CN111751832B - 一种自动调平式深井测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动调平式深井测距仪，包括：合金测距稳定架、自动升降模块和测距模块；在合金测距稳定架和测距模块之间设置有自动升降模块，测距模块通过无线传输模块与工控机端连接；自动升降模块用于激光自动扫频，协助测距模块的测量工作；测距模块包括：激光发射器、激光接收器、数据处理器和控制系统；当激光发射器发射出光束至深井内测量物体表面时，可控电机自动调节自身高度，反射回的光束会被激光接收器接收，然后数据处理器对激光测量到的数据进行曲线分析，最终得到检测深井最低点的测量点，进而得到深井深度。本发明的有益效果是：方法简单，成本低，测量精度高，实用性及适用性强。

Description

一种自动调平式深井测距仪

技术领域

本发明涉及深井测距技术领域，尤其涉及一种自动调平式深井测距仪。

背景技术

深井测距是现代工程常见的项目，但要做到精准测距任然是一项困难的工作，现在市面上更多的是直接测距，场外的应用很多，对于深井考虑的因素要更多，首先深井内部结构复杂，并不是可见性，许多测距只是简单的将激光投向深井但并不能将判断是否最低点；其次其他的测距仪器只能测量数据不能记录大量数据，也不能远程访问现场测量状态。而本实用性自动调平式深井测距仪可以以自动调平的方式通过算法找出深井最低点，同时排除激光投射到井壁测量的数据。一种自动调平式深井测距仪在深井测量的时候还可以用web服务器端远程访问测量实时画面。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种自动调平式深井测距仪，该自动调平式深井测距仪通过无线传输模块连接工控机端，所述工控机端安装有组态软件；所述无线传输模块用于实现远程通讯；其特征在于：包括：合金测距稳定架、自动升降模块和测距模块；

合金测距稳定架上方固定有测距模块，所述合金测距稳定架包括两块上下设置的金属板，在每块金属板中心留有测距光束孔，一个测距光束孔正好处于另一个测距光束孔的正上方；在两块金属板之间设置有自动升降模块，测距模块通过无线传输模块与工控机端连接；

自动升降模块由若干个可控电机组成，用于激光自动扫频，协助测距模块的测量工作；

测距模块包括：激光发射器、激光接收器、数据处理器和控制系统，用于根据激光对深井深度测量的数据进行分析及计算；激光发射器的发射的激光束方向向下，且穿过两块金属板中心的测距光束孔；

合金测距稳定架的上表面连接测距模块的底座，测距模块底座上设置有水平仪，用于满足激光扫频之需；

所述控制系统控制可控电机进行升降工作，可控电机的升降带动激光发射器调整激光束在测距光束孔中的倾斜角度；当激光发射器发射出光束至深井内测量物体表面时，可控电机自动调节自身高度，反射回的光束会被激光接收器接收，然后数据处理器对激光测量到的数据进行曲线分析，最终得到检测深井最低点的测量点，进而得到深井深度。

进一步地，所述合金测距稳定架的底盘为长方形。

进一步地，所述控制系统为单片机控制芯片。

进一步地，所述自动升降模块由3个可控电机组成。

进一步地，所述自动升降模块采用自动调平算法进行升降，升降时以弧形线方式扫描深井内部，得到一组测量数组，根据该数组，建立一个函数模型，根据该函数模型的走向判断最低点。

进一步地，所述可控电机每移动一个点就测量得到一个相应的数据。

进一步地，所述单片机控制系统采用Modbus总线与工控机端连接，将所采集的检测数据传递给工控机端内的组态软件，组态软件根据记录及存储的每一个测量到的数据，产生相应的数据浮动曲线。

进一步地，所述可控电机在不停的调平过程中，激光发射器发出的激光束是有规律且连续性的改变深井内的测量点，使得测量到的数据也具有连续性。

进一步地，所述测距模块的顶端安装有LED灯，每测量一次数据，该LED灯闪烁一次，闪烁的频率和可控电机的运动频率相同。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：方法简单，成本低，测量精度高，实用性及适用性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种自动调平式深井测距仪的结构图；

图2是本发明实施例中采用自动调平式深井测距仪进行测距的结构图；

图3是本发明实施例中3台可控电机示意图；

图4和图5分别是本发明实施例中激光测距半个周期扫描的示意图；

图6是本发明实施例中井内理想结构激光井内扫描示意图；

图7是本发明实施例中经过算法分析得出的曲线结构图；

图8和图10分别是本发明实施例中井内结构具有倾斜角度情况扫描示意图；

图9和图11分别是本发明实施例中具有倾斜角度下对应的函数曲线图；

图12是本发明实施例中当激光调平打向井壁时的扫描示意图；

图13是本发明实施例中激光绕井壁测量结果函数曲线图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种自动调平式深井测距仪，该自动调平式激光测距仪是在深井内工作而并非场外，由于深井是由机器挖掘，故井内结构具有不可控性，工作人员对于深井内部情况不能掌握，若只是简单的将激光投入井内，测量出的数据会有很大的误差，即得出的数据与实际工程相比具有很大的差距，因此并不能由这些数据判定是否为井内最低点，就不能达到工程的技术要求，为了达到实际需求，本发明通过自动调平算法进行采集数据和判断数据的精准性，自动调平算法对3个可控电机1～3进行上下运动调平，使激光发射器发射出的激光以一定角度在深井内部连续性运动，采集的数据经过上位机记录、存储和整理分析，通过调平式算法不仅能排除井内复杂结构影响的测量因素，而且还可以达到精确测量的目的，所述的3个可控电机1～3由控制系统控制，用来使测距模块13在两个方向进行调平测量，若一方向的数据能够根据自动调平算法判断出最低点的数据，则能判断出深井最低点，进而得到深井深度。但为了证明检测结果的精确性，可控制3个可控电机在与其之前运动方向垂直的方向进行数据采集，此方向采集的数据可根据自动调平算法判断出是激光器到井壁的数据。调平方式通过3个可控电机1～3的升降方式进行调整的，过程一是其中一个单组电机和另外两个成对电机呈相反方向运动，这一过程上位机会记录一组数据；过程二是单组电机保持不动，成对电机以相反的方向运动，这一过程上位机也会记录一组数据；得到的两组数据，经过反复描点判断，其具有连续性，可建立相关函数模型，根据该函数模型的函数走向判断深井内最低点。由于每一个井的内部结构不全相同，井内结构会随着环境变化也会产生相应的结构变化，所以该函数模型并不是一个用公式准确表达地函数。经过自动调平算法对函数模型进行分析，即可排除测量井壁的距离，从而准确的测量出到井底的距离。自动调平式激光测距仪在调平的过程中，连续采集的数据由控制系统处理后通过MAX485CSA芯片将测距模块13测量到的数据通过Modbus总线上传到工控机端。工控机端利用组态软件记录、存储及分析测量数据。本发明自动调平式深井测距仪，通过自动调平式算法，可精确测量数据，达到实际的工程需要。

请参考图1～3，图1是本发明实施例中一种自动调平式深井测距仪的结构图，具体包括：合金测距稳定架11、自动升降模块12和测距模块13；该自动调平式深井测距仪通过无线传输模块连接工控机端，所述工控机端安装有组态软件；所述无线传输模块用于实现远程通讯；

所述合金测距稳定架11的底盘为长方形，包括两块上下设置的金属板6～7，每块金属板的中心留有测距光束孔；合金测距稳定架11上方固定有测距模块13，在两块金属板6～7之间设置有自动升降模块12，测距模块13通过无线传输模块与工控机端连接；

自动升降模块12由3个可自动调整高度的可控电机1～3组成，用于激光自动扫频，协助测距模块13的测量工作；

测距模块13包括：激光发射器、激光接收器、数据处理器和控制系统，用于根据激光对深井深度测量的数据进行分析及计算；所述控制系统为单片机控制芯片；激光发射器的发射的激光束方向向下，且穿过两块金属板6～7中心的测距光束孔；

合金测距稳定架11的上表面连接测距模块13的底座，测距模块13底座上安装有水平仪4～5，用于满足激光扫频之需；

当自动调平式深井测距仪经过调试无其他问题时，在做好测距准备后，激光发射器会发射激光束，投向所需要测量的深井，当激光发射器发射出光束至深井结构内测量物体表面时，所述控制系统控制可控电机进行升降工作，可控电机自动调节自身高度，可控电机的升降带动激光发射器调整激光束在测距光束孔中的倾斜角度；反射回的光束会被激光接收器接收，激光束每移动一个点都会得到一个相应的测量数据，每调平一次就会测量到一个数据，多次调平移动后，才能得到到精确的深井测量数据，数据处理器对激光测量到的数据进行曲线分析，最终得到深井最低点的测量点，进而得到深井深度。同时数据处理器会将每一个采集到的数据传送给控制系统，控制系统通过接线端8连接Modbus总线，进而与工控机端连接，将所采集的数据传递给工控机端内安装的组态软件中。

可控电机1～3选择的升降方式要求弧形线扫描，那么得到的数据是数组，建立相关函数模型后，通过自动调平算法分析找出最低点，此最低点可能并非实际需要的点。考虑到激光束投向井壁的情况，如果激光束投向的是井底部分，扫描的数据的趋势是从小到大再到小，此为扫描的半个周期，还有半个周期依然是从小到大再到小；如果激光束投向的井壁部分，扫描的数据趋势为从小到大再到小；这些数据是自动调平式测量，所以所有数据具有连续性，且都在二维空间，那么通过分析可建立相关函数模型，观察曲线的走势，判断最低点，进而判断是否为井底最低点，若是就得到了满足工程需要的数据。

无线传输模块就是实现远程通讯的功能，像纽扣一样将工控机和测距端联系在一起，一端与测距模块13连接，另一端与工控机端连接，当在一局域网内，即可实现远程通讯；工控机端内装有组态软件，具有存储、显示、查询、报警和分析功能，所以只要测距模块13能采集到数据，即可在工控机端上显示或web服务器远程访问，这些数据正是自动扫频时数据的记录，对于建立函数模型和自动调平算法的分析具有很重要的意义，这也是一种自动调平式深井测距仪能够精准测量井下的距离的原因。

组态软件通过记录和存储每一个数据，产生相应的浮动曲线。记录、显示、存储的这些数据，会组成数组，经过分析，该数组内的每一个数据都是经过测距模块13采集的，激光束在没有结束测距之前是一直投向井内的状态，在不停的调平过程中，激光束是有规律的改变测量点，而且是连续性改变，那么测量的数据也具有连续性，这为算法分析做准备。一种自动调平式激光测距仪还有无线数传模块，使用无线数传模块主要是可以将测距模块13和工控机端分开进行，在一定传输范围内，测距模块13可在工地实时测量，而数据采集端、显示端只需要在无线传输范围内，符合工控机安装即可，那么在工控机端上就可以实现远程测距的功能；但是仅仅实现远程测距是不够的，远程测距只能在一个工控机端观察实时数据和实时曲线，但要实现远程IP地址访问，就解决了局限性的问题，所以一种自动调平深井测距仪以工控机端作为服务器端，那么工控机端只需连网，即可有IP地址，由于组态软件可实现Web服务器的功能，采用无线通讯的方式可通过IP地址在Web服务器端进行远程访问。

如图1～3所示，自动调平式激光测距仪采用合金构成，图1中的标号1～3用来表示3台可控电机，标号4～5表示2台水平仪，标号6～7表示2块合金板，这2块合金板构成合金测距稳定架11，标号8表示测距模块，整个自动调平式激光测距仪的核心都在测距模块13的合金盒内部，该测距模块13与金属板6精密连接，保证测量水平起到固定的作用，金属板6上面附有4～5两个水平仪，以保证整个测距模块13水平、垂直两个方向处于水平状态；金属板7是底盘，底盘中间留有一个孔，用于激光束投射和反射激光束的收集，两块金属板之间设计有3个控制系统控制的可控电机1～3，其作用是当激光束投向深井内部时，通过调平的方式得到相应的数组。深井是一个圆柱结构体，包含井底和井壁，当激光束投向深井时，无法判断激光点打向哪里，如果仅仅靠人眼的判定方式，测量的一个点明显具有不确定性，若想得到多组数据，根据个人己见移动测量点，得到的数组也是具有不确定性，即使有相关函数，那么并非得到需要的数据。若想得到准确数据，那么测量方式要具有连续性，只有连续的数据才具备实际参考价值，为实现这一方法采用自动调平的方式。即当升降机以相反的方向运动时，且运动的频率一样，那么整个测距模块13是以弧线性方式运动。设计3个可控电机的原因是：三点成面，且具有稳定性；稳定的外形结构以合金为基础，不仅能够适应各种环境因素，也能保护整个设计模块，具有新颖性和便捷性。

图2中，观测井为需要测量井深的某一深井，激光测距仪为所述的自动调平式激光测距仪，对焦机构，是指测距模块13会根据深井的结构，经过自动调平的过程，找到深井最低点。测距模块13通过通信总线将测量的数据传输至工控机端，工控机端安装有组态软件，组态软件中包括数据采集模块、数据服务器模块和站点管理模块；所述站点管理是指，每一个井号都是独立的站点，在工控机端会记录及保存当前独立站点的测量数据。

将该自动调平式激光测距仪放在井坑表面，固定一个方向，在测距模块13的平面结构中，使可控电机1调整至最低点，使可控电机2～3同时调至最高点，整个自动调平式激光测距仪呈侧切，然后控制系统控制可控电机以相同的频率向相反的方向运动，假若激光束经过井底的过程，激光束从井壁开始往下调平式运动，由于井是机器控制向地底下打井，考虑到井内结构会有不同的情况，可能存在偏差。图4所示为井是理想结构，没有任何偏差且垂直向下时，得到的半个周期内激光束运动的扫描图，还有一半的周期激光束运动扫描图如图5所示，由图可知激光束的长度也是从短到长，再从长变短，那么整个过程可以看成对称形式，从图6里可以清晰的看出，开始时激光束长度变化较大，当到了井底时，此时长度渐渐减小的过程，长度和最长时长度相差不远，这两个过程是对称的。在测距模块13的顶端设计有LED灯，每测量一次数据都会闪烁一次，闪烁的频率和电机运动频率相同。当完成一次完整的测量时，在工控机端组态软件内可以记录到测量数据，这些数据是一个数组，通过因为激光束在井内移动具有连续性，得到的数据也具有连续性，通过描点分析数据在二维空间内，建立相关函数模型，可得到如图7的曲线图走向，那么A点记为最低点，这也是工程中需要测量的最低点。

当井内如图8所示时，即有一定的倾斜角度，仍然不影响该自动调平式激光测距仪的准确性，测距模块13依然按照原有的方式调平运动。由于井内结构有倾斜角度，但激光束的长度变化依然是由短变长再变短的过程，在激光扫描时，影响的只是激光发射器和井壁的距离，但是激光发射器到井底的距离并不会受到影响。如图9所示，激光束的长度依然由短变长，由于角度的影响，可以明显的看出此变长的过程会慢慢增加，得到数组依然不会有太大的变化，以同样的方式建立相关函数模型，进而可以判断出，改变的只是曲线的倾斜程度。

当井内结构如图10，此结构和图8的结构恰恰相反，调平的频率、记录数据、相关函数模型的建立等基本操作都不做任何改变，只是在井壁上扫频得到的数据与图8情况不同，在于数据的变化趋势发生了变化，在由短变长的过程数据慢慢增加，而由长变短的过程数据变化较大的减小，在井底数据还是一样，与图8结构所得数据大致相同，经过分析工控机端记录的数据，依然得到若图11所示的根据建立的相关函数模型得到的曲线图，之所以曲线走向相同而不同的是变化率，是因为井内结构大似相同、扫频方式一样等使曲线走势大致相同，由于角度的变化是激光束的长短变化程度不同致曲线变化率不同，但不影响最低点为深井测距的精确数据。

以上几种情况的激光束都会经过井底会才会出现图例中的曲线变化，这是在理想情况下的井内结构，通过调平方式，所以得到的数据都具有连续性，通过建立相关函数模型，每测量一组数据都可以得到相应的曲线，观察每一组曲线的变化趋势，由自动调平算法分析，基本可以判定井下的大致结构，同时能够精确的判定激光发射器到井底位置的距离，数据是经过严密的逻辑分析和算法得出的，而此时的数据才具有实际参考意义。在这个方向上测量如果能得到算法分析的这些曲线图形，则表示测量结果无误，得到的数据也是精确实际需要的，达到了测量标准和要求。

除在上述方向测量外，还对以上情况的垂直方向进行算法分析。测距结构中可控电机2～3关于可控电机1中心轴对称，故不需要移动自动调平式激光测距仪，受控于控制系统，固定可控电机1～3，将可控电机2调整至最低点，将可控电机3调整至最高点，激光器依然发射激光至井内，2个可控电机以相同的频率向相反的方向运动，以相同的方式记录和收集数据。参考图12，可以清楚的看出激光束是绕着井壁扫了一圈，分析数据可以知道数据先从小变大在变短的过程，由于数据具有连续性，方法同之前建立相关函数，可以得出函数曲线图如图13所示，通过自动调平算法分析函数趋势是先递增，函数的最高点就是对应激光束以弧线在井壁内运动的最低点，当函数增减是一个变化过程，那么可以判定激光点是投射在井壁上得到的数组，这个数组具有很大的误差，不是激光器到井底的距离，非工程需要，但其具有参考价值，至少通过自动调平算法分析可以判定测距时是否测量的井壁距离而调整方向的得到实际需要的测量数据。

通过对上面的两种运动方式得到的测量数据进行分析可知，若得到的数组函数曲线是一个凸函数则证明这个方向上的测量数据是测量井壁的距离，则需要控制系统调整测量方向，得出的图形是连续凹凸函数，则证明测量的数据是井底数据，是实际工程需要的数据。整个测量的过程都是受控于控制系统，可调平，可控制方向，经过自动调平算法分析，具有严密的逻辑，一种自动调平式激光测距仪精确性高，整个自动调平式激光测距仪构成一个一主多从的ModBus网络。测距模块13与工控机端采用Modbus协议实现各模块之间的通信，RS485电路作为ModBus协议的物理层。

本发明的有益效果是：方法简单，成本低，测量精度高，实用性及适用性强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自动调平式深井测距仪，该自动调平式深井测距仪通过无线传输模块连接工控机端，所述工控机端安装有组态软件；所述无线传输模块用于实现远程通讯；其特征在于：包括：合金测距稳定架、自动升降模块和测距模块；

合金测距稳定架上方固定有测距模块，所述合金测距稳定架包括两块上下设置的金属板，在每块金属板中心留有测距光束孔，一个测距光束孔正好处于另一个测距光束孔的正上方；在两块金属板之间设置有自动升降模块，测距模块通过无线传输模块与工控机端连接；设置于自动升降模块上方的第一金属板(6)上面附有两个水平仪，分别为第一水平仪(5)和第二水平仪(4)，第一可控电机(1)与第一水平仪(5)同侧，第二可控电机(2)与第三可控电机(3)同侧且均与第二水平仪(4)同侧；

自动升降模块由3个可控电机组成，用于激光自动扫频，协助测距模块的测量工作；考虑到激光束投向井壁的情况，如果激光束投向的是井底部分，扫描的数据的趋势是从小到大再到小，此为扫描的半个周期，还有半个周期依然是从小到大再到小；如果激光束投向的井壁部分，扫描的数据趋势为从小到大再到小；所述自动升降模块采用自动调平算法进行升降，升降时以弧形线方式扫描深井内部，得到一组测量数组，根据该数组，建立一个函数模型，根据该函数模型的走向判断最低点；所述可控电机每移动一个点就测量得到一个相应的数据；所述可控电机在不停的调平过程中，激光发射器发出的激光束是有规律且连续性的改变深井内的测量点，使得测量到的数据也具有连续性；

测距模块包括：激光发射器、激光接收器、数据处理器和控制系统，用于根据激光对深井深度测量的数据进行分析及计算；激光发射器的发射的激光束方向向下，且穿过两块金属板中心的测距光束孔；

将该自动调平式激光测距仪放在井坑表面，固定一个方向，在测距模块的平面结构中，使第一可控电机(1)调整至最低点，使第二可控电机(2)和第三可控电机(3)同时调至最高点，整个自动调平式激光测距仪呈侧切，然后控制系统控制可控电机以相同的频率向相反的方向运动，假若激光束经过井底的过程，激光束从井壁开始往下调平式运动；

调平方式通过3个可控电机的升降方式进行调整的，过程一是其中一个单组电机和另外两个成对电机呈相反方向运动，这一过程上位机会记录一组数据；过程二是单组电机保持不动，成对电机以相反的方向运动，这一过程上位机也会记录一组数据；得到的两组数据，经过反复描点判断，其具有连续性，可建立相关函数模型，根据该函数模型的函数走向判断深井内最低点；

所述控制系统为单片机控制芯片，单片机控制系统采用Modbus总线与工控机端连接，将所采集的检测数据传递给工控机端内的组态软件，组态软件根据记录及存储的每一个测量到的数据，产生相应的数据浮动曲线；所述测距模块的顶端安装有LED灯，每测量一次数据，该LED灯闪烁一次，闪烁的频率和可控电机的运动频率相同；

合金测距稳定架的上表面连接测距模块的底座，测距模块底座上设置有水平仪，用于满足激光扫频之需；

所述控制系统控制可控电机进行升降工作，可控电机的升降带动激光发射器调整激光束在测距光束孔中的倾斜角度；当激光发射器发射出光束至深井内测量物体表面时，可控电机自动调节自身高度，反射回的光束会被激光接收器接收，然后数据处理器对激光测量到的数据进行曲线分析，最终得到检测深井最低点的测量点，进而得到深井深度。

2.如权利要求1所述的一种自动调平式深井测距仪，其特征在于：所述合金测距稳定架的底盘为长方形。

3.如权利要求1所述的一种自动调平式深井测距仪，其特征在于：所述测距模块为长方体结构。