CN107102335B - 一种超声波三维成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波三维成像装置，包括置物圆盘、垫块、超声收发传感器组、传感器固定板、丝杠导轨、步进电机、联轴器、底座、基准挡板、固定架、控制模块和上位机；超声收发传感器组为X方向超声收发传感器组、Y方向超声收发传感器组和Z方向超声收发传感器组；每组超声收发传感器组均安装在一个传感器固定板上；每个传感器固定板与一个丝杠导轨的丝杠配合传动，同时通过滑块与同一个丝杠导轨的导轨配合传动；丝杠导轨通过联轴器与步进电机的输出端连接；基准挡板分别位于X方向超声收发传感器组和Y方向超声收发传感器组的正对面；Z方向超声收发传感器组与底座正对；控制模块固定于底座；控制模块与上位机连接。

Description

一种超声波三维成像装置
技术领域
本发明涉及成像领域，具体是涉及一种超声波三维成像装置。
背景技术
根据现有的成像技术，成像设备有光学成像和声学成像两种。光学成像系统已经在各个行业得到了普遍的应用，但光学成像对目标所处的环境依赖较大，在一些不具备光学成像条件的情况下，比如无法满足光照的条件下，比如当水下光照度低或夜晚时，水下目标的成像效果变差，甚至不能成像。即使利用外部补充光源方法试图解决这一问题，但由于光在水中的衰减很大，因此也只在近距离内的成像效果较好，当到达光照度低的距离范围，成像质量又变差，致使目标形状测量误差较大，甚至无法测量。所以利用声学技术替代光学进行形状辨识和信息传递就成为了一种潜在技术需求。
现有的三维成像技术主要有激光扫描和双目视觉。李托拓等人(胡锋,耿征,基于结构光的三维成像技术[J],网络新媒体技术,2012(1):22-33)指出激光扫描法可以得到很好的三维成像精度，但成本较高，成像速度较慢，且对人眼容易造成伤害。而双目视觉系统运算量大，成像也较缓慢，并且对于纹理特征不明显的场景不能得到较满意的结果，图像处理也很复杂。
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，具有方向性好，穿透力强、抗干扰能力强等优点。超声波在气体或液体中均能传播，在传播过程中能量消耗很低，可以进行远距离成像。超声三维成像方法可以完成水下成像，超声波对人的眼睛、耳朵均不会造成伤害，且计算处理简单，成本低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种超声波三维成像装置。该装置发射超声波，超声波经被测量面返回，利用回波定位原理通过单片机计算超声波发射与返回所用时间，即得到目标物体表面的坐标信息，将坐标信息传送至上位机，获得目标物体三维图像。
本发明解决所述技术问题的技术方案：提供一种超声波三维成像装置，其特征在于该装置包括置物圆盘、垫块、超声收发传感器组、传感器固定板、丝杠导轨、步进电机、联轴器、底座、基准挡板、固定架、控制模块和上位机；
所述置物圆盘通过垫块固定在底座上；所述超声收发传感器组为三组，分别为X方向超声收发传感器组、Y方向超声收发传感器组和Z方向超声收发传感器组；所述每组超声收发传感器组均安装在一个传感器固定板上；每个传感器固定板与一个丝杠导轨的丝杠配合传动，同时通过滑块与同一个丝杠导轨的导轨配合传动；所述丝杠导轨为三个，分别是第一丝杠导轨、第二丝杠导轨和第三丝杠导轨；所述步进电机为三个，分别是第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机；所述第一步进电机和第二步进电机均固定在底座上；所述第三步进电机固定在固定架上；所述第一丝杠导轨和第二丝杠导轨的导轨均固定在底座上，第一丝杠导轨和第二丝杠导轨的丝杠通过联轴器分别与第一步进电机和第二步进电机的输出端连接；所述第三丝杠导轨的导轨固定在固定架的一端，固定架的另一端固定在底座上；所述第三丝杠导轨的丝杠通过联轴器分别与第三步进电机的输出端连接；所述基准挡板为两个，均固定在底座上，分别位于X方向超声收发传感器组和Y方向超声收发传感器组的正对面；所述Z方向超声收发传感器组与底座正对；所述控制模块固定于底座；所述控制模块与上位机连接。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1)相对于红外线技术，超声形状成像技术易于定向发射、方向性好、强度易控制、非接触检测技术，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力，具有超声波独特的能力。
2)与现有超声成像技术以液体为介质不同，本成像装置以空气为介质，同时克服了空气干扰较多的问题，应用领域更加广阔，使用条件更加便利，节约了成本，实现对目标物体的三维成像。本成像装置也同样可以完成水下成像。
3)相对于已有的三维成像技术，本成像装置算法简单，操作简便，价格便宜，不会受到电磁波和温度等因素的影响，成像快速稳定且对人体无害。
4)利用测距技术获得目标物体坐标信息，红外线同样也能测距，但是其非线性较严重，而且测量范围小。
5)本成像装置也可以用于对动态物体的成像。
附图说明
图1本发明超声波三维成像装置一种实施例的去掉基准挡板后的整体结构示意图；
图2本发明超声波三维成像装置一种实施例的整体结构示意图；
图3本发明超声波三维成像装置一种实施例的控制模块结构框图；(图中：1、置物圆盘；2、垫块；3、超声收发传感器；4、传感器固定板；5、丝杠导轨；6、步进电机；7、联轴器；8、底座；9、基准挡板；10、固定架；11、控制模块；12、上位机)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种超声波三维成像装置(参见图1-2，简称装置)，其特征在于该装置包括置物圆盘1、垫块2、超声收发传感器组3、传感器固定板4、丝杠导轨5、步进电机6、联轴器7、底座8、基准挡板9、固定架10、控制模块11和上位机12；
所述置物圆盘1通过垫块2固定在底座8上，置物圆盘1是具有一定厚度的能承受一定重量的材质，用于放置目标物体；所述超声收发传感器组3为三组，分别为X方向超声收发传感器组31、Y方向超声收发传感器组32和Z方向超声收发传感器组33；所述每组超声收发传感器组3均安装在一个传感器固定板4上；每个传感器固定板4通过螺母与一个丝杠导轨5的丝杠配合传动，同时通过滑块与同一个丝杠导轨5的导轨配合传动；所述丝杠导轨5为三个，分别是第一丝杠导轨51、第二丝杠导轨52和第三丝杠导轨53；所述步进电机6为三个，分别是第一步进电机61、第二步进电机62和第三步进电机63；所述第一步进电机61和第二步进电机62均固定在底座8上；所述第三步进电机63固定在固定架10上；所述第一丝杠导轨51和第二丝杠导轨52的导轨均固定在底座8上，第一丝杠导轨51和第二丝杠导轨52的丝杠通过联轴器7分别与第一步进电机61和第二步进电机62的输出端连接；所述第三丝杠导轨53的导轨固定在固定架10的一端，固定架10的另一端固定在底座8上；所述第三丝杠导轨53的丝杠通过联轴器7分别与第三步进电机63的输出端连接；步进电机6带动传感器固定板4，实现传感器固定板4的上下移动；所述基准挡板9为两个，均固定在底座8上，分别位于X方向超声收发传感器组31和Y方向超声收发传感器组32的正对面，用于测量目标物体在X方向和Y方向上的投影，即为了得到目标物体的后视图和左视图；所述Z方向超声收发传感器组33与底座8正对，用于测量目标物体在Z方向上的投影，即为了得到目标物体的俯视图；所述控制模块11固定于底座8；所述控制模块11与上位机12连接。
所述控制模块11包括直流电源111、电压转换芯片112、单片机113、外扩存储芯片114、第一步进电机驱动器115、第二步进电机驱动器116、第三步进电机驱动器117和独立按键118；所述直流电源111通过电压转换芯片112与单片机113连接，将24V直流电压转换成5V给单片机113供电；所述直流电源111分别与第一步进电机驱动器115、第二步进电机驱动器116和第三步进电机驱动器117连接，提供24V直流电源；所述单片机113分别与外扩存储芯片114、第一步进电机驱动器115、第二步进电机驱动器116、第三步进电机驱动器117和独立按键118连接；所述外扩存储芯片114用于存储测量数据；所述独立按键118用于控制装置启停，并且可以通过按键选择测量精度；所述单片机113的输出端与上位机12连接；所述单片机113的I/O接口与超声收发传感器组3中的超声收发传感器连接；所述第一步进电机驱动器115与第一步进电机61连接；第二步进电机驱动器116与第二步进电机62连接；第三步进电机驱动器117与第三步进电机63连接。
每组超声收发传感器组3包括八个超声收发传感器，均匀地安装在传感器固定板4上，相邻两个超声收发传感器之间间隔0.12cm；超声收发传感器的型号为Risym公司的16MM超声波防水型传感器收发一体化测距探头，频率为40.0±1.0KHz，可检测距离在0.3m到3.5m之间，方向性为45deg。由于传感器的盲区为0.35m，且方向角为45度，由勾股定理求出0.12m；
所述上位机12是计算机；所述直流电源111为24V直流电源；所述电压转换芯片112为LM2576芯片；所述单片机113为STC89C52型号单片机；所述外扩存储芯片114为AT24C02芯片；第一步进电机驱动器115、第二步进电机驱动器116和第三步进电机驱动器117型号均为TB6600。
所述控制模块11外部设置有保护罩，保护罩的材质为防水坚固的非金属材料，例如玻璃板。
本发明超声波三维成像装置的工作原理和工作流程是：
工作原理：三维超声成像技术是将某一立体形状的三维分别投影，通过计算机处理后得到一个重建的立体图形。当超声波没有遇到目标物体时，将通过挡板反射，此距离是已知的；当超声波遇到目标物体时，反射的距离将会改变，或者遇到斜面超声收发传感器将无法接收到超声波。因此通过计算超声波发射返回的时间确定每个坐标点对应的挡板前是否有目标物体，从而确定目标物体在挡板上的投影。
工作流程是：首先测量X方向，单片机113控制X方向超声收发传感器组31的8个从左至右超声收发传感器依次发射并接收超声波，与此同时，每测得一个数据，都要从单片机113传输给外扩存储芯片114进行储存，防止系统突然掉电或发生其他意外情况导致数据丢失。单片机113通过计算超声波的返回时间确定本层目标物体的轮廓。当本层扫描结束后，传感器固定板4在第一步进电机61带动下，经过第一丝杠导轨51传动，向上移动一个距离(此距离为步进电机最小步距角的整倍数，可以通过独立按键118进行选择)，继续测量目标物体上一层的数据，直至整个面扫描完成。由此得到目标物体在XZ面的投影，即目标物体的左视图。
左视图测量完毕后，单片机113控制Y方向超声收发传感器组32的8个从左至右超声收发传感器依次发射并接收超声波，与此同时，每测得一个数据，都要从单片机113传输给外扩存储芯片114进行储存，防止系统突然掉电或发生其他意外情况导致数据丢失。单片机113通过计算超声波的返回时间确定本层目标物体的轮廓。当本层扫描结束后，传感器固定板4在第二步进电机62带动下，经过第二丝杠导轨52传动，向上移动一个距离(此距离为步进电机最小步距角的整倍数，可以通过独立按键118进行选择)，继续测目标物体上一层的数据，直至整个面扫描完成。由此得到目标物体在YZ面的投影，即目标物体的后视图。
后视图测量完毕后，单片机113控制Z方向超声收发传感器组33的8个从左至右超声收发传感器依次发射并接收超声波，与此同时，每测得一个数据，都要从单片机113传输给外扩存储芯片114进行储存，防止系统突然掉电或发生其他意外情况导致数据丢失。单片机113通过计算超声波的返回时间确定本层目标物体的轮廓。当本层扫描结束后，传感器固定板4在第三步进电机63带动下，经过第三丝杠导轨53传动，向上移动一个距离(此距离为步进电机最小步距角的整倍数，可以通过独立按键118进行选择)，继续测目标物体上一层的数据，直至整个面扫描完成。由此得到目标物体在XY面的投影，即目标物体的俯视图。
三个面均扫描完成后将数据传送至上位机12，经上位机12重建得到目标物体的三维图像。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种超声波三维成像装置，其特征在于该装置包括置物圆盘、垫块、超声收发传感器组、传感器固定板、丝杠导轨、步进电机、联轴器、底座、基准挡板、固定架、控制模块和上位机；
所述置物圆盘通过垫块固定在底座上；所述超声收发传感器组为三组，分别为X方向超声收发传感器组、Y方向超声收发传感器组和Z方向超声收发传感器组；所述每组超声收发传感器组均安装在一个传感器固定板上；每个传感器固定板与一个丝杠导轨的丝杠配合传动，同时通过滑块与同一个丝杠导轨的导轨配合传动；所述丝杠导轨为三个，分别是第一丝杠导轨、第二丝杠导轨和第三丝杠导轨；所述步进电机为三个，分别是第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机；所述第一步进电机和第二步进电机均固定在底座上；所述第三步进电机固定在固定架上；所述第一丝杠导轨和第二丝杠导轨的导轨均固定在底座上，第一丝杠导轨和第二丝杠导轨的丝杠通过联轴器分别与第一步进电机和第二步进电机的输出端连接；所述第三丝杠导轨的导轨固定在固定架的一端，固定架的另一端固定在底座上；所述第三丝杠导轨的丝杠通过联轴器分别与第三步进电机的输出端连接；所述基准挡板为两个，均固定在底座上，分别位于X方向超声收发传感器组和Y方向超声收发传感器组的正对面；所述Z方向超声收发传感器组与底座正对；所述控制模块固定于底座；所述控制模块与上位机连接。
2.根据权利要求1所述的超声波三维成像装置，其特征在于每组超声收发传感器组包括八个超声收发传感器，均匀地安装在传感器固定板上，相邻两个超声收发传感器之间间隔0.12cm。
3.根据权利要求2所述的超声波三维成像装置，其特征在于超声收发传感器的型号为Risym公司的16MM超声波防水型传感器收发一体化测距探头。
4.根据权利要求1所述的超声波三维成像装置，其特征在于所述控制模块包括直流电源、电压转换芯片、单片机、外扩存储芯片、第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、第三步进电机驱动器和独立按键；所述直流电源通过电压转换芯片与单片机连接；所述直流电源分别与第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器和第三步进电机驱动器连接；所述单片机分别与外扩存储芯片、第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器、第三步进电机驱动器和独立按键连接；所述单片机的输出端与上位机连接；所述单片机的I/O接口与超声收发传感器组中的超声收发传感器连接；所述第一步进电机驱动器与第一步进电机连接；第二步进电机驱动器与第二步进电机连接；第三步进电机驱动器与第三步进电机连接。
5.根据权利要求4所述的超声波三维成像装置，其特征在于所述电压转换芯片为LM2576芯片。
6.根据权利要求4所述的超声波三维成像装置，其特征在于所述单片机为STC89C52型号单片机。
7.根据权利要求4所述的超声波三维成像装置，其特征在于所述外扩存储芯片为AT24C02芯片。
8.根据权利要求1所述的超声波三维成像装置，其特征在于第一步进电机驱动器、第二步进电机驱动器和第三步进电机驱动器型号均为TB6600。
9.根据权利要求1所述的超声波三维成像装置，其特征在于所述控制模块外部设置有保护罩，保护罩的材质为玻璃板。
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