一种基于人工智能的钎探机智能计数方法与流程

本发明涉及智能计数领域，特别是涉及一种基于人工智能的钎探机智能计数方法。

背景技术：

随着经济的高速发展，城市的建设的快速进展，国家的基建和城市建筑物的施工项目数量越来越多。在工程开工时对地基密实度探测，目前都是采用钎探机进行测试，所以目前钎探机的使用数量非常庞大。目前市面的钎探机虽然都自动捶打，减轻人工劳动，但是在计数上还是需要人工完成，对地基的密室度或承载力还是需要技术人员的经验判断。这就导致在探测的过程中会出现诸多不确定因素，从而产生一些错误。这对后期的施工及建筑物都可能会造成巨大的危害和损失。因此结合现有的传感器技术和人工智能技术，开发钎探机智能计数具有十分重要的意义。

在钎探机计数中，传统的超声波传感器多为简单的压电晶片组成，可以在实验室环境下测量简单的距离，但现在超声波普遍采用的温度补偿这一种方法，不适用于工地，工地环境较为恶劣，会有灰尘、温度等多种因素的影响。一般的钎探机计数算法已经不能很大限度的保留收集数据的真实性，影响计数的准确性。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种计数方法，能够最大限度的保留钎探机计数数据的真实性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于人工智能的钎探机智能计数方法。

一种基于人工智能的钎探机智能计数方法，包括以下步骤：

s1：超声波距离补偿：利用灰尘传感器、温度传感器采集的数据，对超声波声速数据进行补偿，计算实时声速speedsound并转换为超声波距离；

s2：计算锤击次数：计算钎探机锤击的总时间跨度t0，采集有异常点的时间间隔，计算平均每撞击一次平均时间间隔t1，并计算总钎锤次数s；

s3：获取锤击距离：设置距离阈值，将步骤s1得到的任意相邻两次超声波距离相减，若超过所述距离阈值则记录对应的误差坐标位置；获得所有相邻误差坐标之间的距离并计算平均值，从而得到锤击距离。

优选地，采用去噪声k线拟合平滑数据计算方法对所述超声波距离进行k线拟合，所述去噪声k线拟合平滑数据计算方法包括将原始数据进行一次k线数据特征取值，得到k线特征值r²并获取分段50的k线值，同时判断特征值r²是否符合预期值，若未符合，则进行新一轮的k线拟合，若符合则得到最终的下落曲线。

优选地，在所述s1中，所述灰尘传感器、温度传感器采集的数据分别为空气中温度curtempure、空气中灰尘浓度curhuichen；对所述超声波声速数据进行补偿时设定所述空气中温度curtempure、空气中灰尘浓度curhuichen的阈值补偿条件，根据所述阈值补偿条件计算实时声速speedsound。所述实时声速speedsound的取值与所述空气中温度curtempure、空气中灰尘浓度curhuichen以及空气中声速有关。

优选地，所述实时声速speedsound＝334.1+curtempure*0.61+curhuichen*0.02。

优选地，所述s2中根据超声波撞击会有波动特别大的异常点的特性，获取所述异常点的时间间隔，所述异常点的时间间隔为t0，t1，t2，，，tn；所述t1＝(t1+t2+...+tn)/n；所述s＝t0/t1。

优选地，所述s2、s3中采用三轴加速度计进行辅助测量，将所述三轴加速度计获得的数据进行求平方和得出总偏移量，并采用窗口平滑滤波的方式，将所述距离阀值进行动态更改。

优选地，所述去噪声k线拟合平滑数据计算方法还包括设定回归阈值，将离k线较远的值拉回k线附近。

优选地，所述特征值r²是否符合预期值的判断条件为：r²是否大于0.99。

优选地，该方法还包括采用行程开关对所述超声波声速数据进行有效性判断。每隔30cm设置一个所述行程开关。

本发明的有益效果是：(1)采集超声波数据进行补偿计算，克服工地复杂因素的影响，可以获取工地上较为真实的数据；(2)超声波测量锤击震动的基础上，提出了一种新的测量钎探机锤击时间思路，利用三轴加速度计进行辅助测量，计数结果更加精确；(3)得到较为理想的拟合曲线，还可以最大化保留数据的真实性，抵消到负面数据影响。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明超声波距离补偿计算流程图；

图3是本发明利用超声波撞击异常点计算锤击次数示意图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示超声波距离；

图4是本发明超声波数据获取获取锤击距离流程图；

图5、6、7、8、9是本发明超声波数据去噪声k线拟合平滑数据计算示意图，其中图5是k线拟合流程图；图6是一次k线拟合示意图；图7是一次k线拟合中分段拟合示意图；图8是二次k线拟合示意图；图9是三次k线拟合示意图；图中虚线表示线性图，实线表示拟合图；

图10是本发明单个钎探机的智能计数系统示意图；

图11是本发明单个钎探机的智能计数系统电路连接示意图；

图12是本发明行程开关电路示意图；

图13是本发明多个钎探机智能ai计数系统示意图；

图14是本发明zigbee模块电路图；

图15是本发明中数字键盘示意图；

图16是本发明数字键盘工作电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚和完整，以下结合附图对本发明作进一步详细地阐述。

实施例1

在一示例性实施例中，一种基于人工智能的钎探机智能计数方法，如图1所示，包括以下步骤：

s1：超声波距离补偿：利用灰尘传感器、温度传感器采集的数据，对超声波声速数据进行补偿，计算实时声速speedsound并转换为超声波距离；

s2：计算锤击次数：计算钎探机锤击的总时间跨度t0，采集有异常点的时间间隔，计算平均每撞击一次平均时间间隔t1，并计算总钎锤次数s；

s3：获取锤击距离：设置距离阈值，将步骤s1得到的任意相邻两次超声波距离相减，若超过所述距离阈值则记录对应的误差坐标位置；获得所有相邻误差坐标之间的距离并计算平均值，从而得到锤击距离。

在计数过程中，采用三轴加速度计进行辅助测量以及去噪声k线拟合平滑数据计算方法对超声波距离进行k线拟合，实现智能精确计数。

进一步地，结合灰尘传感器，温度传感器2种传感器数据，对超声波数据进行补偿，得到精确的超声波数据。如图2中所示，超声波距离补偿的过程如下：首先获取温度传感器值以及灰尘传感器值：空气中温度curtempure、空气中灰尘浓度curhuichen；接着设定所述空气中温度curtempure、空气中灰尘浓度curhuichen的阈值补偿条件，根据所述阈值补偿条件计算实时声速speedsound，所述实时声速speedsound＝334.1+curtempure*0.61+curhuichen*0.02，最后获得超声波距离。

进一步地，实验表明超声波随着时间下降趋势明显，在锤击过程中，每锤击一次会有概率有突变的超声波距离(突变的原因是，锤击时候，钎探机剧烈抖动，引起超声波测量出现较大误差，可以利用此结论进行计算)。

如图3中所示，步骤s2中根据超声波撞击会有波动特别大的异常点的特性，获取所述异常点的时间间隔，所述异常点的时间间隔为t0，t1，t2，，，tn；所述t1＝(t1+t2+...+tn)/n；所述s＝t0/t1。

进一步地，如图4中所示，获取锤击距离具体流程如下：(一)获取补偿后的超声波数据存入数组；(二)设置误差阈值，前一次减去后一次值，超过阈值的记为误差较大；遍历数组得到误差较大的点；(三)将误差较大的点获取坐标，得出误差坐标位置；(四)将误差坐标数组存入新数组，获取误差坐标之间的距离；(五)将误差坐标距离去掉最大值最小值求平均值，即可得出超声波误差坐标距离，即锤击距离。

进一步地，采用三轴加速度计进行辅助测量，将所述三轴加速度计获得的数据进行求平方和得出总偏移量，并采用窗口平滑滤波的方式，将所述距离阀值进行动态更改。

其中，采用将三轴加速度数据进行求平方和的方式得出总偏移量，开方的目的是减小数值，防止溢出。得出总偏移量后，进一步对数据进行判断，并产生动态的比较阀值，初始给定一个轻而易举能触发的阀值(本系统设定的初始阀值为10000，该值较常阀值偏小，足够产生触发)。采用窗口平滑滤波的方式，将阀值进行动态更改，使得触发计数更精确。触发后，根据钎探机设计原理：钎探机机落距可自动控制50cm,10公斤锤上升至设定50cm高度可自动落锤，击锤下落高度无人为影响，工作稳定、快速。根据自由落体公式由于g随纬度变化不大，因此国际上将在纬度45°的海平面精确测得物体的重力加速度g＝9.80665m/s²作为重力加速度的标准值。查阅重力加速度取值范围，我们定取g的范围g∈[9.7，10]，单位m/s²，计算得出t的范围为t∈(316，322)，单位ms。我们定义噪声时长延续600ms，也就是检测到触发后，开始计时，600ms以内不再检测波形变化，这样只要钎探机工作周期在300ms～1200ms均可正常抓取触发点，并滤除掉震动遗留下的余波。

进一步地，如图5中所示，超声波数据去噪声k线拟合平滑数据计算流程如下：(一)采集超声波数据；(二)得到铅锤数组；(三)获取分段50的k线特征；(四)将偏离阈值较大的数据拉回阈值范围内；(五)获取新k线特征；(六)判断k线r²是否大于0.99，，若未能进行新一轮k线拟合，新的k线r²大于0.99说明拟合效果较好，得到最终的下落曲线。

进一步地，如图6中所示，将原始数据进行一次k线数据特征取值，得到如下结果：此时特征r²为0.7326，数据方差值较大，不够理想。

进一步地，如图7所示，此时提出分段数据拟合，可以将误差的容错率提高，设定分段值为50，依次取k值0-50为一段，50-100为一段，以此类推，进行分段数据拟合，将得到多项数据k线值；根据一次k曲线特征，设定阈值，将偏差超过阈值的数据回归到k线附近；

进一步地，设定回归阈值为200；数据离k线较远的值拉回k线附近200，曲线附近两百的值不需做任何处理，保留数据真实性，图7中有很多偏离k线很远的点，将该点拉回k线附近200的范围内，使得所有的数据在k线附近200内。

如图8所示，将偏离的点拉回k线附近后，进行二次k线特征取值：计算得到公式为：此时r²值为0.9876未达到0.99。

进一步地，如图9中所示，设定阈值k2＝(1-r²)*k1；设定阈值的目的是将数据集合小于阈值的拉回k线附近，得到新的曲线，经过曲线计算得到新的曲线特征值。

进一步地，超声波在正常测量情况下，精度在5mm以内，我们在钎探机设备杆上每隔30cm安装一个行程开关，钎探机横杆移动到行程开关处时，触发产生一个低电平，该电平传给单片机控制系统，从而让主控知道目前的高度步深。同时也对超声波测量的数据进行判断是否为有效数据。

实施例2

基于实施例1中计数方法的一种钎探机智能计数系统，如图10、11所示，单个钎探机的智能计数系统包括控制主机、传感器检测模块、报警模块和zigbee模块，其中，所述传感器检测模块安装在钎探机上，所述传感器检测模块、报警模块和zigbee模块分别与所述控制主机连接，所述zigbee模块的输出端与系统平板连接。

工作原理为：钎探机将钎锤起落横梁提升至机架上部，安装好钎杆，打开开关，主机记录个传感器组初始值，钎探锤开始工作，传感器检测模块开始工作并发送数据至控制主机，控制主机将采集的数据进行处理，并将结果显示主机屏幕上，同时传输数据至移动终端设备，完成自动计数与智能操控。。

进一步地，所述控制主机包括主控mcu，所述主控mcu具体为stm32f103。所述控制主机还包括屏幕和键盘，其中，所述屏幕具体为lcd12864显示屏；所述键盘具体为4*3数字键盘。

进一步地，所述传感器检测模块包括超声波传感器、行程开关和三轴加速度计，所述超声波传感器、行程开关和三轴加速度计均接口拼接外置。

进一步地，所述超声波传感器具体为双头超声波测距，所述双头超声波测距封装收发一体的防水带线探头，运用非接触式超声波探测技术设计而成，适用于潮湿、恶劣的测量场。

进一步地，三轴加速度计采用以mpu6050为核心的姿态芯片，设计出姿态模块，将模块安装至钎探机上，并开机击打，采用将三轴加速度数据进行求平方和的方式得出总偏移量，得出总偏移量后，进一步对数据进行判断，并产生动态的比较阀值，初始给定一个轻而易举能触发的阀值(本系统设定的初始阀值为10000，该值较常阀值偏小，足够产生触发)。采用窗口平滑滤波的方式，将阀值进行动态更改，使得触发计数更精确，很好的解决了人工数数出现漏记、错记、不记的问题。

进一步地，行程开关作为距离测试辅助传感器，超声波在正常测量情况下，精度在5mm以内，我们在钎探机设备杆上每隔30cm安装一个行程开关，如图12所示，将7路行程开关全部配置为下降沿触发，产生中断即表示钎探机的横杆到达某个特定位置，在相应的中断处理函数中对步次做统计处理，钎探机横杆移动到行程开关处时，触发产生一个低电平，该电平传给单片机控制系统，从而让主控知道目前的高度步深。同时也对超声波测量的数据进行判断是否为有效数据。

进一步地，双头超声波测距测量钎探机打入地基的深度；三轴加速度计测量每个下降深度位置的撞击次数；行程开关检测测量分段位置，由多个单体组成一组。三种传感器将测量到的数据传输给主控mcu，达到远程计数的功能。

进一步地，所述报警模块包括蜂鸣器和声光报警器。

进一步地，如图13、14所示，多个钎探机智能ai计数系统中，多个钎探机之间通过zigbee模块连接，终端将测试结果实时显示在12864屏幕上，并将数据信息通过zigbee路由器传给连在平板上的协调器，协调器通过串口通信传给平板并以友好的界面呈现出来；屏板再通过4g传给智能荷福ai云平台存储。

进一步地，在钎探过程中，大约有1～10台钎探机同时工作，我们在钎探机终端系统中集成了zigbee模块，系统将钎探机设备上的zigbee均配置为路由器类型，发送模式为单播模式，发送给指定网络地址(协调器的网络地址固定为0x00)的设备，连接在平板上的zigbee配置为协调器类型。默认状态下，设备每打完一个步次，向协调器发送一次打击次数的数据信息，协调器收到数据信息后，通过串口传给平板，平板解析数据并以友好的界面呈现出来。平板可通过协调器向设备推送报警信息，基本设置等，配置协调器的发送模式为单播，发送给指定mac的设备。

进一步地，如图15所示，该系统中数字键盘包括12个键，所述12个键包括：0-9数字键、清除键和确认键，钎探机击打的洞，都有事先编订好的洞号，默认情况下，程序设定每打完一个洞，编号自动加1，在编号递增过程中，出现洞号与事先编订的编号不一致时，工作人员可通过数字键盘自行更改洞编号。

进一步地，如图16所示，将硬件上的7根线均配置上拉电阻(硬件io口，选用同一个gpiox，方便程序编写简洁)；将所有行的io口一次性配置为浮空输入(如果没有外置上拉电阻，则一次性将所有行的io配置为上拉输入)，将所有列的io口一次性配置为输出低电平；这样当有按键按下时，必然输入引脚必然能读到低电平，并得出行标号，则进行下一步骤，去进一步判断具体是哪列按键按下，否则退出本轮检测；若检测到有低电平，则将所有列的io口一次性配置为浮空输入(如果没有外置上拉电阻，则一次性将所有行的io配置为上拉输入)，将所有行的io口一次性配置为输出低电平(即：将行列io口的状态角色切换)，可直接得出具体列，如此可快速得出按下按键的坐标位置。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。