论文题目: 基于磁场传感线圈的昆虫飞行跟踪测量系统
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 蔡志坚
导师: 曾理江
关键词: 昆虫飞行,磁场传感线圈,混合跟踪,身体姿态,扇翅角
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 昆虫运动机理仿生研究有望为微型飞行器(MAV)的设计提供新的思路和理论指导,而自由飞行昆虫的运动参数测量对于这项研究有着至关重要的意义。在昆虫运动参数的测量研究中,昆虫的飞行范围和飞行观测细节之间的矛盾成为该领域进一步发展的瓶颈,对自由飞行的昆虫进行跟踪测量是解决这一矛盾的根本之策。本论文提出一种基于磁场传感线圈的开环混合跟踪测量系统,它不但可以获取高分辨率的飞行细节图像,使高速摄像机跟踪拍摄昆虫的自由飞行成为可能,还能方便快捷地测量出昆虫飞行时的身体轨迹和姿态。这种混合跟踪测量系统主要由磁场传感线圈测量系统和图像跟踪系统两部分组成。在磁场传感线圈测量系统中,通有电流的铜导线在立方框内产生独特分布的交变磁场,昆虫身体上背负着微型传感线圈在立方框内飞行,传感线圈对交变磁场的感应电压经过弱信号处理电路的处理以及一系列算法的运算,得出昆虫身体的位置及姿态。在图像跟踪系统中,计算机根据昆虫身体位置计算出控制信号的大小,通过伺服控制电路驱动一个二维转镜产生转动,CCD摄像机通过二维转镜跟踪拍摄到昆虫飞行的图像。该系统不需要从图像中提取信息,使摄像机可以自由地进行拍摄。它还具有开环跟踪的特性,目标即使暂时丢失也能够很快找回来。本论文利用该系统对熊蜂进行了跟踪测量实验,跟踪拍摄了熊蜂飞行时的图像序列,并获取了飞行时身体轨迹及姿态的数据,证明了这种混合跟踪测量系统的有效性。论文还对所获取的数据按照悬停、直飞和拐弯三种运动模式进行了简单的分析。对于一些翅膀比较大的昆虫,本论文提出了利用在翅膀上粘接微型传感线圈来测量扇翅角和扭转角的方法,并且成功地对熊蜂进行了实验,获取了熊蜂的扇翅角和扭转角数据,初步验证了这种方法的可行性。和通过图像处理确定扇翅角和扭转角的方法相比,该方法精度高,处理速度快,而且避免了遮挡和图像位置识别带来的测量误差。
论文目录:
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 课题背景和研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 昆虫运动机理的研究
1.2.2 昆虫运动参数的测量
1.2.2.1 对固定扇翅昆虫的测量
1.2.2.2 对自由飞行昆虫的引导抓拍测量
1.2.2.3 对自由飞行昆虫的跟踪测量
1.2.3 其它跟踪测量方法
1.2.3.1 光学跟踪方法
1.2.3.2 无线电跟踪方法
1.2.3.3 惯性跟踪方法
1.3 课题的提出和论文的内容安排
1.3.1 课题的提出和研究内容
1.3.2 论文安排
第2章 混合跟踪系统的工作原理
2.1 图像跟踪系统和混合跟踪系统简介
2.1.1 图像跟踪系统存在的问题
2.1.2 从图像跟踪系统到混合跟踪系统
2.2 混合跟踪系统的工作原理
2.2.1 磁场传感线圈测量系统
2.2.2 图像跟踪系统
2.2.3 磁场测量系统和图像跟踪系统之间的关系
2.3 系统实现的难点及关键技术
2.3.1 难点一：磁场传感线圈的制作
2.3.2 难点二：微弱信号的处理
2.3.3 难点三：标定方法和信号处理算法
2.3.4 难点四：开环控制和控制延时
本章小结
第3章 基于磁场传感线圈的位置及姿态测量系统
3.1 磁场传感线圈测量系统的工作原理
3.1.1 符号约定
3.1.2 线圈对磁场的响应
3.1.3 传感线圈姿态的确定方法
3.1.4 传感线圈位置的确定方法
3.2 空间磁场的产生
3.3 传感线圈的制作
3.4 多通道微弱信号处理电路
3.4.1 锁定放大器原理
3.4.2 多通道信号处理电路
3.4.3 接地屏蔽措施
3.5 信号的采集和测量系统的标定
3.5.1 信号同步采集控制
3.5.2 磁场传感线圈测量系统的标定
3.5.2.1 磁场分布的标定
3.5.2.2 线圈响应系数的标定
3.5.2.3 线圈之间角度关系的标定
3.6 传感线圈姿态及位置计算方法
3.6.1 网格搜索算法
3.6.2 磁场分布拟合算法
3.7 实验结果和误差分析
3.7.1 传感线圈的位置测量
3.7.2 两种算法在小范围内的测量结果比较
3.7.3 传感线圈的姿态测量
3.7.4 误差分析
本章小结
第4章 图像跟踪系统
4.1 图像跟踪系统的原理
4.2 伺服控制电路
4.2.1 PID 校正电路
4.2.2 反馈信号调理电路
4.2.3 PWM 电机驱动电路
4.2.4 伺服控制电路的调试
4.3 光电编码器信号处理电路
4.3.1 光电编码器信号处理电路的原理
4.3.2 光电编码器转角测量电路
4.3.3 光电编码器转速测量电路
4.4 图像跟踪系统的标定
4.5 预测滤波方法
4.6 跟踪实验及误差分析
4.6.1 跟踪实验
4.6.2 误差分析
本章小结
第5章 昆虫飞行的跟踪测量实验
5.1 引言
5.2 昆虫飞行的跟踪测量
5.2.1 实验参数
5.2.1.1 传感线圈
5.2.1.2 摄像机
5.2.1.3 坐标系及昆虫姿态的定义
5.2.1.4 实验昆虫
5.2.2 熊蜂飞行的跟踪测量
5.2.2.1 悬停
5.2.2.2 直飞
5.2.2.3 拐弯
5.2.3 讨论
5.3 扇翅角和扭转角的测量
5.3.1 实验参数和测量原理
5.3.1.1 用于测量扇翅角和扭转角的小线圈
5.3.1.2 测量原理
5.3.1.3 小线圈的粘接
5.3.1.4 扇翅角和扭转角的定义
5.3.2 测量结果
5.3.3 讨论
本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文工作总结
6.2 展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2007-03-14
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