CN100437028C - 测量三维空间的超声波和激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种测量三维空间的超声波和激光系统，它包括：一台计算机、在所测量的河道上横跨河道架设的横向导轨、在横向导轨的一端固定的激光测距仪、在横向导轨的另一端固定的步进电机和在横向导轨上滑动的测车，步进电机通过钢索带动测车在横向导轨上横向滑动，测车上装有一个可上下滑动的超声传感器升降杆，超声传感器升降杆的一端浸入河水中，该端装有水下超声传感器探头，超声传感器升降杆的中部装有水上超声传感器，水上和水下超声传感器探头、步进电机和激光测距仪分别与上述计算机相连，该系统利用超声测距与激光测距各自的优点，将两者有机地结合在一起，极大地缩短了测量的时间，并且该系统外部结构简单，便于移动。

Description

测量三维空间的超声波和激光系统
技术领域
本发明涉及了一种测量三维空间的系统，特别是涉及了一种用于测量有水河床的三维空间地形的超声波和激光系统。
背景技术
早在上个世纪60年代，国内外的一些大专院校和研究所就已经结合当时先进的光电技术开展关于河工模型地形测量仪方面的研制，采用的技术路线包括电阻式、超声波式、光电对射式和激光等。这些方法在测量方式上脱离了人工逐点进行测量的方式，而采用沿断面跟踪地形的测量方式，提高了测量速度和精度。不足之处是这些测量方式仍然是接触式测量，对地形造成一定的破坏，影响了后继的试验。而且，测量受水的浑浊度的影响，经常会出错。
本发明的发明目的是克服上述的缺陷，而提供一种自动化程度高、省时、省力的测量三维空间的超声波和激光系统。
发明内容
为了完成本发明的发明目的，本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统包括：一台计算机、在所测量的河道上横跨河道架设的横向导轨、在横向导轨的一端固定的激光测距仪、在横向导轨的另一端固定的步进电机和在横向导轨上滑动的测车，步进电机通过钢索带动测车在横向导轨上横向滑动，测车上装有一个可上下滑动的超声传感器升降杆，超声传感器升降杆的一端浸入水中，在该端装有水下超声传感器探头，超声传感器升降杆的中部装有水上超声传感器探头，水上和水下超声传感器探头、步进电机和激光测距仪分别与上述计算机相连。
本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其中：所述水下超声传感器探头的外侧装有保护筒，保护筒的下侧装有两个限位开关。
本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其中：所述水上超声传感器探头位于水面和横向导轨之间，它暴露在空气中。
本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其中：所述水上和水下超声传感器探头都是由超声波接收器和超声波发生器组成。
本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其中：所述保护筒为塑料。
本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其中：所述步进电机和激光测距仪上分别装有滑轮，所述钢索绕过两个滑轮，所述测车与钢索的一点或两点相连。
本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其中：该系统还包括：沿着河道架设的纵向导轨，横向导轨在纵向导轨上行进。
本发明的测量三维空间的超声波和激光系统精度高、耗时短，该系统利用超声测距与激光测距各自的优点，将两者有机地结合在一起，并通过测量水面的探头和测量河床的探头的组合及主程序中特殊的算法校正后，系统可以精确记录水平坐标点和其对应的垂直高程，一个5米长的断面，测量100个点，仅用1分钟即可完成，极大地缩短了测量的时间，并且该系统外部结构简单，便于移动。
附图说明
图1是本发明测量三维空间的超声波和激光系统示意图。
图2是本发明中的测车、两个滑轮和钢索连接关系的一个实施例的俯视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种测量三维空间的超声波和激光系统，它包括：一台计算机4、在所测量的河道上横跨河道架设的横向导轨3、在横向导轨3的一端固定的激光测距仪5、在横向导轨3的另一端固定的步进电机10和在横向导轨3上滑动的测车1，步进电机10通过钢索12带动测车1在横向导轨3上横向滑动，步进电机10和激光测距仪5上分别装有滑轮11，钢索12绕过两个滑轮11，测车1可以与钢索12前、后、左或右的一点或两点相连，当然也可以如图2所示，测车1与钢索12的前后两点相连。本系统可以只包括横向导轨3，也可以包括横跨河道的横向导轨3和沿着河道架设的纵向导轨9，横向导轨3在纵向导轨9上行进。测车1上装有一个可以上下滑动的超声传感器升降杆2，它的一端浸入水中，该端装有水下超声传感器探头6，该水下超声传感器探头6的外侧装有塑料保护筒8，筒保护筒8的下侧装有两个限位开关7，另外，在超声传感器升降杆2的中部装有水上超声传感器探头6A，该探头6A一般来说距水面有一距离。超声传感器探头6，6A、步进电机1和激光测距仪5分别与计算机4相连。超声传感器探头6，6A由超声波接收器和超声波发生器组成。
工作原理：
将横向导轨3横跨地架设在河道上，激光测距仪5固定在横向导轨3的一端，步进电机10固定在横向导轨3的另一端，将测车1放置在横向导轨3上，通过滑轮11和钢缆12步进电机10带动测车1在横向导轨3上滑动，因为测车1、横向导轨3、超声传感器升降杆2、超声传感器探头6和钢索12的自重，测车在横向轨道3上的行进过程中，势必要引起横向导轨3向下的弯曲变形，因此超声传感器升降杆2上装有两个超声传感器，其中一个水下超声传感器探头6装在升降杆2的一端浸入水中，测量水下地形与探头的间距，该超声传感器探头6的外侧装有塑料保护筒8，保护筒8的下侧装有两个限位开关7，将保护筒8的一半放置在河水中，保护筒8是为了有效地消除超声测量的盲区，同时防止水中的污泥和杂物附着在传感器探头6上，另一个水上超声传感器探头6A装在超声传感器的中部，暴露在空气中，测量其与水面的间距。水下超声传感器探头6、水上超声传感器探头6A、步进电机10和激光测距仪5分别与计算机4相连，计算机4向步进电机10发出信号，命令步进电机10行走一预定的距离，步进电机10接到该命令后通过钢索12拖动测车1行走一距离后，固定在横向导轨3一端的激光测距仪5发射出激光来检测测车1行走的实际距离，即图1在X方向的坐标，并将所测得的X方向的坐标传送给计算机4，同时，浸在水中的水下超声传感器探头6向水下发射超声波，并且接收从河床反射回来的超声波来探测水下的河床在图1的Y方向坐标，并将所测得Y方向的坐标传送给计算机4，而在横向导轨3和水面之间的水上超声传感器探头6A向水面发射超声波，并且接收从水面反射回来的超声波来探测该探头6A与水面之间的距离，并将所测得距离传送给计算机4，在水面和横向导轨3之间的水上超声传感器探头6A来矫正由于横向导轨3的弯曲而引起的浸在水中的水下超声传感器探头6所测得Y方向的坐标的误差，因此得到河床在该断面一个点的准确位置。保护筒8在随测车1行进过程中如果碰上障碍物，将会触发限位开关7断开步进电机10的电源，自动停止测车的行走，避免碰撞障碍物，待人工将超声传感器升降杆2提起、推动测车1绕开障碍物并将限位开关7复位后，步进电机10继续带动测车1沿着横向导轨3移动。随着测车1沿着横向导轨3不断的移动，系统测出该断面不同点准确的位置，将这些点连成曲线，就可以得出该断面的图形，若系统只有导横向导轨3，那么在测完该端面后，人工移动横向导轨3，将其放置在河道的不同位置，重复上述测量步骤，就可以测出与图1的Z轴方向相应断面的图形，按照上述方法，可以测出多个断面的图形，将多个断面的图形组合后，可以得到整个河道的三维立体图形。若系统包括横向导轨3和纵向导轨9，那么在测完一个断面的图形后，只需将横向导轨3沿着纵向导轨9移动一预定的距离，就可以测量下一断面，以此类推，可得到整个河道的三维立体图形。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种测量三维空间地形的超声波和激光系统，其特征在于：它包括：一台计算机(4)、在所测量的河道上横跨河道架设的横向导轨(3)和在横向导轨(3)的一端固定的激光测距仪(5)，在横向导轨(3)的另一端固定步进电机(10)，在横向导轨(3)上装有滑动的测车(1)，步进电机(10)通过钢索(12)带动测车(1)在横向导轨(3)上横向滑动，测车(1)上装有一个可上下滑动的超声传感器升降杆(2)，超声传感器升降杆(2)的一端浸入水中，在该端装有水下超声传感器探头(6)，在超声传感器升降杆(2)的中部装有水上超声传感器探头(6A)，水下超声传感器探头(6)、水上超声传感器探头(6A)、步进电机(10)和激光测距仪(5)分别与上述计算机(4)相连。
2.如权利要求1所述的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其特征在于：所述水下超声传感器探头(6)的外侧装有保护筒(8)，保护筒(8)的下侧装有两个限位开关(7)。
3.如权利要求2所述的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其特征在于：所述水上超声传感器探头(6A)位于水面和横向导轨(3)之间，它暴露在空气中。
4.如权利要3所述的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其特征在于：所述水上超声传感器探头(6A)和水下超声传感器探头(6)均由超声波接收器和超声波发生器组成。
5.如权利要求4所述的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其特征在于：所述保护筒(8)为塑料筒。
6.如权利要求5所述的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其特征在于：所述步进电机(10)和激光测距仪(5)上分别装有滑轮(11)，所述钢索(12)绕过两个滑轮(11)，所述测车(1)与钢索(12)的一点或两点相连。
7.如权利要求6所述的一种测量三维空间的超声波和激光系统，其特征在于：该系统还包括：沿着河道架设的纵向导轨(9)，横向导轨(3)在纵向导轨(9)上行进。
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