一种孔洞实时三维成像装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种孔洞实时三维成像装置，包括智能小车和设置在智能小车上的双目成像与图像处理系统，在智能小车上设有CPU，双目成像与图像处理系统与CPU连接；双目成像与图像处理系统包括摄像头采集芯片和摄像头；在智能小车上设有与CPU连接的电子罗盘、舵机、无线模块、光敏传感器、数字温湿度传感器、超声波模块、路程计数器、陀螺仪、加速度传感器和GPS模块。本发明用智能探测器探测洞穴矿井等的内部结构，采集洞穴内部信息，并把里面的结构全部显示在计算机上，大大提高了安全性。
【专利说明】一种孔洞实时三维成像装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种孔洞探测装置，具体地说是一种孔洞实时三维成像装置。
【背景技术】
[0002]探测球主要用于探测洞穴、矿井等内部构造。对于目前在探测危险的洞穴时，需要事先进行机器人探险，然后通过数据判断里面是否危险，人是否能进，而该探测球就是充当机器人的角色，使得洞穴的构造直接显示在电脑上。对于该种类的探测器在未来是愈来愈需要，不管是在灾区还是危险的洞穴，人们都需要事前知道内部情况才可制定行动，未来的发展趋势就是将探测器的动力源优化处理，集成度极高，使其真正的智能化。
[0003]在探测器上国内外都有各种类型，它们用于不同的目的，但在探测洞穴轮廓上的小型探测器也只有美国一家公司发明的Bounce Imaging Explorer,它主要用于探测地震区和火灾现场，缺点是无动力源，需要人手动抛射，国内未发现相关产品。
[0004]目前所有的洞穴机器人都只是拍摄即时图像，无法实现对整体轮廓的扫描、记录和三维显示；而最新款的智能探测球是滚动式加弹跳式的，它没有动力源，只能根据人的初始抛力来滚动，无法对很深的洞穴探测，合成的三维图也是有限的局部图。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种孔洞实时三维成像装置，该装置用智能探测器探测洞穴矿井等的内部结构，采集洞穴内部信息，并把里面的结构全部显示在计算机上，大大提高了安全性。
[0006]本发明的目的通过以下技术解决方案实现:
一种孔洞实时三维成像装置，其特征在于:该装置包括智能小车和设置在智能小车上的双目成像与图像处理系统，在智能小车上设有CPU，双目成像与图像处理系统与CPU连接；双目成像与图像处理系统包括摄像头采集芯片和摄像头；在智能小车上设有与CPU连接的电子罗盘、舵机、无线模块、光敏传感器、数字温湿度传感器、超声波模块、路程计数器、陀螺仪、加速度传感器和GPS模块。
[0007]本发明中，智能小车具有三种控制方式，分别为自动探测模式、触摸屏操控模式、手势感应模式，其三种模式通过遥控端的图形界面选择和切换。
[0008]双目成像与图像处理系统对洞穴内壁形状进行扫描，然后通过Matlab对扫描图像进行处理，提取出洞穴内部结构信息，然后绘制出洞穴内部结构的三维图案。CPU通过无线模块与电脑连接。
[0009]本发明是利用摄像头的拍摄图片，在用双目效应来处理图片，在matlab上再现场景的三维图，同时可以实时显示温度与湿度。考虑到实际定位，在车上安装了 GPS模块，可以用手机对小车定位。小车上也加入了温湿模块对洞穴内部进行温度和湿度的测量，并将其数据传送到电脑上。
[0010]本发明采用履带车作为介质，携带探测所需传感器，履带车具有越障碍能力强的特点，配合传感器的使用，可以使小车深入崎岖的洞穴，并能在完成任务或遇到突发情况时，自动返回，保障小车和探测仪器的安全；与传统通过摄像头实时图像相比，以三维图的形式将洞穴的结构呈现出来的方法更加直观，更加有利于掌握洞穴内部情况。在实际应用的过程中，对于山洞等未知区域的探测，
本发明用智能探测器探测洞穴矿井等的内部结构，采集洞穴内部信息，并把里面的结构全部显示在计算机上，大大提高了安全性。具有探测距离远，探测结果直观等优势。并可以应用在考古地理探测与科研地质探测领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的结构示意图。
[0012]图2是本发明中自动探测模式示意图。
[0013]图3是本发明中触摸屏操控模式示意图。
[0014]图4是本发明中双目成像与图像处理示意图。
【具体实施方式】
[0015]一种孔洞实时三维成像装置，包括智能小车14和设置在智能小车上的双目成像与图像处理系统15，在智能小车上设有CPU1，双目成像与图像处理系统与CPU连接；双目成像与图像处理系统包括摄像头采集芯片13和两个摄像头12 ;在智能小车上设有与CPU连接的电子罗盘2、舵机3、无线模块4、光敏传感器5、数字温湿度传感器6、超声波模块7、路程计数器8、陀螺仪9、加速度传感器10和GPS模块11。
[0016]CPUES ET S3C2440,是探测器系统的主控芯片，电子罗盘为智能小车系统提供方向，舵机控制摄像头的旋转，无线模块主要用于触摸屏与小车和计算机与小车的信息传送，光敏传感器用于测量光强打开补光灯，有助于摄像头的拍摄，数字温湿度传感器测量洞穴的温度和湿度传送到计算机上，超声波模块测量前方障碍物的距离是否在安全范围内，路程计数器计算小车行驶的距离，陀螺仪和加速度传感器都是用来感应手势的变化，从而实现手势感应模式控制小车，两个摄像头形成双目系统拍摄洞穴内壁的图像，摄像头采集芯片采集两个摄像头所拍摄的图像
自动探测模式是智能小车通过自身携带的传感器，自动壁障，自动搜索道路，无需人为参与，即可对山洞进行探测。该种模式通过安装在小车前方的超声波传感器实时探测前方障碍物距离，并发送回计算机进行记录和分析。如果探测到前方障碍物距离小于阈值，小车将停止前进，同时通过舵机调整超声波探测器的探测方向，进行距离探测，同时，通过电子罗盘，记录该探测的方位，探测角度间隔扩15度，探测总角度180度，通过控制芯片对所有探测下前方障碍物的距离做比较，得出最佳方位，然后控制小车旋转至该方向，继续前进。当探测到180度范围内，障碍物距离均小于阈值时，小车将旋转180度，返回，以此实现小车的自动探测。
[0017]触摸屏操控模式是通过触摸屏输入控制指令，人为遥控小车的控制方式。手势感应模式是通过佩戴在手上的加速度传感器，感应手势的变化，作为控制指令的输入的一种控制方式。然后通过无线传输控制指令，控制小车的前进、后退、左转、右转和停止。这两种控制方式是作为人为干预自动探测过程所添加的控制方式，是针对复杂环境中，自动探测时出现探测缺陷等问题时，通过人工控制小车的运动来完成整个探测过程。
[0018]双目成像与图像处理系统是通过双目成像系统，对洞穴内壁形状进行扫描，然后通过Matlab对扫描图像进行处理，提取出洞穴内部结构信息，然后绘制出洞穴内部结构的三维图案，形成一套完整的具有集图像采集、处理、再现功能的系统。
[0019]利用摄像头的拍摄图片，在用双目效应来处理图片，在matlab上再现场景的三维图，同时可以实时显示温度与湿度。智能小车是保证整套装置能安全进入洞穴、成功扫描洞内数据信息并安全返回的基础。有三种控制方式，分别为自动探测模式、触摸屏操控模式、手势感应模式，其三种模式可以通过遥控端的图形界面选择和切换。这三种模式中有两种是在触摸屏上进行，一种是手势感应，另外一种是触屏操控模式。同时考虑到实际定位，在车上安装了 GPS模块，可以用手机对小车定位。小车上也加入了温湿模块对洞穴内部进行温度和湿度的测量，并将其数据传送到电脑上。
[0020]具体工作方式如下:
智能小车工作方式:
路程计数器由4个74LS161组成的脉冲计数器，载具在走的过程中电机会转动，由光耦器件来产生脉冲，由74LS161组合成的16位计数器，将计数的值传给CPU S3C2440, S3C2440再将其计算为路程，每测量一次计数器将清空，这样能保证计数器不会满值。小车前进的方向主要是A2通过超声波模块测量前方障碍物的距离，A3判断障碍物的距离是否在安全范围内，A4如果在安全范围内小车继续前进，A5不在安全范围内小车则停止前进，A6自动寻找无障碍物的方向继续前进，若探测180度内均有障碍物小车将返回。光敏传感器用于测量光强，当光强比较弱时，此时将补光灯打开，以便摄像头拍摄。用STM32系列的主控芯片来控制摄像头，因摄像头数据庞大处理缓慢，所以需再外接设备。摄像头将捕捉到的图像暂存在FIFO里，STM32可以直接从FIFO里读数据，STM32也可向0V7670发送在此拍摄的命令，0V7670拍完后也发送拍完一巾贞图像的标志位信息,取图像时一巾贞一巾贞的读取的。同时STM32也可控制载具上的彩灯的运行。
[0021]采用履带车作为介质，携带探测所需传感器，履带车具有越障碍能力强的特点，配合传感器的使用，可以使小车深入崎岖的洞穴，并能在完成任务或遇到突发情况时，自动返回，保障小车和探测仪器的安全；与传统通过摄像头实时图像相比，以三维图的形式将洞穴的结构呈现出来的方法更加直观，更加有利于掌握洞穴内部情况。在实际应用的过程中，对于山洞等未知区域的探测，本发明具有探测距离远，探测结果直观等优势。并可以应用在考古地理探测与科研地质探测领域。
[0022]图2是自动探测模式示意图。
[0023]Al:开始；
A2:通过安装在小车前方的超声波传感器实时探测前方障碍物距离，并发送回计算机进行记录和分析；
A3判断前方障碍物距离是否在安全范围内，不在安全范围内转A6，在安全范围内转A5 A4:在安全范围内，小车继续前进，转A2 ；
A5:不在安全范围内，小车将停止前进，转A6 ；
A6:通过舵机调整超声波探测器的探测方向，进行距离探测，同时，通过电子罗盘，记录该探测的方位，探测角度间隔扩15度，探测总角度180度，通过控制芯片对所有探测下前方障碍物的距离做比较，得出最佳方位；
A7:然后控制小车旋转至该方向，继续前进，转A5 ；
注:当探测到180度范围内，障碍物距离均小于阈值时，小车将旋转180度，并返回。
[0024]图3是本发明中触摸屏操控模式示意图。
[0025]018触摸屏可以给S3C2440发送信息，
017 S3C2440再将信息处理发送给显示屏，显示屏做出相应的更改图案，通过无线再发送给小车。
[0026]而016 MPU6050是陀螺仪模块，我们通过测重力感应可以知道手势，从而将信息发给018触摸屏。
[0027]图像处理与成像系统工作方式:图4是双目成像与图像处理示意图。
[0028]首先，019使用高亮红色LED灯排列成环形，通过光阑，使LED灯光形成圆环形状，照在洞穴壁上；
020通过安装在小车上的由两个摄像头形成的双目系统，拍摄洞穴内壁的图片，照片包含LED灯光；
021将拍摄的图片无线传输到计算机，然后由Matlab对图片进行处理，为了提高图片处理速度，针对本设计的特点，设计出简单快速的算法；
022 Matlab读取照片后，首先将照片中的红色分量提取出来，由于采用红色LED灯照出环形光圈，提取后的照片中，环形光圈尤为突出；然后将图片进行二值化，则照片中环形光圈就被提取出来，将光圈分成若干等份，当分成的等份足够多时，即可以认为每一等份为一个点，根据双目成像系统的特点，计算出各个每个点的距离和方位，
023使用Matlab绘制出该光圈上所有点的位置，
024使用直线连接相邻的两个点，就可以描绘出该光圈所处位置的洞穴内壁形状；当小车向前移动时，光圈位置发生变化，摄像头重新拍摄照片，按照上述算法进行处理，即可绘制出下一个圆环。两个圆环间相对位置通过安装在小车上的路程计数器和电子罗盘，即计算出小车前进的距离和前进方位的变化，通过在Matlab加入距离和方位信息,就可以确定前后两光圈的相对位置，并能准确的绘制出来。当光圈足够多时，将所有光圈图案全部拼接出来，就可以反映出洞穴内壁的形状。
【权利要求】
1.一种孔洞实时三维成像装置，其特征在于:该装置包括智能小车(14)和设置在智能小车(14 )上的双目成像与图像处理系统(15 )，在智能小车(14 )上设有CPU (I)，双目成像与图像处理系统(15)与CPU (I)连接；双目成像与图像处理系统(15)包括摄像头采集芯片(13)和摄像头(12);在智能小车(14)上设有与CPU (I)连接的电子罗盘(2)、舵机(3)、无线模块(4)、光敏传感器(5)、数字温湿度传感器(6)、超声波模块(7)、路程计数器(8)、陀螺仪(9 )、加速度传感器(10 )和GPS模块(11)。
2.根据权利要求1所述的孔洞实时三维成像装置，其特征在于:智能小车(14)具有三种控制方式，分别为自动探测模式、触摸屏操控模式、手势感应模式，其三种模式通过遥控端的图形界面选择和切换。
3.根据权利要求1所述的孔洞实时三维成像装置，其特征在于:双目成像与图像处理系统(15)对洞穴内壁形状进行扫描，然后通过Matlab对扫描图像进行处理，提取出洞穴内部结构信息，然后绘制出洞穴内部结构的三维图案。
4.根据权利要求1所述的孔洞实时三维成像装置，其特征在于:CPU(I)通过无线模块(4)与电脑连接。
5.根据权利要求1所述的孔洞实时三维成像装置，其特征在于:智能小车(14)是履带车。
【文档编号】G01V8/10GK104267444SQ201410569357
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】袁冬青, 万士强, 周聪, 周炜炜 申请人:淮海工学院