CN1959342A - 一种机械式微地形探测仪 - Google Patents

Abstract

一种机械式微地形探测仪，本发明由探测器、控制器和计算机组成，探测器由多个机械式探测头和机架组成，机架将所有探测头刚性地连成一体，每一个探测头包括支座，回转体和臂式探针，回转体内安装有角度传感器，角度传感器的外圈能随回转体自由旋转，臂式探针固定于回转体上，旋转的角度传感器输出模拟电压信号，模拟电压信号经控制器变为数字信号后，与计算机进行通信，通过计算机中的数据采集软件和微地形重构软件实现数据采集、地形重构和作业控制。由于探测头直接与地面接触，同遥感等非接触式探测仪相比，本发明准确性好，精度高。

Description

一种机械式微地形探测仪

[技术领域]本发明涉及一种基于机电一体化的用于微地形探测的探测仪。

[背景技术]地形重构可视化实际应用越来越广泛。目前主要用于两种情况：一是根据地学图形数据的精确描述来进行真实地形的仿真重构，如根据地形特征参数生成地形，这些特征参数包括高程、最大/最小高程及其位置、高程标准差、相关长度、地形粗糙度等。这种地形的生成通常是在给定一定的地形特征或地形参数条件下，通过模拟符合地形的统计特征的随机过程，即用计算机自动产生符合要求的真实的三维地形；二是模拟自然场景中的地形，常用于具有真实自然视觉效果的虚拟环境中，这种方法不需要针对某个特定地区的地形来进行仿真，而是希望可以灵活地生成不同特征的地形以满足不同的需求或者是为保证整个虚拟环境的真实感，因此，这种方法评价的唯一标准是视觉上的接受能力。

工程上应用通常采用第一种方法。目前，常用的地形生成方法大致可分为：

(1)利用曲面来生成三维地形；

(2)利用分形技术生成三维地形；

(3)利用遥感技术生成三维地形。

[发明内容]为了能精确对局部地形进行精确的描述，绘制逼真的三维地形图，计算表面积和土石方，为陆地或水下(含海底)局部地形测量或在该地形上作业的设备或机械控制提供依据，本发明提供一种机械式微地形探测仪。

本发明通过机械的方法探测微地形表面高程数据(DEM)及地形特征参数，利用分形技术生成三维地形，实现地形重构。

本发明的机械式微地形探测仪，由探测器、控制器和计算机组成，探测器由多个机械式探测头和机架组成，机架将所有探测头刚性地连成一体，机架固定于行走车架上，每一个探测头包括支座，回转体和臂式探针，回转体内安装有角度传感器，角度传感器的外圈能随回转体自由旋转，臂式探针固定于回转体上。当行走车架行走并带动臂式探针在地形表而滑动时，回转体会随着地貌高低起伏而回旋，进而带动角度传感器旋转。旋转的角度传感器输出模拟电压信号，模拟电压信号经控制器变为数字信号后，与计算机进行通信，通过计算机中的数据采集软件和微地形重构软件实现数据采集、地形重构和作业控制。

探测头的数量可根据探测地形面积大小和精度要求、自行增加或减少。

角度传感器输出的模拟电压信号通过角度变送器转换为数字信号。角度传感器输出接口采用RS-485接口，计算机的串行通信口为RS-232C接口，在角度传感器输出接口与计算机的串行通信口之间，采用有源串口转换器MWE485-D进行RS485/RS232C电平转换，它将RS-232C串行口的数据发送(TD)和数据接收(RD)信号转换成两线平衡的半双工RS-485信号，在发送数据时不需要RTS使能控制，能够满足远距离控制设备或点到多点总线通信的要求。外接+5V直流电源，稳定性较高。另外它还具有完善的浪涌保护。

经过转换的角位变送器的输出连接到工控机的串行通信接口上，实现数据通信。

为实现标准串行通信，本发明角位变送器的通信协议如下：

1.讯号形式

波特率：19200        起始位：1位(0)

数据位：7位          停止位：1位

校验方式：偶校验     编码标准：AscII码

2.传送方式为指令式，即由上位机发送读数指令，变送器只有在收到上位机的读书指令后才有输出。

输入读数指令格式为：第1位为字符“R”，第2、3位为模块地址即其编号，第4位为回车符“CR”(＝ODH)

3.角位输出资料格式

变送器输出的角位数据资料格式为：变送器输出的角位数据资料格式共15位，1位为开始位STX；2、3位为变送器模块编号；4位为状态位；5位为角位数据的符号；6~15位为角位数据；

4.软件清零指令格式

该变送器可由远程上位机发送清零指令对模块当前测量角位进行清零。

软件清零指令共9位，第1、2、3位分别为字符“C”、“L”和“R”，第4、5位为模块地址即其编号，第6位为字符“*”，第7、8位为模块地址即其编号，第9位为结束位CR(＝ODH)。

根据上述通信协议，本发明的数据采集软件采用了VB 6.0编写。

通过上述的数据采集和处理，建立了探测仪扫过地形的地理信息系统及其作为地理空间第三维坐标的高程数据网格(DEM)，并按一定的规则存储于计算机中。运用计算机软件实现地形可视化重构。

上述分形方法构造的地形精确度很高，但运用中运算时间较长，为提高响应速度，本发明亦可选择AVS/Express作为地形重构软件开发平台。以充分展示微地形探测和重构中海量数据的处理和三维可视化方面巨大的优势。能满足一般工程要求。

由于探测仪及其软件已将所测地形全部数字化和可视化，能快捷地计算全部所测地形或它的任意部位的几何量(表面积，体积等)及它们的特征值。从而可根据要求，对其上作业的机械或设备进行控制和有关几何量计算。例如，若地表面为矿物，系统可控制采矿头以最佳的切削深度采集矿物；若机械或设备在崎岖的地形上作业，系统能实时显示机器所处位置的地形状况，实现机器的姿位控制；若是地形测量，系统可显示全部和任意局部地形的三维图形及其特征值；若是在所测地形上进行土石方工程，系统可以事先计算其表面积和石方量、实现精确工程预算，也可事后其计算表面积和石方量、达到工程验算或结算的目的等等。

由于其探测头直接与地面接触，它较遥感等非接触式探测仪准确性好，精度高(厘米级)。另外，本探测仪能在水下工作，因而非常适合于水下或陆地的微地形探测。该探测仪主要由探测器、数据采集及处理、微地形重构和作业控制四个部分组成。该探测仪具备地形探测与数字化重构、表面积和土石方等几何量计算、地形挖掘或加工控制等功能。

[附图说明]

图1：本发明结构示意图；

图2：机械式探测器组装图；

图3：探测头剖面图；

图4：输入读数指令格式；

图5：角位输出资料格式；

图6：软件清零指令格式；

图7：本发明数据采集程序流程示意图；

图8：微地形重构的流程示意图。

下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[具体实施方式]

如图1所示，本发明的机械式微地形探测仪，由探测器2、控制器3和计算机4组成，探测器由多个机械式探测头和机架组成，机架将所有探测头刚性地连成一体，机架固定于行走车架5上，每一个探测头包括支座6，回转体7和臂式探针8，回转体内安装有角度传感器，角度传感器的外圈能随回转体自由旋转，臂式探针固定于回转体上。当行走车架行走并带动臂式探针在地形1表面滑动时，回转体会随着地貌高低起伏而回旋，进而带动角度传感器旋转。旋转的角度传感器输出模拟电压信号，模拟电压信号经控制器变为数字信号后，与计算机进行通信，通过计算机中的数据采集软件和微地形重构软件实现数据采集、地形重构和作业控制。

本发明已成功应用于深海钴结壳采集模型机上。实现了水下微地形探测和地形的可视化重构，达到了根据崎岖地形特征控制破碎头切削深度的技术要求。

Claims (3)

1.一种机械式微地形探测仪，其特征在于：由探测器、控制器和计算机组成，探测器由多个机械式探测头和机架组成，机架将所有探测头刚性地连成一体，每一个探测头包括支座，回转体和臂式探针，回转体内安装有角度传感器，角度传感器的外圈能随回转体自由旋转，臂式探针固定于回转体上；旋转的角度传感器输出模拟电压信号，模拟电压信号经控制器变为数字信号后，与计算机进行通信，通过计算机中的数据采集软件和微地形重构软件实现数据采集、地形重构和作业控制。

2.根据权利要求1所述的探测仪，其特征在于：所述的角度传感器输出接口采用RS-485接口，计算机的串行通信口为RS-232C接口，在角度传感器输出接口与计算机的串行通信口之间，采用有源串口转换器MWE485-D进行RS485/RS232C电平转换。

3.根据权利要求1所述的探测仪，其特征在于：所述的角位变送器的通信协议如下：

1)讯号形式

波特率：19200       起始位：1位(0)

数据位：7位         停止位：1位

校验方式：偶校验    编码标准：AscII码

2)输入读数指令共4位：第1位为字符“R”，第2、3位为模块地址即其编号，第4位为回车符“CR”；

3)角位输出资料格式：

变送器输出的角位数据资料格式共15位，1位为开始位STX；2、3位为变送器模块编号；4位为状态位；5位为角位数据的符号；6~15位为角位数据；

4)软件清零指令共9位，第1、2、3位分别为字符“C”、“L”和“R”，第4、5位为模块地址即其编号，第6位为字符“*”，第7、8位为模块地址即其编号，第9位为结束位CR。

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