一种车载式地表三维形貌数字化重构装置

1.本实用新型涉及地形探测技术领域，具体为一种车载式地表三维形貌数字化重构装置。


背景技术：

2.随着农业现代化的发展，我国现代化种植的面积不断扩大，大规模的智能化作业需要大量地表信息，如土地平整度、土地碎土率等，土地平整对于改良土壤、培肥土壤、机械耕作、稳产高产等都具有十分重要的作用，因此土地平整度测量的意义便显得更加重大。
3.目前对于农田耕种作业后地表粗糙度测量和开沟、起垄等几何特征的测量方式多数还局限于针板法等接触式测量方法，其结构简单，但存在测量精度和效率低、测量范围局限性高、容易破坏原有地表等问题，而非接触式测量方法通过借助相机、激光测距传感器及声波传感器等能够实现较高精度的地表高度测量且不会破坏原有地表，目前在微波遥感和农业耕作领域已有较多应用，但这些设备的搭载平台常常会受自身的结构限制，造成在地形复杂的田间行走时常会发生转向困难、前进困难等问题，从而影响到地形探测工作和地表信息收集工作的正常开展。


技术实现要素：

4.1、本实用新型要解决的技术问题
5.本实用新型的目的在于提供一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，以解决以上缺陷。
6.2、技术方案
7.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
8.一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，包括有机架，所述机架包括有平行并排设置的上机架和下机架，所述上机架和下机架之间竖直设置有转向底板，所述转向底板上连接有组合转向系统，所述组合转向系统上安装有组合驱动系统；所述上机架的上表面固定连接有便携上位机和电源，所述下机架的底面前端固定连接有地面激光雷达。
9.优选地，所述组合转向系统包括有推杆电机、三角固定座和旋转臂，所述推杆电机的机座端固定连接在转向底板上，所述旋转臂的一端铰接在上机架与下机架之间，所述三角固定座固定连接在旋转臂远离机架一端的内侧壁上，所述推杆电机的活塞端通过三角固定座与旋转臂相铰接；所述推杆电机内集成安装有微控制器。
10.优选地，所述机架四角上均连接有旋转臂，每个所述的旋转臂上均通过三角固定座铰接有推杆电机，且每个所述的旋转臂的下方均连接有组合驱动系统。
11.优选地，所述三角固定座的截面为直角三角形，所述三角固定座中较长的直角边固定连接在旋转臂上，且所述三角固定座中较长的直角边所对应的顶点与推杆电机的活塞端相互铰接，所述三角固定座中较短的直角边朝向远离机架的一侧且与旋转臂的末端相对齐。
12.优选地，所述组合驱动系统包括有车轮和调节连杆，所述调节连杆连接在旋转臂的下方，所述车轮安装在调节连杆的下方，所述车轮的内侧嵌入安装有直流电机，所述直流电机的内部也集成安装有微控制器。
13.优选地，所述调节连杆包括内杆和外套管，所述外套管为空心管体，所述内杆设置在外套管内部，所述外套管上竖向均匀设置有若干个高度不同的调节孔，通过在不同高度所述的调节孔内设置插销即可调节内杆伸出外套管的长度，所述调节连杆的底端固定连接有l型板，所述车轮安装在l型板上远离机架的外侧，所述直流电机安装在l型板上靠近机架的内侧，所述车轮与直流电机的输出轴固定连接。
14.优选地，所述便携上位机与设置在推杆电机和直流电机内的微控制器均通过串口通信实现连接。
15.优选地，所述地面激光雷达内集成有陀螺仪传感器。
16.3.有益效果
17.本实用新型提出的一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，采用微控制器和上位机交互协同工作的方式，让上位机侧重负责数据的处理与修正，下位机执行整机的移动与转向，提高了装置整体的便携性和系统设计的简易性，设计的组合驱动系统和组合转向系统，能自主实现转向轮和动力轮的调整，以适应各种复杂的地形条件，保证装置能拥有较好的移动能力，将地面激光雷达设置在下机架上突出的板体上，可以令地面激光雷达拥有较好的视野，在地面激光雷达的内部集成了陀螺仪传感器，可以在装置歪斜时对激光雷达所采集到的信息进行修正，避免因地形因素而对探测结果产生较大的误差，整体上具有设计合理、操作便捷、地形适应能力强、地貌数字重构效果好等特点，能在对原有地表不造成影响的前提下完成地表三维形貌数字重构工作，有着极高的实用性和推广意义。
附图说明
18.图1为本实用新型的结构示意图；
19.图2为本实用新型的组合驱动系统结构示意图；
20.图3为本实用新型的组合转向系统结构示意图；
21.附图标记说明：
22.11、上机架；12、下机架；13、转向底板；2、车轮；21、直流电机；22、l型板；3、调节连杆；31、内杆；32、外套管；33、调节孔；4、推杆电机；41、三角固定座；42、旋转臂；5、地面激光雷达；6、便携上位机；7、电源。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.实施例1：
25.请参阅图1-3，一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，包括有机架，机架包括有平行并排设置的上机架11和下机架12，上机架11和下机架12之间竖直设置有转向底板
13，转向底板13上连接有组合转向系统，组合转向系统上安装有组合驱动系统；上机架11的上表面固定连接有便携上位机6和电源7，下机架12的底面前端固定连接有地面激光雷达5。
26.组合转向系统包括有推杆电机4、三角固定座41和旋转臂42，推杆电机4的机座端固定连接在转向底板13上，旋转臂42的一端铰接在上机架11与下机架12之间，三角固定座41固定连接在旋转臂42远离机架一端的内侧壁上，推杆电机4的活塞端通过三角固定座41与旋转臂42相铰接；推杆电机4内集成安装有微控制器。
27.机架四角上均连接有旋转臂42，每个的旋转臂42上均通过三角固定座41铰接有推杆电机4，且每个的旋转臂42的下方均连接有组合驱动系统。
28.三角固定座41的截面为直角三角形，三角固定座41中较长的直角边固定连接在旋转臂42上，且三角固定座41中较长的直角边所对应的顶点与推杆电机4的活塞端相互铰接，三角固定座41中较短的直角边朝向远离机架的一侧且与旋转臂42的末端相对齐。
29.组合驱动系统包括有车轮2和调节连杆3，调节连杆3连接在旋转臂42的下方，车轮2安装在调节连杆3的下方，车轮2的内侧嵌入安装有直流电机21，直流电机21的内部也集成安装有微控制器。
30.调节连杆3包括内杆31和外套管32，外套管32为空心管体，内杆31设置在外套管32内部，外套管32上竖向均匀设置有若干个高度不同的调节孔33，通过在不同高度的调节孔33内设置插销即可调节内杆31伸出外套管32的长度，调节连杆3的底端固定连接有l型板22，车轮2安装在l型板22上远离机架的外侧，直流电机21安装在l型板22上靠近机架的内侧，车轮2与直流电机21的输出轴固定连接。
31.便携上位机6与设置在推杆电机4和直流电机21内的微控制器均通过串口通信实现连接。
32.地面激光雷达5内集成有陀螺仪传感器。
33.本实用新型提出的一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，采用微控制器和便携式上位机6交互协同工作的方式，让便携式上位机6侧重负责数据的处理与修正，下位机执行整机的移动与转向，提高了装置整体的便携性和系统设计的简易性，设计的组合驱动系统和组合转向系统，能自主实现转向轮和动力轮的调整，以适应各种复杂的地形条件，保证装置能拥有较好的移动能力，将地面激光雷达5设置在下机架12上突出的板体上，可以令地面激光雷达5拥有较好的视野，在地面激光雷达5的内部集成了陀螺仪传感器，可以在装置歪斜时对激光雷达所采集到的信息进行修正，避免因地形因素而对探测结果产生较大的误差，整体上具有设计合理、操作便捷、地形适应能力强、地貌数字重构效果好等特点，能在对原有地表不造成影响的前提下完成地表三维形貌数字重构工作，有着极高的实用性和推广意义。
34.实施例2：
35.请参阅图1-3，基于实施例1但有所不同之处在于，
36.一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，包括机架、组合转向系统、组合驱动系统、地面激光雷达5，机架包括平行并排设置的上机架11和下机架12，上机架11与下机架12之间设有一块竖直的转向底板13，组合转向系统包括推杆电机4、三角固定座41、旋转臂42，推杆电机4的机座端固定在转向底板13上，旋转臂42的一端铰接在上机架11与下机架12之间，旋转臂42的另一端与推杆电机4的活塞端通过三角固定座41铰接固定，三角固定座41的
截面为直角三角形，直角三角形的三角固定座41中较长的直角边固定在旋转臂42上，且三角固定座41中较长的直角边所对应的顶点与推杆电机4的活塞端相互铰接，三角固定座41中较短的直角边朝向远离机架的一侧且与旋转臂42的末端相对齐，这种设计能保证推杆电机4与旋转臂42在机架上的铰接点之间拥有最长的力矩，可以提升转向顺畅性，当推杆电机4开始工作的时候，可以推动旋转臂42绕其与机架的固定点为圆形开始旋转，旋转臂42在机架的四个角落均有设置，每个旋转臂42上均通过三角固定座41铰接有推杆电机4，推杆电机4内集成有微控制器，组合驱动系统连接在旋转臂42上设置有三角固定座41一端的下方，且每个旋转臂42的下方均连接有组合驱动系统，当旋转臂42开始旋转时，可以带动组合驱动系统同步旋转，从而实现转向功能，在实际使用时，控制左前和右前两个旋转臂42的推杆电机4为第一组转向系统，控制左后和右后两个旋转臂42的推杆电机4为第二组转向系统，常规状态下转向只需要第一组转向系统工作即可，当出现特殊情况第一组转向系统不能完成转向工作时才需要启动第二组转向系统。
37.组合驱动系统包括车轮2、调节连杆3，调节连杆3连接在旋转臂42的下方，车轮2连接在调节连杆3的下方，车轮2的内侧设置有直流电机21，直流电机21内集成有微控制器，调节连杆3包括内杆31、外套管32，外套管32为空心管体，内杆31设置在外套管32内部，外套管32上竖向均匀设置有若干个高度不同的调节孔33，通过在不同高度的调节孔33内设置插销即可调节内杆31伸出外套管32的长度，调节连杆3的下方设置有一块l型板22，车轮2设置在l型板22上远离机架的外侧，直流电机21设置在l型板22上靠近机架的内侧，同样的，将左前轮和右前轮中的直流电机21设为第一组驱动系统，将左后轮和右后轮中的直流电机21设为第二组驱动系统，在常规状态下仅有一组驱动系统运行，只有当第一组驱动系统不能完成整机的移动功能的时候，才开启另外一组驱动系统，在极端条件下，可令两组驱动系统同时运作。
38.地面激光雷达5设置在下机架12的下方，地面激光雷达5内集成有陀螺仪传感器，当机架倾斜时，陀螺仪传感器可以检测到，并对最终的输出结果进行修正，防止产生较大的偏差，进一步的，下机架12上设有一块突出的板体，地面激光雷达5设置在突出的板体上，让地面激光雷达5设置在突出机架的位置，可以令其拥有良好的探测视野，上机架11的上方设置有便携上位机6和电源7，便携上位机6与设置在推杆电机4和直流电机21内微控制器均通过串口通信实现连接，便携上位机6可以为便携式计算机，便携上位机6的配置以能流畅带动上位分析软件运行为宜。
39.本实用新型提出的一种车载式地表三维形貌数字化重构装置，在实际工作时，便携上位机6通过串口与推杆电机4内和直流电机21内的微控制器连接，通过微控制器控制组合驱动系统与组合转向系统，地面激光雷达5通过usb接口与便携上位机6连接，实时采集数据，并存储到文本文件中，采集过程数据可视化有利于操作人员监控系统运行状态，系统运行过程中首先完成上位机与微控制器之间的通讯测试，在完成地表微地貌初始位置记录和初始位置数据采样后进入系统循环，循环过程中上位机接收到下位机(包括微控制器和地面激光雷达5和集成在其内部的陀螺仪传感器)发送的单次运转完成指令后开始数据采样，采样数据完成后再发送相应指令给下位机软件，指示下位机软件控制组合驱动系统和组合转向系统协同配合向下一采样位置移动，直至达到设定的总采样距离，即完成一次区域测量过程，陀螺仪传感器传入数据与地面激光雷达5采集到的数据进行比对，系统进行修正，
而后为得到准确的粗糙度计算结果，需要对测量的原始点云数据进行预处理。数据预处理步骤如下：
40.1)根据采集的地表点云数据生成厢面地表三维模型，并通过插值处理得到等采样间距的地表三维数据；
41.2)进行去趋势化处理，消除地表单向倾斜对厢面高度测量结果的影响；
42.3)去除厢面边坡趋势，消除边坡结构对粗糙度参数计算的影响；
43.最终在便携上位机6上输出结果，至此所有的地表形貌数字重构过程全部完成。
44.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。