CN114838755B - 一种考古预探测搭载平台系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种考古预探测搭载平台系统及方法，包括固定支架、搭载平台和搭载平台控制软件，搭载平台控制系统用于远程控制搭载平台，固定支架用于支撑和定位搭载平台；搭载平台包括探测功能模块群和控制辅助模块群，探测功能模块包括照明云台相机模块、激光测距模块、环境参数监控模块和机器人释放回收舱，控制辅助模块群包括关节运动模块；所述机器人释放回收舱内设置有机器人，能够控制机器人的释放、回收及充电功能；所述关节运动模块用于实现照明云台相机模块和机器人释放回收舱的动作执行。为预探测考古机器人顺利作业提供保障，实现复杂墓葬状况下的考古现场预探测功能。

Description

一种考古预探测搭载平台系统及方法

技术领域

本发明属于考古发掘现场预探测领域的自动化型技术领域，具体涉及一种考古预探测搭载平台系统及方法。

背景技术

目前国内有一款考古发掘现场智能预探测系统(申请号：200810218228.2，公开号：CN 101436038A)，该发明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。

1、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。

2、视频采集部分设计了附有可控亮度的LED照明灯的摄像头云台，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。

3、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。

4、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。

5、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，

6、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 XP SP2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。并且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。

该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，虽然设计满足了当时的项目需要，但随着科学技术的推进和考古现场发掘的需求变化，缺少相对应的功能模块，远程端程序只能适应于目前已基本淘汰的Windows XP系统，同时机器人回收和投放因考古现场的复杂地形而有所局限。

埋藏于地下的文物由于长期受多重环境侵蚀，大多已变得“弱不禁风”，由于时代地域差异和墓葬形制结构不同导致墓葬埋藏状况复杂，目前国内预探测技术无法满足现场需求，难以提供有效的预判，技术措施缺乏针对性。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种考古预探测搭载平台系统，搭载平台通过模块设计能够进行图像采集、空间测距、环境参数监测、机器人回收释放舱展开，为预探测考古机器人顺利作业提供保障，实现复杂墓葬状况下的考古现场预探测功能。

本发明的技术方案是：一种考古预探测搭载平台系统，其特征在于：包括固定支架、搭载平台和搭载平台控制软件，搭载平台控制系统用于远程控制搭载平台，固定支架用于支撑和定位搭载平台；

所述搭载平台包括探测功能模块群和控制辅助模块群，探测功能模块包括照明云台相机模块、激光测距模块、环境参数监控模块和机器人释放回收舱，控制辅助模块群包括关节运动模块；所述机器人释放回收舱内设置有机器人，能够控制机器人的释放、回收及充电功能；所述关节运动模块用于实现照明云台相机模块和机器人释放回收舱的动作执行。

本发明的进一步技术方案是：所述固定支架搭建于探洞外侧，能够对搭载平台进行起吊和下放。

本发明的进一步技术方案是：所述搭载平台控制系统包括视频播放、视频控制、环境参数显示和多舵机控制四个界面，用于控制完成摄像录制、激光测距和环境参数监测和机器人释放回收舱展开动作；视频信息以通过USB接口采集，获取摄像头实时视频流；环境信息通过环境监测设备API调用，通过调用舵机API进行串口通信；通过多舵机控制界面实现摄像机旋转、机器人释放回收舱的控制功能，短延迟、无障碍的完成控制动作。

本发明的进一步技术方案是：所述搭载平台控制系统的软件中设置有基于深度神经网络的文物识别技术，能够辅助识别墓葬内文物情况；且该软件能够在32位、64位环境下的windows/Linux系统中运行，便于考古工作人员现场应用。

本发明的进一步技术方案是：所述搭载平台上方设置有照明云台相机模块、激光测距模块和环境参数监控模块，下方设置有机器人释放回收舱，其中照明云台相机模块和机器人释放回收舱均通过舵机驱动，实现执行动作；

所述照明云台相机模块包括红外摄像头和照明部分，采用2个舵机分别控制红外摄像头视角的上下和左右运动；所述机器人释放回收舱上方开口，底部与搭载平台的框架铰接，通过安装于铰接处的舵机驱动机器人释放回收舱的转动角度，进而实现机器人释放和回收动作。

本发明的进一步技术方案是：所述照明云台相机模块的照明部分采用矩阵式LED、工作电压12V；安装在搭载平台的框架中段，可对整个地下环境进行良好的照明。

本发明的进一步技术方案是：所述搭载平台的框架为圆柱状，外直径95mm,高570mm,能够深入小型探洞15米。

本发明的进一步技术方案是：所述环境参数监控模块含有温湿度、一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物、硫化氢和甲烷的检测探头，该模块通过LoRa无线传输监测数据，汇集到搭载平台控制系统中。

本发明的进一步技术方案是：所述激光测距模块为单点TOF高速激光测距模组，测距量程为0.05m-40m，精度1mm；能够在地下埋藏环境中对墓室面积进行初步测量，第一时间向地面反馈墓室大小信息，引导后续探测作业。

一种考古预探测搭载平台系统对遗存智能识别的方法，其特征在于：首先，所述搭载平台的照明云台相机模块对墓葬环境进行录制；然后，将录制得到的视频输入软件，与出土文物素材库进行比对；最后实现多种墓葬文物的智能识别。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明考古预探测搭载平台实现了“考古环境的预探测”、“搭载单体机器人”两个目标，满足了不同发掘现场中对复杂状况墓室预探测的高要求，具体效果为：

1.为预探测考古机器人顺利作业提供保障

本发明中的搭载平台含有机器人收放舱模块，该收放舱通过舵机在控制软件中进行控制，一次转动角度为15度，转速为30度/秒，搭载平台上的摄像头可以在控制软件中对机器人的收放行进进行观察，保障机器人作业安全。该模块并没有固定机器人设备型号，可以搭载任意符合尺寸的有线或者无线遥控机器人设备。搭载平台内预留了视频接收模块、遥控信号发射模块和有线控制线缆模块等接口，可以根据考古发掘现场需要进行变更。

2.实现复杂墓葬状况下的考古现场预探测功能

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，同时我国墓葬形式多样环境复杂，为防止人员或者机器人贸然进入墓葬内探测，或者保证机器人有可探测的空间，本发明的考古现场预探测搭载平台，含有环境监测模组和“红外—光感”两用摄像头，可以在没有机器人的情况下进入探洞(直径≥10cm)提前进行探测，查看墓葬地形是否能够适应配套机器人进入作业，收集到的环境信息可以为后续的发掘保护提供指导，也能确认是否适合人员进入，并观察墓葬内文物情况。

3.具有智能识别功能的搭载平台控制软件

随着技术发展，软件和图像识别技术已经在各行业得到充分应用，本发明中的搭载平台控制软件，加入了基于深度神经网络的文物识别技术，辅助识别墓葬内文物情况。并通过USB接口便可实现搭载平台中的摄像头转动、视频接收、机器人收放舱控制和环境数据接收等功能。该软件可以在32位、64位环境下的windows/Linux系统中运行，便于考古工作人员现场应用。

基于上述技术效果本发明能够实现以下工作要求：

1)搭载平台为圆柱状，外直径95mm,高570mm,可深入小型探洞15米；

2)在补光条件下可对20m处景物进行视频录制和文物智能识别，或在暗光/无光条件通过红外成像方式录制墓内视频，视频清晰度480P；

3)在无光/补光条件下对考古环境进行空间测距，量程0.05m–40m，绘制处墓室空间布局图；

4)界面中舵机控制精度高，一次转动角度为15°，转速为30°/s；

5)对考古环境的温度、湿度、二氧化碳、氧气、甲烷、氮氧化物、硫化氢进行实时监控，采集数据频率1次/秒；

6)机器人释放回收舱可放入长度为300mm以内，最大宽度不大于95mm的单体遥控机器人，并可对其进行无线充电；

7)对在补光条件下录制的现场视频进行智能分析，识别出10种文物遗存种类。

附图说明

图1为本发明考古发掘现场预探测示意图。

图2为本发明搭载平台、搭载平台控制软件的关系结构图，包含了各功能模块的通信与供电方式。

图3为本发明搭载平台结构图，a、正视图；b、左视图；c、后视图；d、机器人释放回收舱展开。

图4为搭载平台控制软件功能设计图。

图5为搭载平台控制软件文物智能识别方法技术图。

图6为搭载平台在模拟墓葬环境下的工作画面，包括搭载平台实时录制画面、机器人释放回收平台展开控制。

图7为搭载平台对模拟墓葬环境的激光测距结果。

图8为搭载平台对模拟墓葬环境的二氧化碳监测结果。

图9为搭载平台对模拟墓葬环境的温度监测结果。

图10为搭载平台对模拟墓葬环境的湿度监测结果。

图11为搭载平台通过三脚架滑轨系统下放操作。

图12为搭载平台通过直径约10cm的探洞进入墓穴。

图13为搭载平台进入墓穴后的工作画面。

图14为搭载平台对墓葬环境的实时预览画面。

图15为搭载平台对墓葬环境的激光测距结果。

图16为搭载平台对墓葬环境的二氧化碳测试结果。

图17为搭载平台对墓葬环境的温度测试结果。

图18为搭载平台对墓葬环境的湿度测试结果。

附图标记说明：1-墓葬内棺椁文物，2-机器人，3-机器人有线/无线控制示意，4-搭载平台，5-供电线缆，6-通讯线缆，7-探洞，8-支架，9-地面计算机，10-温湿度探头，11-六种气体探头，12-环境灯，13-激光测距仪，14-摄像云台和红外灯，15-机器人释放回收舱，16-机器人释放回收舱舵机，17-舵机控制模块，18-机器人遥操控模块，19-机器人摄像头图传模块，20-激光测距控制模块，21-机器人无线充电模块。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1、2所示，本发明一种考古预探测搭载平台系统，包括固定支架、搭载平台和搭载平台控制系统，所述搭载平台控制系统用于远程控制搭载平台，所述固定支架搭建于探洞外侧，能够对搭载平台进行起吊和下放；

参照图4所示，所述搭载平台控制系统包括视频播放、视频控制、环境参数显示和多舵机控制四个界面，用于控制完成摄像录制、激光测距和环境参数监测和机器人释放回收舱展开动作；视频信息以通过USB接口采集，获取摄像头实时视频流；环境信息通过环境监测设备API调用，通过调用舵机API进行串口通信；通过多舵机控制界面实现摄像机旋转、机器人释放回收舱的控制功能，短延迟、无障碍的完成控制动作。所述搭载平台控制系统的软件中设置有基于深度神经网络的文物识别技术，能够辅助识别墓葬内文物情况；且该软件能够在32位、64位环境下的windows/Linux系统中运行，便于考古工作人员现场应用。

参照图3所示，所述搭载平台包括探测功能模块群和控制辅助模块群，探测功能模块包括照明云台相机模块、激光测距模块、环境参数监控模块和机器人释放回收舱，控制辅助模块群包括关节运动模块；所述机器人释放回收舱内设置有机器人，能够控制机器人的释放、回收及充电功能；所述关节运动模块用于实现照明云台相机模块和机器人释放回收舱的动作执行。其中，照明云台相机模块、激光测距模块和环境参数监控模块设置于搭载平台框架的上方，机器人释放回收舱设置与框架的下方，所述照明云台相机模块包括红外摄像头和照明部分，采用2个舵机分别控制红外摄像头视角的上下和左右运动；所述机器人释放回收舱上方开口，底部与搭载平台的框架铰接，通过安装于铰接处的舵机驱动机器人释放回收舱的转动角度，进而实现机器人释放和回收动作。具体舵机选型根据搭载负荷的质量计算，选择了25kg的舵机，该舵机可以360°旋转，使用32位MCU处理器，工作电压为6V至8.4V,齿轮材质为标准25T(铜)，尺寸为40*20*40mm。

优选的，所述搭载平台的框架为圆柱状，外直径95mm,高570mm,能够深入小型探洞15米。

优选的，本发明使用的摄像头体积小，分辨率高，照明部分要求体积小亮度高，照明范围大。光源为工业视觉环形光源，采用矩阵式LED、工作电压12V。补充环境照明为LED点阵均匀光源，安装在平台中段，可对整个地下环境进行良好的照明。

优选的，所述环境参数监控模块含有温湿度、一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物、硫化氢和甲烷的检测探头，该模块通过LoRa无线传输监测数据，汇集到搭载平台控制系统中。

优选的，所述激光测距模块为单点TOF高速激光测距模组，测距量程为0.05m-40m，精度1mm；能够在地下埋藏环境中对墓室面积进行初步测量，第一时间向地面反馈墓室大小信息，引导后续探测作业。

优选的，搭载平台下端设置机器人释放回收舱，作为可拓展架构，供负载任何符合尺寸的有线/无线单体机器人，拓展探测能力。释放回收舱底部配备了无线充电模组，充电功率1.5W，可为单体机器人充电，延长续航。

参照图5所示，搭载平台对遗存智能识别的方法为，通过搭载平台的摄像头及照明模块，对墓葬环境进行录制，将录制得到的视频输入软件，与出土文物素材库进行比对，从而实现10种墓葬文物的智能识别。10种墓葬文物包括：壁画、砖石、骨骼、竹木器、金器、银器、青铜器、陶器、瓷器、玉器。

应用实施例1

在室内搭建模拟墓葬环境开展预探测实验。模拟墓葬环境占地总面积约80m²，内设陶俑、铜器等仿真文物。实验目标为测试预探测平台的“图像采集、空间测距、环境参数监测、机器人回收释放舱展开”共4个功能。实验结果如图6-图10。

第一，当平台进去到模拟墓葬环境后，平台的照明模块首先工作，为探测周围环境提供光源；第二，云台等摄像模块开始环拍周围画面(图6)，并通过USB串口将视频流上载至软件界面，实现周围环境的实时预览与采集(图6左上角)；第三，平台的测距模块对墓穴进行环拍，以平台为中心，通过旋转角度和空间距离进行绘图，可获得模拟墓穴的大致空间布局(图7)；第四，根据摄像、测距等模块采集的墓葬信息，选择合适方位对机器人释放回收舱进行展开操作(图6)，为机器人的爬出和返回提供便利；第五，环境监控模块对二氧化碳、温度、湿度全程监控(图8-图10)，可发现模拟墓葬内二氧化碳浓度400ppm-800ppm，温度25℃-27.5℃，相对湿度73.8％。在45min时，将平台从模拟墓穴环境中取出，发现二氧化碳和温湿度出现了明显的变化，证明环境参数监控模块的灵敏程度。

由上可知，预探测平台的图像采集、空间测距、环境参数监测、机器人释放回收舱等功能在室内模拟墓葬环境下运行良好。

应用实施例2

铜川市耀州区某北魏墓葬发掘现场，该墓葬的开口位置距地表2m，顶部有直径约为10cm的探洞一处，实验前尚未整体发掘。实验结果如图11-图18。

第一，利用现场地形搭建三脚架滑轨系统，将考古预探测平台移至墓葬口上方，通过悬臂缓慢下放平台设备，由探洞进入至墓室内部(图11和图12)；第二，待平台落至墓室底部后，在地表的工作人员远程通过系统软件对平台的各功能模块进行操作，照明和摄像模块开始工作，录制环境画面(图13和图14)；第三，通过实时预览画面，选择了一处较为平坦的区域进行了机器人释放回收舱的展开试验(图13)；第四，激光测距模块对墓室空间进行测距，探测到墓室平面约呈梯形，总面积约6m²(图15)；第五，环境参数监测模块对二氧化碳、温度和湿度进行采集，可知墓室二氧化碳浓度800ppm-1000ppm，温度13.8℃-15.4℃，湿度33.2％-36.5％；第六，在实验至60min时，预探测平台短暂中止作业，上提出墓室后又迅速返至初始位置继续作业，发现墓室内温度仍在逐渐上升，而二氧化碳浓度和湿度均出现明显的下降，这表明墓室环境被扰动，外界气流与内部气流发生了交换(图16-18)。

综上所述，模拟墓葬环境实验和真实墓葬环境试验均证明预探测搭载平台的照明摄像模块、激光测距模块、环境参数监测模块和机器人释放回收舱运转正常，可为后续考古发掘工作和出土文物应急保护提供数据支撑。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种考古预探测搭载平台系统，其特征在于：包括固定支架、搭载平台和搭载平台控制系统，搭载平台控制系统用于远程控制搭载平台，固定支架用于支撑和定位搭载平台；

所述搭载平台包括探测功能模块群和控制辅助模块群，探测功能模块包括照明云台相机模块、激光测距模块、环境参数监控模块和机器人释放回收舱，控制辅助模块群包括关节运动模块；所述机器人释放回收舱内设置有机器人，能够控制机器人的释放、回收及充电功能；所述关节运动模块用于实现照明云台相机模块和机器人释放回收舱的动作执行；

所述搭载平台控制系统包括视频播放、视频控制、环境参数显示和多舵机控制四个界面，用于控制完成摄像录制、激光测距和环境参数监测和机器人释放回收舱展开动作；视频信息以通过USB接口采集，获取摄像头实时视频流；环境信息通过环境监测设备API调用，通过调用舵机API进行串口通信；通过多舵机控制界面实现摄像机旋转、机器人释放回收舱的控制功能，短延迟、无障碍的完成控制动作；

所述搭载平台上方设置有照明云台相机模块、激光测距模块和环境参数监控模块，下方设置有机器人释放回收舱，其中照明云台相机模块和机器人释放回收舱均通过舵机驱动，实现执行动作；所述照明云台相机模块包括红外摄像头和照明部分，采用2个舵机分别控制红外摄像头视角的上下和左右运动；所述机器人释放回收舱上方开口，底部与搭载平台的框架铰接，通过安装于铰接处的舵机驱动机器人释放回收舱的转动角度，进而实现机器人释放和回收动作；

所述搭载平台的框架为圆柱状，外直径95mm,高570mm,能够深入小型探洞15米。

2.根据权利要求1所示考古预探测搭载平台系统，其特征在于：所述固定支架搭建于探洞外侧，能够对搭载平台进行起吊和下放。

3.根据权利要求1所示考古预探测搭载平台系统，其特征在于：所述搭载平台控制系统的软件中设置有基于深度神经网络的文物识别技术，能够辅助识别墓葬内文物情况；且该软件能够在32位、64位环境下的windows/Linux系统中运行，便于考古工作人员现场应用。

4.根据权利要求1所示考古预探测搭载平台系统，其特征在于：所述照明云台相机模块的照明部分采用矩阵式LED、工作电压12V；安装在搭载平台的框架中段，可对整个地下环境进行良好的照明。

5.根据权利要求1所示考古预探测搭载平台系统，其特征在于：所述环境参数监控模块含有温湿度、一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物、硫化氢和甲烷的检测探头，该模块通过LoRa无线传输监测数据，汇集到搭载平台控制系统中。

6.根据权利要求1所示考古预探测搭载平台系统，其特征在于：所述激光测距模块为单点TOF高速激光测距模组，测距量程为0.05m-40m，精度1mm；能够在地下埋藏环境中对墓室面积进行初步测量，第一时间向地面反馈墓室大小信息，引导后续探测作业。

7.一种权利要求1-6任一项所述考古预探测搭载平台系统对遗存智能识别的方法，其特征在于：首先，所述搭载平台的照明云台相机模块对墓葬环境进行录制；然后，将录制得到的视频输入软件，与出土文物素材库进行比对；最后实现多种墓葬文物的智能识别。