CN101436038B - 考古发掘现场智能预探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明改进了我国古墓葬遗址等发掘现场的传统探测方法，设计开发了一套考古发掘现场智能预探测系统。该系统由远程监控端、机器人及线缆等附件组成。机器人集成视频采集及气体传感等环境检测功能模块，采取分体小尺寸模块化设计，可简便拆装成两种外形适用不同形式的封闭空间式发掘现场。系统设计制造后在三个古墓葬遗址进行了实地测试，研究结果显示整体系统运行稳定，可操作性强，推进了考古发掘工作的科技化进程。

Description

考古发掘现场智能预探测系统

技术领域

本发明涉及考古发掘现场预探测领域的自动化型技术产品，具体涉及一套考古发掘现场智能预探测系统。该系统由远程监控端、机器人及线缆等附件组成。

背景技术

目前，国内暂无针对考古发掘现场预探测领域的自动化型技术产品。考古发掘现场预探测多为两种方法：对于现存盗洞的，从盗洞进入墓室内勘察；对于封存良好的，采用人工发掘铲(如洛阳铲)铲出探洞，对铲中带出的土样进行分析，估计该墓葬的发掘价值。

国外，2002年9月应用于胡夫金字塔探秘的“金字塔漫游者”机器人。其长30cm，宽12cm，高度在11～28cm范围内可调，重量只有2.7公斤。机器人的电缆提供电力，图象和指令也由此传输。机器人设计人员通过视频传输回的图像在远程端遥操控机器人。“金字塔漫游者”将通过自身装配的多种装置对石门进行全方位探测，其装置包括可用来测量岩石厚度的超声波传感器、世界上最小的地面探测雷达系统、力度测量仪、导电传感器以及一个由视觉纤维构成的高分辨率光纤摄像镜头。各部件的作用如下：

1、超声波传感器。它可以用来测量岩石的厚度，以确定石块到底是厚度有限的“门”，还是一块在通道内封住去路的巨石。

2、世界上最小的地面探测雷达系统。它通过灵敏的探头发送的电磁波可穿透超过90厘米的混凝土，根据电磁波穿透岩石的速度精确测出岩石的密度及厚度结构图。也就是说，如果这扇石门后面果真存在其他的远古遗迹，如除“国王殡室”和“王后殡室”之外的第三大墓室，一幅大致的金字塔秘密通道“素描”图将呈现在世人面前。

3、力度测量仪。它可以测试南通道的石门在施以压力的情况下能否移动及移动的方向。同时，在测试过程中，运用其他设备在岩石和通道壁之间寻找缝隙以便让光纤摄像镜头通过。

4、一个由视觉纤维构成的高分别率光纤摄像镜头。它可以从石门下方的凹槽进入通道内部进行拍摄。工作人员将通过连接到机器人身上的控制线路操纵“金字塔漫游者”的活动。

5、导电传感器。它将用于测试石门上的铜把手，检测上面是否带有某种电路装置。

该机器人系统针对胡夫金字塔的内部构造探测研发设计，各项性能指标局限于金字塔内部探测的需求。所携带传感器除摄影外多为绘制墓室结构准备，摄像图像为单色灰度图。虽然该设计满足了当时的项目需要，但不具备推广应用性，尤其对于我国地下埋藏型墓葬的考古发掘环境不具有适应性。

发明内容

技术问题

中国作为四大文明古国，历史遗迹丰富。面对古墓葬等一些非再生资源，在没有充足的预探测数据资料的前提下决定发掘价值是武断和盲目的。本发明具有以下目的：

1、为文物出土后的保护提供有效数据。

由于长年埋在地下，文物在地下环境中，经过了一段时间的被腐蚀与抗腐蚀，逐渐与地下埋藏环境建立了一种平衡体系，使其在地下埋藏环境中的腐蚀速度变得越来越慢，有的甚至可以认为已经停止了腐蚀。在考古发掘过程中，无论是地下的埋藏环境，还是出土时的地上环境，文物离了原有的平衡环境，在化学性能的不稳定性势必使其面临复杂的病变及损害。因此在探测器上应搭载相应的多个环境传感器，用以采集地下环境数据，为文物后期保护工作做铺垫。

2、实现可广泛应用的微损伤发掘现场预探测功能

作为发掘现场预探测功能机器人，应对发掘现场尽可能的提供保护。由于地下空腔墙壁上往往饰有壁画等化学属性不稳定的文物，探测人员如直接进入发掘现场，势必破坏原埋藏环境的空气成分；如带氧气瓶等呼吸器进入，则成本过高。此外，我国墓葬形式多样环境复杂，不适合人员贸然进入墓葬内探测。因此针对我国考古发掘现场发掘孔洞的特点，设计分别适用于大尺寸探洞(直径50cm以上)及小尺寸人工铲探孔(直径12cm左右)两种发掘孔洞的机器人，见图2，使其无需对发掘现场做任何附加损伤即可实现摄像等发掘现场预探测功能。

3、便于考古人员操作的智能预探测系统

中国的考古工作开始于五四运动时期，一个世纪以来延循着传统的发掘现场预探测技术。为使自动化系统可以广泛的应用在考古发掘领域，需要设计一套便于考古学者掌握应用的操作流程，达到无设计人员参与，考古学者可独立操控预探测系统的目的。

技术方案

本发明提供了一种考古发掘现场智能预探测系统，由机器人和远程控制端两个主体组成，两主体间由电缆连接提供机器人电力，并完成图像、传感器数据及机器人控制指令的传输。

机器人部分为单片机控制系统，包含视频采集功能和环境数据采集功能。模块化结构设计，依功能主要包括摄像云台及采集控制筒两部分。

视频采集部分设计了附有可控亮度的LED照明灯的2自由度(俯仰0～270°，水平0～330°)的摄像头云台，避免了由于各发掘现场墙面反光效果不同对摄像头成像的影响，并可保护文物免受强光损害。该云台角速度为15°/s，由两台步进电机驱动。由于步进电机具有累积误差的特性，设计机械限位装置，提供控制云台复位的标准点。摄像云台为柱状设计，整体尺寸为最大外径90mm，高130mm，含摄像头重1.05kg。

环境数据采集部分目前搭载温湿度传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器5个传感器在采集控制筒内(另有一惯性测量元件IMU模块外置在移动平台上)。利用单片机作为主控芯片，搭建外围电路，用于对接入机器人的直流电源分压稳压、多传感器数据控制采集、中断式云台电机控制、PWM式LED灯光亮度控制、UART485串口通信及JTAG调试等，设计为集成嵌入式主控制板。该主控板可独立完成云台复位、多传感器数据实时采集等任务，并可接受远程端指令数据包，自动完成指定角度的云台转动、指定亮度的灯光调控及传感器数据传输到远程端。采集控制筒为柱状设计，气体传感器探头紧邻筒壁，留有通气孔，筒壁添加夹密致防尘钢纱与外接间隔。采集控制筒中央为机器人主控板，采集控制筒底部安装微型风扇用于改善筒内气体流通及加速散热。采集控制筒含传感器整体最大外径为90mm，高138mm，重0.96kg。

基于模块化设计基础，摄像云台部分和采集控制筒两部分通过14针连接端口连接，用于云台部分供电、视频信号传输、两台步进电机驱动及PWM调光信号传输。两部分模块可利用螺钉组装为对接的直筒式或分体安装在移动平台上的车载式，来完成两种不同发掘孔洞的预探测任务。采集控制筒尾另设有6针端口用于连接到直筒保护罩或移动平台，两种组装机器人与远程端的百米连接电缆端口分别位于直筒保护罩的杆臂及移动平台尾端。

远程端的设计以监控界面为主，该程序可移植到任意装有Windows XPSP2系统的电脑中，建议显示器分辨率设为1400*1050。该监控界面主界面包含实时视频窗口、实时环境参数显示窗口，考古发掘现场备注信息显示窗口、灯光亮度控制及云台角度控制。在上述窗口显示和控制指令输入的功能基础上，它还负责完成环境参数的实时数据记录、图像抓取和视频保留功能。为实现监控系统的易操控性，云台转动的控制采用方向按键和角度输入两种方式，灯光调控则采用滑块拖拉式，环境参数同时以数值和量程内柱状图的形式显示。

有益效果

该考古发掘现场智能预探测系统填补了国内田野考古领域自动化技术的空白，实现了一机两用的设计构想，满足了不同发掘现场对预探测系统的通用性要求。组装后直筒式机器人外直径96mm，可探入竖直探洞12m；履带式车载式机器人外尺寸220mm×200mm×230mm，可在40°光滑坡面稳定运行，倾斜15°内不侧翻。调光LED灯使机器人不但在无外界光源条件下对15m内景物实现清晰拍照，而且可实现无可见光的红外拍摄。监控数据单界面实时显示，可读性强，便于考古人员现场分析。机器人小巧的尺寸，多传感器的搭载，大角度的视野范围，使得考古人员可以在无损伤或微损伤情况下更加翔实的探查古墓葬内部结构并搜集环境参数，并可用于探测窄小通道等不易于人员探测的环境。

附图说明

图1是考古发掘现场示意图，其中(a)是人工铲洞发掘现场示意图，1-铲洞入口，2-人工铲洞，3-主墓室，4-墓道，5-古墓葬；(b)是大尺寸发掘洞发掘现场示意图，1-大直径发掘洞，2-墓内甬道，3-墓门，4-主墓室，5-甬道，6-古墓葬。

图2是摄像云台部分结构示意图，1-LED照明灯，2-14针连接端口。

图3是采集控制筒部分结构示意图，其中(a)为正面立体图，(b)顶部放大图，(c)为反面立体图，1-硫化氢探头，2-氧气探头，3-14针连接端口，4-大通气孔，5-小通气孔，6-二氧化碳探头，7-甲烷探头，8-风扇。

图4是机器人主控制板功能示意图。

图5是远程端界面功能示意图。

图6是章怀太子墓机器人姿态角，其中(a)为俯仰角，(b)为水平偏移角，(c)为侧倾角。

图7是延炼发掘现场采集数据，其中(a)为温度数据，(b)为相对湿度数据，(c)为氧气浓度数据。

具体实施方式

实施例

一种考古发掘现场智能预探测系统，由机器人和远程控制端两个主体组成，两主体间由电缆连接提供机器人电力，并完成图像、传感器数据及机器人控制指令的传输。

机器人部分为单片机控制系统，包含视频采集功能和环境数据采集功能。模块化结构设计，依功能主要包括摄像云台(图2)及采集控制筒两部分(图3)。

如图2所示，摄像云台包括可控亮度的LED照明灯1和14针连接端口2，该摄像云台俯仰自由度为0～270°，水平自由度为0～330°，避免了由于各发掘现场墙面反光效果不同对摄像头成像的影响，并可保护文物免受强光损害。该云台角速度为15°/s，由两台步进电机驱动。由于步进电机具有累积误差的特性，设计机械限位装置，提供控制云台复位的标准点。摄像云台为柱状设计，整体尺寸为最大外径90mm，高130mm，含摄像头重1.05kg。

如图3所示，采集控制筒内搭载硫化氢传感器1、氧气传感器2、二氧化碳传感器6、甲烷传感器7、温湿度传感器五个传感器(另有一惯性测量元件模块外置在移动平台上)。利用单片机作为主控芯片，搭建外围电路，用于对接入机器人的直流电源分压稳压、多传感器数据控制采集、中断式云台电机控制、PWM式LED灯光亮度控制、UART485串口通信及JTAG调试等，设计为集成嵌入式主控制板。该主控板可独立完成云台复位、多传感器数据实时采集等任务，并可接受远程端指令数据包，自动完成指定角度的云台转动、指定亮度的灯光调控及传感器数据传输到远程端。采集控制筒为柱状设计，气体传感器探头紧邻筒壁，留有通气孔，筒壁添加夹密致防尘钢纱与外接间隔。采集控制筒中央为机器人主控板，采集控制筒底部设有14针连接端口3，其底部留有小通气孔5和大通气孔4，并安装微型风扇8以改善筒内气体流通及加速散热。采集控制筒含传感器整体最大外径为90mm，高138mm，重0.96kg。

基于模块化设计基础，摄像云台部分和采集控制筒两部分通过14针连接端口连接，用于云台部分供电、视频信号传输、两台步进电机驱动及PWM调光信号传输。两部分模块可利用螺钉组装为对接的直筒式或分体安装在移动平台上的车载式，来完成两种不同发掘孔洞的预探测任务。采集控制筒尾另设有6针端口用于连接到直筒保护罩或移动平台，两种组装机器人与远程端的百米连接电缆端口分别位于直筒保护罩的杆臂及移动平台尾端。

远程端的设计以监控界面为主，该程序可移植到任意装有Windows XPSP2系统的电脑中，建议显示器分辨率设为1400*1050。该监控界面主界面包含实时视频窗口、实时环境参数显示窗口，考古发掘现场备注信息显示窗口、灯光亮度控制及云台角度控制。在上述窗口显示和控制指令输入的功能基础上，它还负责完成环境参数的实时数据记录、图像抓取和视频保留功能，见图5。为实现监控系统的易操控性，云台转动的控制采用方向按键和角度输入两种方式，灯光调控则采用滑块拖拉式，环境参数同时以数值和量程内柱状图的形式显示。

应用实施例

考古发掘现场智能预探测系统于2008年7月下旬在陕西省境内进行了三次实地测试。

应用实施例1

首次测试是验证性试验，测试地点为已发掘的章怀太子墓。章怀太子墓是乾陵陪葬墓之一，由4个过洞、4个天井、6个小龛、前甬道、后甬道、前室和主室几部分组成。墓全长71米，宽3.3米，深7米，绘有大面积壁画。试验中采用车载式装配机器人，从前甬道进入。值得一提的是，车载式机器人搭载的惯性测量模块实时采集车体姿态角度，见图6。由图6可知，在光整的墓室地面，车载式机器人可安全的在-26°～30°的坡面稳定行驶，且在-12°～10°范围内倾斜而不侧翻，具有一定的稳定性。该模块为后期与视频图像等环境参数结合实现发掘现场虚拟建模重构提供了翔实的数据依据。经过试验证实了系统工作正常，满足了预期要求。

应用实施例2

延炼发掘现场为洛阳铲洞发掘探孔，直径12cm，孔深70cm，试验时尚未发掘，考古学家初步预测为汉墓。机器人组装为直筒形式由发掘孔探入，考古人员在远程端通过视频监控操作，并借助观测墓内情况现场验证了该处为一汉墓遗址。

应用实施例3

庞留发掘现场是一处曾被盗取的古墓葬，其发掘口为一直径2m，深12m左右的盗洞坑，墓内环境不明。机器人组装为车载式，经支架协助下放至坑底进入墓葬内。经视频监测，该墓内存有大量壁画，见图7，穹顶绘有星空图案，具有宝贵的考古价值。其室内温度为17.5摄氏度，相对湿度82.3％RH，空气甲烷含量25ppm。

尽管已示出和描述了本发明的优选实施例，可以设想，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改。

Claims (8)

1.一种考古发掘现场智能预探测系统，由机器人和远程控制端两个主体组成，两主体间由电缆连接提供机器人电力，并完成图像、传感器数据及机器人控制指令的传输，其特征在于：机器人部分为单片机控制系统，包含视频采集功能和环境数据采集功能；模块化设计，机器人部分结构上依功能主要包括摄像云台及采集控制筒两部分。

2.根据权利要求1的智能预探测系统，其中所述摄像云台为柱状设计，整体尺寸为最大外径90mm，高130mm，含摄像头重1.05kg，摄像云台俯仰自由度为0～270°，水平自由度为0～330°，并附有可控亮度的LED照明灯，摄像云台的角速度为15°/s，由两台步进电机驱动。

3.根据权利要求1的智能预探测系统，其中所述采集控制筒内搭载温湿度传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器5个传感器。

4.根据权利要求3的智能预探测系统，其中所述采集控制筒为柱状设计，中央为机器人主控板，采集控制筒底部安装微型风扇用于改善筒内气体流通及加速散热，气体传感器探头紧邻筒壁，留有通气孔，筒壁添加夹密致防尘钢纱与外接间隔，所述采集控制筒含传感器整体最大外径为90mm，高138mm，重0.96kg。

5.根据权利要求4的智能预探测系统，其中所述摄像云台和采集控制筒两部分通过14针连接端口连接，用于云台部分供电、视频信号传输、两台步进电机驱动及PWM调光信号传输。

6.根据权利要求5的智能预探测系统，其中所述摄像云台和采集控制筒两部分利用螺钉组装为对接的直筒式或分体安装在移动平台上的车载式。

7.根据权利要求1所述的智能预探测系统，其中远程控制端的设计以监控界面为主，监控界面主界面包含实时视频窗口、实时环境参数显示窗口、考古发掘现场备注信息显示窗口、灯光亮度控制及云台角度控制。

8.权利要求1～7的智能预探测系统用于考古发掘现场预探测的用途。

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