CN107664777A - 一种地下河管道三维轨迹探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下河管道三维轨迹探测器。该探测器包括壳体，以及置于壳体内的电路板和为本探测器各部件供电的电源，其中：所述电路板上安装有元器件，所述的元器件包括中心处理器，以及与中心处理器连接的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴地磁传感器和存储器。本发明所述探测器通过设置三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器，多传感器同步记录，可高精度且快速的获取地下河管道三维轨迹信息；探测器结构简单，对地下河无污染，为地下河管道轨迹探测提供了一种既便携且精度高的探测设备。

Description

一种地下河管道三维轨迹探测器

技术领域

本发明涉及轨迹探测器，具体涉及一种地下河管道三维轨迹探测器。

背景技术

我国西南地区岩溶分布最为广泛，主要分布在云南、贵州、广西、重庆、四川、湖南、湖北等八省(市、区)，可溶岩地层出露齐全，自上元古界至中生界三叠系皆有分布。在间歇性抬升的区域构造背景和亚热带季风气候条件下，形成了极为发育的地下三维空间网络，具有极高的非均质性和各向异性特征。一方面，地下河蕴藏着丰富的地下水资源，可以生产、生活提供优质水源；另一方面，由于地下河管道和洞穴的发育，自然条件和人为活动影响诱发的塌陷、渗漏、隧道突水等灾害给岩溶区基础建设、水库、隧道等工程带来了难以估量的生命和财产损失。因此，精确获取岩溶地下河的三维径迹，对有效降低岩溶水文地质工程地质勘查的成本具有重要的潜在价值；对岩溶地区的水资源开发、防灾减灾具有重要的意义。

目前，天然电场选频法主要应用于隧道桥梁施工过程中寻找地下河或者帮助岩溶地区的居民寻找水源。广泛使用电阻率法来探测地下河管道，依据地下河管道与周围完整的岩石存在导电性差异来间接探测地下河管道的存在，但该方法不是直接探测，存在多解性。另外，一些简单、轻便的电磁仪器，例如天然电场选频仪，利用大地电磁场作为工作场源，通过测量大地电磁场在地表产生的电场变化特征来了解地下电场差异、探测地质构造、确定地下水径流带，这些仪器因其轻便、操作简单的特点而得到广泛应用也，但同样存在多解性，且精度较差。因此，寻求一种高精度、快捷获取地下河完整的三维径迹信息的探测器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精度高且能够快捷获取地下河完整三维径迹信息的地下河管道三维轨迹探测器。

本发明所述的地下河管道三维轨迹探测器，包括壳体，以及置于壳体内的电路板和为本探测器各部件供电的电源，在电路板上安装有元器件，所述的元器件包括中心处理器，以及与中心处理器连接的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴地磁传感器和存储器。

本发明所述技术方案中，所述的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴地磁传感器与中心处理器之间通过串口进行通信，其中三轴加速度传感器和三轴角速度传感器用于获得探测器的三轴加速度和三轴角速度，从而解算探测器的姿态；三轴地磁传感器用于获得探测器所在位置的地磁场。所述存储器通过SPI总线与中心处理器连接，其中存储器及其容量大小的选择可根据需要进行确定，优选的，存储器可以选用TF卡，更优选选用容量为16G的TF卡，可以存储探测器连续工作48小时的测量数据。

本发明所述技术方案中，在电路板上安装的元器件优选还包括蜂鸣器，该蜂鸣器通过三极管放大电路与中心处理器的I/O端口连接。通过设置蜂鸣器，在探测器开机后，当蜂鸣器以一定频率鸣叫时，表示探测器进入热机时间(探测器的热机时间可根据需要进行设置为，而蜂鸣器在表示探测器热机时鸣叫频率及具体时间均可根据需要进行选定和设置)，当蜂鸣器长时间鸣叫时(时长可根据需要进行选定和设置)，表示探测器热机完成，在蜂鸣器停止鸣叫后即可投放探测器。

上述技术方案中，在电路板上安装的元器件优选还包括LED指示灯，所述的LED指示灯通过限流电阻与中心处理器的I/O端口连接。优选LED指示灯由两只发光二极管组成，其中一只发光二极管作为电源指示灯，当探测器开机后即电发光，但不闪烁，指示电源接通；另一只发光二极管作为探测器开始采集的指示灯，当探测器热机完成时，指示灯以一定频率闪烁(具体频率可根据需要进行选定和设置)，指示探测器在采集数据状态。

本发明所述技术方案中，电源是用于为本探测器中需要电源才能进行工作的部件(即安装在电路板上的元器件)供电的，当一块电源的电量能够为电路板上的元器件持续供电直至完成探测工作时，仅用一块电源即可；否则，可以用两块甚至更多块的电源来为电路板上的元器件供电。在本申请中，从探测器的体积及电量供应等因素综合考虑，优选电源包括两块电源，即第一电源和第二电源，其中第一电源与安装在电路板上的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器电连接，以实现第一电源为三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器供电；第二电源与安装在电路板上的中心处理器、存储器、蜂鸣器和LED指示灯电连接，以实现第二电源为中心处理器、存储器、蜂鸣器和LED指示灯供电。

本发明所述技术方案中，所述的电路板通常为PCB电路板。

本发明所述技术方案中，所述的电路板和电源可以通过现有常规技术手段固定于壳体中，在本申请中，通过在壳体内壁上开设用于置放电路板和电源的卡槽，然后再电路板和电源插入开设的卡槽中实现电路板和电源的固定。

本发明所述技术方案中，所述壳体的形状可根据需要进行设计，如设计成长方形、圆形或其它形状等。在本申请中，优选是将壳体设计成胶囊形状(即中间呈柱形，两端呈半球形)，该壳体由上壳体和下壳体组成，所述的上壳体和下壳体通过螺纹连接。由于本发明所述探测器是在地下河管道中采集数据，需要防止水进入到探测器内部，即探测器应具有防水功能。因此，当探测器的壳体是气密性连接时即可达到防水目的，反之，当探测器的壳体不是气密性连接，此时可通过在整个探测器包裹一层树脂材料等现有常规技术手段以达到防水目的。

本发明所述技术方案中，所述的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器同步采集数据。

与现有技术相比，本发明所述探测器通过设置三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器，多传感器同步记录，可高精度且快速的获取地下河管道三维轨迹信息；探测器结构简单，对地下河无污染，为地下河管道轨迹探测提供了一种既便携且精度高的探测设备。

附图说明

图1为本发明所述地下河管道三维轨迹探测器一种实施方式的横截面示意图；

图2为图1所示实施方式中的电路原理图；

图3为图1所示实施方式中三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁传感器的安装示意图；

图4为图1所示实施方式中壳体的结构示意图；

图5为采用本发明所述地下河管道三维轨迹探测器进行地下河管道探测的流程图；

图6为采用本发明所述地下河管道三维轨迹探测器进行模拟实验的效果图，其中虚线表示采用本发明所述探测器获取的数据进行解算后获得的曲线，实线表示由GPS定位得到的曲线。

图中标号为：

1壳体；1-1上壳体；1-2下壳体；2卡槽；3第一电源；4电路板；5第二电源；6三轴加速度传感器；7三轴角速度传感器；8三轴地磁传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。

图1为本发明所述地下河管道三维轨迹探测器一种实施方式的横截面示意图，在该实施方式中，本发明所述地下河管道三维轨迹探测器包括壳体1，以及置于壳体1内的电路板4和为本探测器各部件供电的第一电源3和第二电源5，其中：

所述的壳体1呈胶囊形状，由上壳体1-1和下壳体1-2组成，所述的上壳体1-1和下壳体1-2通过螺纹连接，如图4所示；在下壳体1-2的内壁上开设用于置放电路板4、第一电源3和第二电源5的卡槽2；

所述的电路板4上安装有元器件，所述的元器件具体包括中心处理器、三轴加速度传感器6、三轴角速度传感器7、三轴地磁传感器8、存储器、蜂鸣器和LED指示灯，其中，三轴加速度传感器6、三轴角速度传感器7、三轴地磁传感器8与中心处理器之间通过串口进行通信，且三轴加速度传感器6、三轴角速度传感器7、三轴地磁传感器8安装在同一基线上，如图3所示；存储器通过SPI总线与中心处理器连接，蜂鸣器通过一个三极管放大电路与中心处理器的I/O端口连接，LED指示灯通过限流电阻与中心处理器的I/O端口连接；电路板4上的电路原理图如图2所示；

所述的第一电源3与安装在电路板4上的三轴加速度传感器6、三轴角速度传感器7和三轴地磁传感器8电连接，以实现第一电源3为三轴加速度传感器6、三轴角速度传感器7和三轴地磁传感器8供电；第二电源5与安装在电路板4上的中心处理器、存储器、蜂鸣器和LED指示灯电连接，以实现第二电源5为中心处理器、存储器、蜂鸣器和LED指示灯供电。

在上述实施方式中，所述的电路板4为PCB电路板4。所述的LED指示灯由两只发光二极管组成，其中一只发光二极管作为电源指示灯，当探测器开机后即电发光，但不闪烁，仅指示电源接通；另一只发光二极管作为探测器开始采集数据的指示灯，当探测器开始采集数据时，该指示灯闪烁。所述的第一电源3和第二电源5均为锂电池，所述的存储器为容量为16G的TF卡。

采用本发明所述地下河管道三维轨迹探测器进行地下河探测时，先将探测器主控系统开机，在电源指示灯亮后，将电路板4、第一电源3和第二电源5一起装进壳体1中，旋紧，密封好，等待投放。当听见蜂鸣器以一定频率鸣叫时，将探测器放在待探测的地下河管道起始处，当蜂鸣器在长时间鸣叫后又停止时，投放探测器。探测器在地下河管道中随水漂流，实时记录探测器的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场值，并存储在存储器中。在地下河管道的出口处等待捕捞探测器，关机后取出存储器并读取数据。

采用本发明所述地下河管道三维轨迹探测器，在桂林市潮田乡附近的人工水渠中进行多次试验，流程如图5所示。实验结果显示，与实际GPS测量结果几乎吻合，具有很好的效果。以下是具体的一次试验：

首先，通过GPS获取人工水渠的经纬度坐标，并特别标出被测起始点和结束位置的经纬度坐标，用于地下河管道三维轨迹探测器解算的参考点。

然后，在人工水渠被测起始点，将探测器主控系统开机，在电源指示灯亮后，将电路板4、第一电源3和第二电源5一起装进壳体1中，旋紧，密封好，等待投放。当听见蜂鸣器响起时，将探测器放在水渠中，在蜂鸣器响声消失时，投放探测器。探测器在水渠中随水漂流，并实时记录探测器的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场值，并存储在存储器中。在被测水渠结束位置等待捕捞探测器。测量完成，捕捞探测器后关机，取出存储器并读取数据。

实验结果如图6所示，由图可知，地下河管道三维轨迹探测器能够较好的获取地下河管道的轨迹，与实际GPS测量结果几乎吻合，具有很好的效果。

Claims (7)

1.一种地下河管道三维轨迹探测器，包括壳体(1)，以及置于壳体(1)内的电路板(4)和为本探测器各部件供电的电源，其特征在于：

所述电路板(4)上安装有元器件，所述的元器件包括中心处理器，以及与中心处理器连接的三轴加速度传感器(6)、三轴角速度传感器(7)、三轴地磁传感器(8)和存储器。

2.根据权利要求1所述的地下河管道三维轨迹探测器，其特征在于：所述电路板(4)上安装的元器件还包括蜂鸣器，该蜂鸣器通过三极管放大电路与中心处理器的连接。

3.根据权利要求1所述的地下河管道三维轨迹探测器，其特征在于：所述电路板(4)上安装的元器件还包括LED指示灯，所述的LED指示灯通过限流电阻与中心处理器的连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的地下河管道三维轨迹探测器，其特征在于：所述的电源包括第一电源(3)和第二电源(5)，其中第一电源(3)为安装在电路板(4)上的三轴加速度传感器(6)、三轴角速度传感器(7)、三轴地磁传感器(8)供电，第二电源(5)为安装在电路板(4)上的其它元器件供电。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的地下河管道三维轨迹探测器，其特征在于：所述壳体(1)内壁上开设有用于置放电路板(4)和电源的卡槽(2)。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的地下河管道三维轨迹探测器，其特征在于：所述壳体(1)呈胶囊形状，包括上壳体(1-1)和下壳体(1-2)，所述上壳体(1-1)和下壳体(1-2)通过螺纹连接。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的地下河管道三维轨迹探测器，其特征在于：所述三轴加速度传感器(6)、三轴角速度传感器(7)、三轴地磁传感器(8)同步采集。