一種用於深井輪廓探測的超聲波探測設備的製作方法
2023-09-10 02:05:30 1
本發明涉及一種深井輪廓探測的超聲波探測設備，特別是針對廢棄煤礦、深井或野外洞窟等的輪廓檢測的超聲波探測設備，屬於工業生產生活領域。
背景技術：
日常的生產作業中，我們有無數場合需要繪製礦井、野外洞窟等的輪廓。例如礦井輪廓繪製是繪製礦圖的依據，通過繪製礦井輪廓來確定施工放樣與設計之間的誤差，從而調整施工方案或修正設計過程的不合理細節等，以便科學進行現場施工。再如有些野外洞穴內部構造複雜，存在許多例如有毒氣體等危險因素，給探險與資源開發帶來無數需要攻克的難題。目前大多數輪廓繪製為人工繪製，精度低，效率不高且有許多潛在危險因素。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的空缺，提供一種無需人工繪製的、效率高的深井輪廓繪製設備。
本發明主要包含以下組成部分：
設備及客戶端。設備提供方案實現的根本硬體配置，是方案中的最重要的組成部分。客戶端提供控制超聲波探測設備運動、數據採集及3d輪廓繪製的功能。兩者依賴wifi進行通信。
設備硬體包括主控板(1)、電機驅動板(2)、步進電機(3)、超聲測距傳感器(4)、電源模塊(5)、蜂鳴器(6)、底盤(7)、頂板(8)、牽引裝置(9)和其他保證設備正常運行的機械結構。主控板是cc3200launchpad，電機驅動板可以是a4988或drv8825。主控板與電機驅動板相連，電機驅動板驅動步進電機運轉，步進電機帶動與其相連的安裝有超聲測距模塊的底盤旋轉。牽引軸及牽引線構成剛性牽引裝置，減少設備晃動保證設備正常工作。主控板、蜂鳴器、步進電機驅動板及電源模塊安裝於頂板上，並加以防水保護。在底盤低速穩定旋轉的同時利用超聲測距模塊進行測距，主控板將捕獲的數據通過wifi傳輸給手機客戶端。主控板電源由18650電池及dc-dc模塊12v降壓為3.3v供電，步進電機驅動板通過12v18650電池組供電。
設備軟體部分主要為主控板cc3200launchpad上的程序設計，包括wifi無線通信傳輸、步進電機控制、超聲測距模塊控制。本發明通過主控板gpio埠,即通用輸入/輸出埠，產生穩定的高低電平信號來控制相關器件的運行。譬如，步進電機驅動板上的dir引腳為控制步進電機旋轉方向的引腳，需要給予高電平或低電平；主控板通過pwm埠產生一定頻率的脈衝來控制步進電機運轉。主控板通過gpio埠往超聲測距模塊trig引腳發送觸發信號觸發測距動作，超聲測距模塊通過echo引腳回傳高低電平信號給主控板，主控板計算相關數據後傳到手機客戶端。設備端與客戶端之間基於tcp協議通信，本發明自主定義部分數據通信格式。
客戶端是基於androidstudio開發的一款app。客戶端主要包括設備回傳數據處理分析、控制設備運轉、3d輪廓建模等功能模塊。設備回傳數據主要由井壁坐標構成，客戶端對井壁坐標進行分析處理，提供折線、表格、柱狀等統計圖直觀展示。在設備運轉過程中，客戶端能對其進行運動方向、運動速度、測量次數及避震強度等進行控制，提高測量數據的精度。同時利用opencv計算機視覺庫進行3d建模，使得深井輪廓圖形更加直觀。
有益效果
本發明與現有技術及方法相比，存在以下優勢：
1.無需人工下井工作，減少人力活動，避免了一些可能出現威脅人身安全的複雜情況。
2.無需人工繪製，手機客戶端接收數據後直接進行處理，並對數據進行本地保存。除去人工抄寫、錄入等人工投入與可能出現錯誤的環節。數據處理結束後利用計算機視覺庫進行3d建模，使得深井輪廓更加直觀。
3.利用wifi進行無線傳輸數據，方便快捷，減少線纜投入。設備採用18650電池組供電，無需220v市電接入。同時電池組可以反覆充電，方便更換。
附圖說明
圖1為本發明中設備組成與連接俯視圖，其中1：主控板，2：電機驅動板，3：步進電機，4：超聲測距傳感器，5：電源模塊，6：蜂鳴器，7：底盤，8：頂板，9：牽引裝置；
圖2為本發明中設備組成與連接正視圖，其中1：主控板，2：電機驅動板，3：步進電機，4：超聲測距傳感器，5：電源模塊，6：蜂鳴器，7：底盤，8：頂板，9：牽引裝置；
圖3為本發明中設備的工作流程圖；
圖4為本發明中客戶端工作流程圖；
圖5為本發明中設備及客戶端功能模塊；
圖6為本發明中超聲測距模塊控制原理圖；
圖7為本發明中客戶端坐標合成3d模型的橫向切片示意圖；
圖8為本發明中客戶端坐標合成3d模型的縱向切片示意圖；
具體實施方式
下面結合附圖及實施例，對本發明具體實施方式進行進一步詳細說明。
實施例
本發明分為設備硬體端及客戶端，設備的各硬體布局俯視圖如圖1所示，正視圖如圖2所示。總體工作流程如圖3、圖4所示。本發明設備及客戶端提供多種功能，如圖5所示。
底盤與頂板由亞克力板切割而成，強度強，穩定性好。牽引軸及牽引線構成剛性牽引結構，減少設備晃動保證設備正常工作。主控板、蜂鳴器、步進電機驅動板及電源模塊安裝於頂板上，並加以防水保護。下面分別介紹設備運動控制、超聲測距模塊、蜂鳴器及電源模塊四個部分。
1.設備運動控制
本發明使用步進電機來保證底盤在xy平面的精準轉動，同時牽引裝置保證了設備在y方向的上下平動。
步進電機每接收一個脈衝信號就會走一步，其一周總共200步。步進電機驅動器可以使用多細分模式提高繪圖精度。
2.超聲測距模塊
本發明採用最高精度1mm的超聲測距模塊。其採用io觸發測距，io口給至少10us的高電平信號後超聲測距模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回。若有信號返回，通過io口輸出高電平，高電平持續時間就是超聲波從發射到返回的時間。由此來計算井壁距離超聲測距模塊的距離r。超聲測距模塊控制原理如圖6所示。
3.蜂鳴器
本發明採用了有源蜂鳴器，主控板通過io口給高電平信號，蜂鳴器鳴叫。若設備工作過程遇到需要人工介入的問題時，蜂鳴器長鳴發出警告。若設備測量完畢，蜂鳴器短促鳴叫。
4.電源模塊
電源模塊包括12v18650電池及dc-dc模塊，dc-dc模塊將12v降至3.3v給主控板供電。
客戶端是一款androidapp，基於androidstudio開發。客戶端主要提供測量參數設定、數據存儲與展示、3d模型構建的功能。下面詳細介紹這三個功能原理。
1.測量參數設定
測量參數設定提供測量速度、測量精度的設定，測量精度的設定涉及到測量點的個數及每個點的測量次數。
2.數據存儲與展示
設備所測得的井壁的點的信息由距離超聲測距模塊距離r、牽引線下放距離h及xy平面的角度θ的三元組(r,h,θ)存儲。這些點的信息通過wifi傳輸給客戶端後客戶端進行統計學處理，並將數據進行展示，此時可以選擇導出為txt文件進行備份。
3.3d模型構建
3d模型構建過程主要利用了曲線擬合及opencv計算機視覺庫，無數條細小相連直線可以視為一條曲線。在r、θ方向上一周的點構成了平面，而在h方向上無數個平面疊加為整個礦井的3d輪廓模型。如圖7、8所示。
下面以2細分精度模式為例模擬整個工作過程：
一、設備初始化
將設備部署完畢，置於深井井口表面，電源打開，設備進入初始化狀態。主控板與手機客戶端通過wifi相連，等待客戶端的進一步指令。
一、設備下井探測
手機客戶端給設備下達下井工作指令，設備下井。設備上的驅動板使用2細分模式，即步進電機旋轉一周分為400微步，每走一微步時旋轉0.9度。設備上的步進電機每旋轉一周後，牽引線下放2mm，直到設備下探到井底。在這過程中，設備每旋轉一周，將其獲得的坐標點數據(r,h,θ)傳輸給手機客戶端，手機客戶端將其獲得的數據不斷存儲至本地，準備下一階段的動作。若設備遇到故障或其他可能終止繪製的情況時，蜂鳴器長鳴發出警告，並給手機客戶端發送錯誤信息，待人工處理。
二、設備離井
設備下探到井底後，給手機客戶端發送已測量完畢的消息，蜂鳴器短促鳴叫，待工作人員在手機客戶端下達離井指令後，蜂鳴器停鳴，牽引線牽引設備離井。
三、客戶端數據處理展示與3d模型繪製
客戶端將設備發送的坐標數據利用統計學方法予以展示，並剔除一些誤差較大的點。工作人員可以選擇數據導出至txt文件以進一步保存備案。接下來進入3d圖像建模模式，利用了曲線擬合、opencv庫等從點到線，線到面最終面到體構建出三維模型。