，達(dá)到能夠正確、熟練使用的程度。云臺(tái)控制協(xié)議問(wèn)題云臺(tái)的控制協(xié)議一般都遵循派爾高協(xié)議，沒有含帶位置反饋信息，因此要了解一下派爾高協(xié)議的內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上制定出適合自己系統(tǒng)的通信協(xié)議。云臺(tái)控制器選擇問(wèn)題云臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)所涉及的控制算法比較多，所以控制器的選擇也要慎重，可以首選自己熟悉的控制器類型，如51、AVR、ARM、DSP、FPGA等，根據(jù)實(shí)際的性能需求選擇合適的控制器型號(hào)。云臺(tái)坐標(biāo)系的標(biāo)定和變換因?yàn)樵婆_(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)和用戶所用的坐標(biāo)系統(tǒng)可能不是同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，想要正確的控制云臺(tái)跟蹤用戶坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的目標(biāo)，就需要通過(guò)兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，因此就要考慮不同坐標(biāo)系的

9、轉(zhuǎn)換問(wèn)題。3. 研究步驟、方法及措施高精度激光跟蹤指示云臺(tái)的研制，首先，要搜索和云臺(tái)相關(guān)的資料，通過(guò)相關(guān)的資料，根據(jù)要制作的云臺(tái)的性能指標(biāo)，確定云臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，選擇合適的硬件平臺(tái)。然后，根據(jù)所選定的硬件平臺(tái)選擇適合的開發(fā)工具，對(duì)云臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。最后，對(duì)云臺(tái)的性能進(jìn)行測(cè)試，先搭建一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，根據(jù)需求將云臺(tái)固定在一個(gè)距目標(biāo)靶約3米的地方，云臺(tái)的激光束可以投射到目標(biāo)靶上。如圖4所示，為測(cè)試系統(tǒng)模型圖。對(duì)云臺(tái)的測(cè)試要經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)步驟：要云臺(tái)的定位能力的測(cè)試，測(cè)試方法：讓云臺(tái)初試上電后到達(dá)一個(gè)指定的位置，多次上電斷電進(jìn)行測(cè)試，如果云臺(tái)每次能夠精確的到達(dá)指定的位置進(jìn)行指示的話，測(cè)試成功，反之則失敗。云臺(tái)位

10、置精度的測(cè)試，測(cè)試方法：云臺(tái)上電，到達(dá)一個(gè)固定的位置后停止，記錄當(dāng)前位置，然后讓云臺(tái)以最細(xì)微的走法行走一步，停止，記錄位置，測(cè)量?jī)蓚€(gè)位置的距離，并通過(guò)云臺(tái)到目標(biāo)靶的距離估算云臺(tái)的精度，并與理論的計(jì)算值進(jìn)行比較，相差不大的為測(cè)試通過(guò)，反之則沒有，查找問(wèn)題并改進(jìn)，重新進(jìn)行測(cè)試。云臺(tái)隨動(dòng)指示的測(cè)試，測(cè)試方法：使用投影儀在目標(biāo)靶上投影不斷移動(dòng)的高亮目標(biāo)，PC機(jī)控制端不斷把目標(biāo)的坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)化，發(fā)送給云臺(tái)，觀察云臺(tái)是否能夠隨動(dòng)跟蹤。圖 4 測(cè)試系統(tǒng)模型4. 研究工作進(jìn)度第5周第6周 收集課題相關(guān)資料、分析資料、熟悉硬件第7周第12周 編寫程序、調(diào)試、改造第13周第16周 撰寫論文、完成定稿并打印裝訂第17

11、周 論文答辯5. 主要參考文獻(xiàn)陳春輝, 季曉勇. 基于單片機(jī)的云臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 微處理機(jī), 2006, 10(5): 89-93秦繼榮，沈安俊. 現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1999:183-190毛小南.機(jī)載偵察吊艙一瞥.現(xiàn)代兵器J. 1997:30-31何克忠. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M. 北京: 清華大學(xué)出版社，1998:150-171付朝陽(yáng), 劉景林, 常威威. 高精度二相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究J. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2009, 17(7): 1276-1278陳宇. 基于MEMS傳感器的模擬云臺(tái)探測(cè)系統(tǒng)J. 湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 28(8): 54-57李昌坤, 李昌龍, 何小海. 一種新型的智能云臺(tái)控制系統(tǒng)J. 中國(guó)測(cè)試技術(shù), 2005, 31(3): 30-32胡琳萍. 基于DSP的控制驅(qū)動(dòng)一體化二自由度云臺(tái)的設(shè)計(jì)