智能驱鸟技术的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 4.44MB 59 页 15积分

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摘要

鸟害是林果业、种植业面临的重要问题，同时也会引起输电线路故障。目前

已有的驱鸟装置没有检测部分，不能检测到是否有鸟类进入布控范围。驱鸟装置

全天候处于工作状态，造成了设备功耗的增加和环境的污染。为此，本文研制了

一种新型的智能的驱鸟装置。该智能驱鸟器装置采用两种方式检测鸟类，一种方

法是利用微波多普勒原理检测移动物体；另一种方法是采用移动视频探测移动物

体。

本文采用微波多普勒检测方法已多普勒模块为基础，模块输出信号经过一系

列信号处理输入到 DSP 处理器，当 DSP 检测到雷达输入信号后启动报警程序。视

频移动探测采用帧差法，不断比较前后两帧的图像而检测是否有移动物体进入图

像范围，当检测到有移动物体后启动报警程序。

本文主要研究内容如下：

1. 多普勒雷达检测移动物体的原理分析和计算；

2. 移动视频侦测的算法及实现；

3. 小信号的放大、滤波、检波以及模数转换等；

4. 超声波发生器和语音发生器的设计；

5. 基于 DSP 嵌入式系统的驱鸟器硬件设计。

通过实验研究，采用微波多普勒移动检测和视频移动检测相结合的方式检测

灵敏度高、误报率低、可靠性强。采用超声波和模拟鸟类天敌声音的语音相结合

的驱逐方式驱鸟效果良好，有效降低了鸟类对语音和超声波的适应性。

关键词：驱鸟器雷达系统视频移动探测多普勒效应 DSP

ABSTRACT

Bird damage is a serious problem facing agriculture. Meanwhile, it is quite common

that many accidents and disasters in power transmission line are caused by bird

activities. However, existing equipments used to repel birds fail to detect birds inside

monitoring range because there is no detecting function in this kind of system, so the

equipments are working all day and night, which make the power consumption

unnecessarily higher, the environmental pollution unnecessarily more. A new kind of

equipment for detecting and repelling birds is designed in this paper. Two ways of

detecting birds are introduced in this paper .One is by radar. In this way, a kind of radar

module was used, and the output signal of which is inputted into DSP after being

adjusted .The DSP will start alarm process if a bird comes into the monitoring range.

The other is by VMD (video motion detection), frame difference method is adopted to

detect birds. Alarm process will be started when a bird is detected.

This paper studies the content of the following:

1. The principle to detect birds by radar.

2. The algorithm of video motion detection.

3. The amplification, filtering and Analog-digital conversion of small-signal.

4. The design of ultrasonic and voice generator.

5. The design of the whole equipment based on DSP.

Experiments show that radar, together with VMD, is an excellent, sensitive

method to detect birds, and the false alarms from system are very few. The ultrasonic

and voice way of repelling bird is very efficient, which makes birds difficult to adapt

the environment.

KEYWORD: bird repellent, radar system, video motion detection, the

principle of Doppler，DSP

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题背景及研究意义 .......................................... 1

§1.2 研究现状 .................................................... 2

§1.3 本文组织结构及主要研究内容 .................................. 2

第二章多普勒检测及超声波驱逐技术 .................................... 4

§2.1 雷达工作的基本条件 .......................................... 4

§2.2 雷达系统的基本组成、功能及工作过程 ......................... 5

§2.2.1 雷达系统的基本组成 .................................... 5

§2.2.2 各部分的主要功能及工作过程 ............................ 5

§2.3 雷达工作频段简介 ............................................ 6

§2.4 目标速度的测量 ............................................. 7

§2.4.1 多普勒效应的概念 ...................................... 7

§2.4.2 基于微波多普勒的速度探测原理 .......................... 8

§2.5 多普勒检测模块简介 ......................................... 10

§2.6 超声波简介及超声波驱鸟原理 ................................ 10

§2.6.1 描述超声场性质的参数 ................................. 11

§2.6.2 超声波驱鸟原理及电路图 ............................... 11

§2.7 语音发生器及其电路图 ....................................... 12

§2.8 本章小结 ................................................... 13

第三章视频移动侦测 ................................................. 14

§3.1.光流法(optical flow method) ............................. 14

§3.1.1 运动场与光流 ......................................... 14

§3.1.2 光流约束方程式 ....................................... 15

§3.1.3 光流计算 ............................................. 16

§3.2 背景差分法 ................................................ 19

§3.2.1 视频序列的获取 ....................................... 19

§3.2.2 背景重建步骤 ......................................... 20

§3.2.3 背景更新算法 ......................................... 21

§3.2.4 运动检测与分割 ....................................... 21

§3.3 相邻帧差法 ................................................ 22

§3.3.1 算法实现 ............................................. 23

§3.4 软件开发平台 ............................................... 25

§3.4.1 CCS 的主要功能 ....................................... 25

§3.5 本章小结 ................................................... 27

第四章 DSP 系统概述及选型 ........................................... 28

§4.1 DSP 系统的基本结构 ......................................... 28

§4.2 DSP 系统的设计流程 ......................................... 28

§4.3 DSP 芯片的特点简介 ......................................... 30

§4.4 DSP 芯片的分类 ............................................. 31

§4.5 选择芯片时考虑的因素 ...................................... 31

§4.6 C55x 的 CPU 结构 ............................................ 32

§4.6.1 存储器接口单元（M 单元） ............................. 33

§4.6.2 指令缓冲单元（I 单元） ............................... 33

§4.6.3 程序流单元（P 单元） .................................. 34

§4.6.4 地址数据流单元(A 单元) ............................... 35

§4.6.5 数据计算单元（D 单元） ............................... 35

§4.6.6 地址总线与数据总线 ................................... 36

§4.7 DSP 系统抗干扰措施 ......................................... 36

§4.7.1 抑制干扰源的方法 ..................................... 37

§4.7.2 切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性 ............. 38

§4.8 本章小结 .................................................. 38

第五章系统方案设计及实现 ........................................... 39

§5.1 系统方案设计 ............................................... 39

§5.1.1 系统工作原理 ......................................... 39

§5.2 基于 DSP 的硬件结构框图 ..................................... 40

§5.3 雷达探测电路设计 ........................................... 41

§5.3.1 电气参数及技术参数 ................................... 42

§5.3.2 电路原理及电路图 ..................................... 42

§5.4 电源电路 .................................................. 43

§5.5 复位电路 .................................................. 44

§5.6 FLASH 电路模块 ............................................. 44

§5.7 SDRAM 电路模块 ............................................. 45

§5.8 模/数转电路 ............................................... 46

§5.9 SD 卡接口电路 .............................................. 47

§5.10 USB 接口电路 .............................................. 48

§5.11 自启动电路模块 ........................................... 48

§5.12 本章小结 .................................................. 49

第六章总结与展望 ................................................... 50

§6.1 本文小结 .................................................. 50

§6.2 展望 ...................................................... 50

参考文献 ............................................................ 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 55

致谢 ............................................................... 56

第一章绪论

§1.1 课题背景及研究意义

近年来，随着国家的重视，人们环保意识的增强，野外的自然环境和生态环境

越来越好。鸟类生息繁衍的条件也得到了改善，使鸟类种群数目急剧增加，各种

鸟害也随之增加。鸟害主要表现在以下三方面：

1．鸟害已经成为林果业、种植业面临的重要问题。据北京果树产业协会提供的

数字，全市果品每年因为鸟害造成的损失达到 4000 万至 8000 万公斤，按果品市

场价格计算，相当于一年被鸟吃掉一亿多元。而其它水果种主产区（如山东，河

北，江苏，浙江，广东）调查的数据显示，由于鸟类啄食，每年果园的损失平均

在 10%-15%，个别地区达 30%，甚至更高。因此，为挽回看不见的损失，科学的驱

鸟，防鸟应引起果农的足够重视。

2．飞行速度极快的飞机，在空中与一只即使飞行速度极慢的鸟儿相撞，也相当

于被一颗子弹射中飞机。对飞机形成损坏，严重的甚至会造成机毁人亡的重大事

故。据统计，全世界每年大约发生一万次鸟撞飞机事。自 1988 年以来，全世界范

围内由于飞鸟的撞击至少造成了 78 架民用飞机损失、201 人丧生，250 架军用飞

机损失、120 名飞行员丧生。在中国由于鸟击原因造成的飞机事故也已占总事故

的 1/3，在美国由于鸟击造成的经济损失达每年 6 亿美元；目前，国际航空联合

会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。

3．输电线路鸟害故障是一种常见的输电线路故障类型。近年来因鸟害和绝缘瓷

瓶漏电引发输电线路跳闸故障占线路故障跳闸的比例越来越高，电力部门对输电

线路的科学保护也日渐重视，从组织措施到技术措施都投入了大量的人力、物力

和财力。鸟类在输电杆塔上筑巢产卵、孵化，及鸟类口叼树枝、铁丝或杂草等物，

在变电站上空往返飞行易掉落在电气设备上，当杂物掉落位置正好减少了电气设

备带电部位与接地部位的电气距离时，就可能引起设备的接地故障。刮风下雨时，

构支架上的鸟巢被风雨吹散掉落残渣在电气设备上时，也容易引起设备的接地故

障。鸟类在输电杆塔上停歇时的鸟粪会以自由落体的方式下落，具有一定导电性

的鸟粪通道将绝缘周围空气间隙短接，当鸟粪通道的前端接近绝缘高压端达到某

一距离时，间隙被击穿，形成局部电弧。又由于鸟粪的电导率较高，局部电弧最

终导致绝缘闪络，引起故障。

因此，研制一种既不伤害鸟类，又能有效防止鸟害的装置是迫切而必要的。智

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摘要：

摘要鸟害是林果业、种植业面临的重要问题，同时也会引起输电线路故障。目前已有的驱鸟装置没有检测部分，不能检测到是否有鸟类进入布控范围。驱鸟装置全天候处于工作状态，造成了设备功耗的增加和环境的污染。为此，本文研制了一种新型的智能的驱鸟装置。该智能驱鸟器装置采用两种方式检测鸟类，一种方法是利用微波多普勒原理检测移动物体；另一种方法是采用移动视频探测移动物体。本文采用微波多普勒检测方法已多普勒模块为基础，模块输出信号经过一系列信号处理输入到DSP处理器，当DSP检测到雷达输入信号后启动报警程序。视频移动探测采用帧差法，不断比较前后两帧的图像而检测是否有移动物体进入图像范围，当检测到有移动物体后启动报警...

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