一种用于深井轮廓探测的超声波探测设备的制作方法

本发明涉及一种深井轮廓探测的超声波探测设备，特别是针对废弃煤矿、深井或野外洞窟等的轮廓检测的超声波探测设备，属于工业生产生活领域。

背景技术：

日常的生产作业中，我们有无数场合需要绘制矿井、野外洞窟等的轮廓。例如矿井轮廓绘制是绘制矿图的依据，通过绘制矿井轮廓来确定施工放样与设计之间的误差，从而调整施工方案或修正设计过程的不合理细节等，以便科学进行现场施工。再如有些野外洞穴内部构造复杂，存在许多例如有毒气体等危险因素，给探险与资源开发带来无数需要攻克的难题。目前大多数轮廓绘制为人工绘制，精度低，效率不高且有许多潜在危险因素。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的空缺，提供一种无需人工绘制的、效率高的深井轮廓绘制设备。

本发明主要包含以下组成部分：

设备及客户端。设备提供方案实现的根本硬件配置，是方案中的最重要的组成部分。客户端提供控制超声波探测设备运动、数据采集及3d轮廓绘制的功能。两者依赖wifi进行通信。

设备硬件包括主控板(1)、电机驱动板(2)、步进电机(3)、超声测距传感器(4)、电源模块(5)、蜂鸣器(6)、底盘(7)、顶板(8)、牵引装置(9)和其他保证设备正常运行的机械结构。主控板是cc3200launchpad，电机驱动板可以是a4988或drv8825。主控板与电机驱动板相连，电机驱动板驱动步进电机运转，步进电机带动与其相连的安装有超声测距模块的底盘旋转。牵引轴及牵引线构成刚性牵引装置，减少设备晃动保证设备正常工作。主控板、蜂鸣器、步进电机驱动板及电源模块安装于顶板上，并加以防水保护。在底盘低速稳定旋转的同时利用超声测距模块进行测距，主控板将捕获的数据通过wifi传输给手机客户端。主控板电源由18650电池及dc-dc模块12v降压为3.3v供电，步进电机驱动板通过12v18650电池组供电。

设备软件部分主要为主控板cc3200launchpad上的程序设计，包括wifi无线通信传输、步进电机控制、超声测距模块控制。本发明通过主控板gpio端口,即通用输入/输出端口，产生稳定的高低电平信号来控制相关器件的运行。譬如，步进电机驱动板上的dir引脚为控制步进电机旋转方向的引脚，需要给予高电平或低电平；主控板通过pwm端口产生一定频率的脉冲来控制步进电机运转。主控板通过gpio端口往超声测距模块trig引脚发送触发信号触发测距动作，超声测距模块通过echo引脚回传高低电平信号给主控板，主控板计算相关数据后传到手机客户端。设备端与客户端之间基于tcp协议通信，本发明自主定义部分数据通信格式。

客户端是基于androidstudio开发的一款app。客户端主要包括设备回传数据处理分析、控制设备运转、3d轮廓建模等功能模块。设备回传数据主要由井壁坐标构成，客户端对井壁坐标进行分析处理，提供折线、表格、柱状等统计图直观展示。在设备运转过程中，客户端能对其进行运动方向、运动速度、测量次数及避震强度等进行控制，提高测量数据的精度。同时利用opencv计算机视觉库进行3d建模，使得深井轮廓图形更加直观。

有益效果

本发明与现有技术及方法相比，存在以下优势：

1.无需人工下井工作，减少人力活动，避免了一些可能出现威胁人身安全的复杂情况。

2.无需人工绘制，手机客户端接收数据后直接进行处理，并对数据进行本地保存。除去人工抄写、录入等人工投入与可能出现错误的环节。数据处理结束后利用计算机视觉库进行3d建模，使得深井轮廓更加直观。

3.利用wifi进行无线传输数据，方便快捷，减少线缆投入。设备采用18650电池组供电，无需220v市电接入。同时电池组可以反复充电，方便更换。

附图说明

图1为本发明中设备组成与连接俯视图，其中1：主控板，2：电机驱动板，3：步进电机，4：超声测距传感器，5：电源模块，6：蜂鸣器，7：底盘，8：顶板，9：牵引装置；

图2为本发明中设备组成与连接正视图，其中1：主控板，2：电机驱动板，3：步进电机，4：超声测距传感器，5：电源模块，6：蜂鸣器，7：底盘，8：顶板，9：牵引装置；

图3为本发明中设备的工作流程图；

图4为本发明中客户端工作流程图；

图5为本发明中设备及客户端功能模块；

图6为本发明中超声测距模块控制原理图；

图7为本发明中客户端坐标合成3d模型的横向切片示意图；

图8为本发明中客户端坐标合成3d模型的纵向切片示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明具体实施方式进行进一步详细说明。

实施例

本发明分为设备硬件端及客户端，设备的各硬件布局俯视图如图1所示，正视图如图2所示。总体工作流程如图3、图4所示。本发明设备及客户端提供多种功能，如图5所示。

底盘与顶板由亚克力板切割而成，强度强，稳定性好。牵引轴及牵引线构成刚性牵引结构，减少设备晃动保证设备正常工作。主控板、蜂鸣器、步进电机驱动板及电源模块安装于顶板上，并加以防水保护。下面分别介绍设备运动控制、超声测距模块、蜂鸣器及电源模块四个部分。

1.设备运动控制

本发明使用步进电机来保证底盘在xy平面的精准转动，同时牵引装置保证了设备在y方向的上下平动。

步进电机每接收一个脉冲信号就会走一步，其一周总共200步。步进电机驱动器可以使用多细分模式提高绘图精度。

2.超声测距模块

本发明采用最高精度1mm的超声测距模块。其采用io触发测距，io口给至少10us的高电平信号后超声测距模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。若有信号返回，通过io口输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。由此来计算井壁距离超声测距模块的距离r。超声测距模块控制原理如图6所示。

3.蜂鸣器

本发明采用了有源蜂鸣器，主控板通过io口给高电平信号，蜂鸣器鸣叫。若设备工作过程遇到需要人工介入的问题时，蜂鸣器长鸣发出警告。若设备测量完毕，蜂鸣器短促鸣叫。

4.电源模块

电源模块包括12v18650电池及dc-dc模块，dc-dc模块将12v降至3.3v给主控板供电。

客户端是一款androidapp，基于androidstudio开发。客户端主要提供测量参数设定、数据存储与展示、3d模型构建的功能。下面详细介绍这三个功能原理。

1.测量参数设定

测量参数设定提供测量速度、测量精度的设定，测量精度的设定涉及到测量点的个数及每个点的测量次数。

2.数据存储与展示

设备所测得的井壁的点的信息由距离超声测距模块距离r、牵引线下放距离h及xy平面的角度θ的三元组(r,h,θ)存储。这些点的信息通过wifi传输给客户端后客户端进行统计学处理，并将数据进行展示，此时可以选择导出为txt文件进行备份。

3.3d模型构建

3d模型构建过程主要利用了曲线拟合及opencv计算机视觉库，无数条细小相连直线可以视为一条曲线。在r、θ方向上一周的点构成了平面，而在h方向上无数个平面叠加为整个矿井的3d轮廓模型。如图7、8所示。

下面以2细分精度模式为例模拟整个工作过程：

一、设备初始化

将设备部署完毕，置于深井井口表面，电源打开，设备进入初始化状态。主控板与手机客户端通过wifi相连，等待客户端的进一步指令。

一、设备下井探测

手机客户端给设备下达下井工作指令，设备下井。设备上的驱动板使用2细分模式，即步进电机旋转一周分为400微步，每走一微步时旋转0.9度。设备上的步进电机每旋转一周后，牵引线下放2mm，直到设备下探到井底。在这过程中，设备每旋转一周，将其获得的坐标点数据(r,h,θ)传输给手机客户端，手机客户端将其获得的数据不断存储至本地，准备下一阶段的动作。若设备遇到故障或其他可能终止绘制的情况时，蜂鸣器长鸣发出警告，并给手机客户端发送错误信息，待人工处理。

二、设备离井

设备下探到井底后，给手机客户端发送已测量完毕的消息，蜂鸣器短促鸣叫，待工作人员在手机客户端下达离井指令后，蜂鸣器停鸣，牵引线牵引设备离井。

三、客户端数据处理展示与3d模型绘制

客户端将设备发送的坐标数据利用统计学方法予以展示，并剔除一些误差较大的点。工作人员可以选择数据导出至txt文件以进一步保存备案。接下来进入3d图像建模模式，利用了曲线拟合、opencv库等从点到线，线到面最终面到体构建出三维模型。