一种洞穴探测系统的制作方法

本发明涉及洞穴探测领域，具体涉及一种洞穴探测系统。

背景技术：

洞穴探险是指探洞者对洞穴的发现、探知、游历、考察等运动或科学研究活动。洞穴探险不仅是一项极富挑战性和刺激性的体育运动，同时也是一项科学活动。它要求参加人员不仅有充沛的体力、灵敏的反应，还应掌握必要的探洞技术和洞穴知识。由于洞穴环境的危险性、未知性及探洞人员知识、经验的缺乏或疏忽往往导致探险事故的发生。像其它探险活动一样，洞穴探险是一项极富挑战性和刺激性的活动。同时又是一项危险的活动，特别是在未开发洞穴中的探险活动更是对身心的极大挑战，任何的麻痹和疏忽都可能带来危险。

关于洞穴探险，对探险者来说存在着许多风险，这些风险主要来自地理形态环境、低温高湿环境以及呼吸环境。由于岩溶洞穴形态极不规则，底部崎岖不平和许多洞穴及其周围因岩石裂隙、沟壑、竖井、落水洞、石笋、岩锥发育，造成部分洞段非常狭小；此外，还由于未开发洞穴没有安全的路径和警示标识。加之探洞者对地形不熟悉和黑暗的环境，容易使人员摔落造成伤害；洞穴中的溶蚀微地形，如岩锥″岩针″岩钟乳以及化学沉积，如石钟乳″石笋″边石往往具有尖锐的末端和边缘，可以造成探洞者外部损伤。洞穴环境是一个低温高湿的封闭环境，在某些洞穴中会有缺氧情况发生，洞穴内的CO2含量高于外部大气，实验发现当洞里的CO2的浓度达到7.5％，氧浓度下降到15％时，人们就感到头痛、恶心和呕吐。由于洞穴空间被围岩所圈闭，是一个相对独立的环境系统。一般来说，洞口带的气温受外部环境影响较大，其日变化与年变化与当地地表气温变化相近；而越往洞内，则气温波动越小直至不受外界影响，基本稳定在当地多年平均气温左右。一般的洞穴气温低于人体体温15-20°，如果洞穴探险活动时间较长，没有保温措施，必然引起体温过低而导致伤害。特别是在精疲力竭、衣物潮湿的情况下，会较快产生体温下降的生理反应。当体温降到摄氏3-5度以下时，人体即已进入失温状态，感觉寒冷、皮肤苍白、四肢冰冷、颤抖、言语含糊不清、脉搏变慢、失去意识等。患者进入失温状况后，可能在数小之内死亡。

如何将洞穴内的周围全景形态图像、气体浓度和温度都通过直观的方式传送给洞口的观测人员，帮助探险者把握洞穴内的各种环境，降低洞穴环境内未知性，有效帮助探险者在探险过程中规避洞穴环境的危险点，从而将探险风险降低到最低限度是目前研究的重点。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种洞穴探测系统，通过三维模型将洞内的周围全景形态图像、气体浓度和温度直观的展示给洞口的观测人员，从而准确的绘制出洞穴内的地貌和空间情况，大大降低了探险者的风险。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种洞穴探测系统，包括

N个摄像头，均匀安装在一个球体装置上，用于获取360度全景视频数据，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，N至少为四个，所述摄像头拍摄的视频数据的水平角度为360°/N的水平角度，所述摄像头拍摄的视频数据的垂直角度为360°/N的垂直角度；

五个红外线测距仪，均匀安装在所述球体装置上，用于个角度的测距，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器；

四个超声波探头，安装在所述球体装置的顶面、正面、左侧和右侧，其中正面的超声波探头用于检测小车前方是否存在障碍，进而采取绕过或者转弯的策略，其余三个用于检测左右两侧的测距，四个超声波探头均将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器；

若干个温度传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的温度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，数量至少为四个；

若干个湿度传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的湿度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，数量至少为四个；

N个氧浓度传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的氧浓度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，N至少为四个；

N个有害气体传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的有害气体浓度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，N至少为四个；

水平陀螺仪，安装在小车内，用于测量洞穴的地势起伏情况，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器；

中央处理器，用于接收摄像头、红外线测距仪、超声波探头和水平陀螺仪所检测到的数据，并将这些数据转换成三维生成模块所能识别的格式发送到三维生成模块；用于接收温度传感器和湿度传感器发送的数据，并根据这些数据进行洞穴内温度和湿度情况的评估；

三维生成模块，用于根据接收到的中央处理器发送的数据建立洞穴的三维模型；

虚拟传感器，为插入在三维模型中的直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元，

虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与三维生成模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；

仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，然后通过预设的分析算法和分析方法对所建立的三维模型进行仿真分析；

人机操作模块，用于输入洞穴基本信息数据、数据调用命令和控制命令。

优选地，所述球体装置通过电动伸缩杆安装在小车上，所述电动伸缩杆通过检测装置安装在小车上方。

优选地，所述通讯模块采用北斗模块或zigbee无线节点。

优选地，还包括多个显示屏，用于进行摄像头、红外线测距仪、温度传感器、湿度传感器和水平陀螺仪所检测到的数据；用于显示三维生成模块所生成的三维模型；用于显示人机操作模块输入的数据。5、根据权利要求4所述的一种洞穴探测系统，其特征在于，所述显示屏内安装有

图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；

回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算；

优选地，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随水流段地理位置的变化规律。

优选地，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。

优选地，所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器。

优选地，所述显示屏内还设有图像处理模块，用于图像投影、图形对齐拼接和畸变校正，所述投影包括柱面投影和球面投影。

本发明具有以下有益效果：

通过多种传感器进行洞穴内不同位置温度、湿度、氧浓度以及有害气体浓度的检测，通过水平陀螺仪测量洞穴的地势起伏情况，通过红外测距仪以及超声波协同进行小车周围的测距，然后通过三维生成模块绘制洞穴的三维模型，然后虚拟传感器进行各个传感器所检测到数据的显示，从而实现了洞穴内的地貌和空间情况的直观显示，同时可以通过均匀安装在球体表面的摄像头采集洞穴内的全景形态图像，大大降低了探险者的风险，还可以通过多种仿真分析算法和分析方法对所建立的三维模型进行仿真分析，大大方便了探险人员的使用。

附图说明

图1为本发明实施例一种洞穴探测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种洞穴探测系统，包括

N个摄像头，均匀安装在一个球体装置上，用于获取360度全景视频数据，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，N至少为四个，所述摄像头拍摄的视频数据的水平角度为360°/N的水平角度，所述摄像头拍摄的视频数据的垂直角度为360°/N的垂直角度；

五个红外线测距仪，均匀安装在所述球体装置上，其中一个安装在球体的正上方，另外四个分别安装在球体的四个面上，用于个角度的测距，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器；

四个超声波探头，安装在所述球体装置的顶面、正面、左侧和右侧，其中正面的超声波探头用于检测小车前方是否存在障碍，进而采取绕过或者转弯的策略，其余三个用于检测左右两侧的测距，四个超声波探头均将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器；

若干个温度传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的温度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，数量至少为四个；

若干个湿度传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的湿度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，数量至少为四个；

N个氧浓度传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的氧浓度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，N至少为四个；

N个有害气体传感器，均匀安装在所述球体装置上，用于获取洞穴内的有害气体浓度，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器，发送到虚拟传感器进行显示，N至少为四个；

水平陀螺仪，安装在小车内，用于测量洞穴的地势起伏情况，并将检测到的数据通过通讯模块发送到中央处理器；

中央处理器，用于接收摄像头、红外线测距仪、超声波探头和水平陀螺仪所检测到的数据，并将这些数据转换成三维生成模块所能识别的格式发送到三维生成模块；用于接收温度传感器和湿度传感器发送的数据，并根据这些数据进行洞穴内温度和湿度情况的评估；

三维生成模块，用于根据接收到的中央处理器发送的数据建立洞穴的三维模型；

虚拟传感器，为插入在三维模型中的直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元，

虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与三维生成模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；

仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，然后通过预设的分析算法和分析方法对所建立的三维模型进行仿真分析；

人机操作模块，用于输入洞穴基本信息数据、数据调用命令和控制命令。

所述球体装置通过电动伸缩杆安装在小车上，所述电动伸缩杆通过检测装置安装在小车上方。

所述通讯模块采用北斗模块或zigbee无线节点。

还包括多个显示屏，用于进行摄像头、红外线测距仪、温度传感器、湿度传感器和水平陀螺仪所检测到的数据；用于显示三维生成模块所生成的三维模型；用于显示人机操作模块输入的数据。5、根据权利要求4所述的一种洞穴探测系统，其特征在于，所述显示屏内安装有

图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；

回归计算模块，用于通过不同函数对实测数据曲线进行回归计算；

所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或转移数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随水流段地理位置的变化规律。

所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动器。

所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器。

所述显示屏内还设有图像处理模块，用于图像投影、图形对齐拼接和畸变校正，所述投影包括柱面投影和球面投影。

还包括一数据库，用于储存整个探测过程中所产生的数据；

一分析算法和分析方法数据库，用于储存各种洞穴分析方法和分析算法；

语音模块，用于对检测到的数据进行语音播放；

语音模块，用于显示不同的显示屏显示语种和语音模块的播放语种。

所述小车采用履带式机器人小车。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。