CN216144954U - 一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，该装置包括滑轨模块，控制器模块以及激光测距模块三个部分。滑轨模块由两条X轴向滑轨，一条Y轴向滑轨两两垂直连接而成，两条X轴向滑轨彼此平行，其间连接杆与联轴器实现联动。其动力由步进电机提供。激光测距仪固定在安装于Y轴向滑轨的滑块上，按程序指引实现二维地形扫描。控制器模块由西门子SMART‑200，0‑24V电池和步进电机控制器组成，共同固定在控制箱中，并根据上位机发送的指令分别控制激光测距仪和步进电机控制器工作与实现数据的返回。本实用新型能够动态监测螃蟹等生物扰动形成的微地形变化，便于用户获取地形数据进行建模，并且操作方便、结构简单、测量精度高，具有很高的扩展性。

Description

一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置

技术领域

本实用新型涉及微地形测绘技术领域，特别是涉及一种用于监测生物扰动微地形的激光扫描装置。

背景技术

滨海湿地处于陆地和海洋生态系统的交错过渡带，在全球生态系统中起到关键作用，以螃蟹为代表的底栖动物是滨海湿地系统的一个重要组成部分，被称为“生态系统工程师”。生物扰动的再加工作用促使深层的沉积物被运输到表层，形成了高低起伏的微地貌特征，对潮滩的物质运移产生很大的影响。因此，在微地貌演变研究领域中，考虑生物扰动因素的影响十分迫切，尤其是量化生物扰动后的微地形变化。微地形变化量可以很好地反应生物扰动强度，也是潮滩地貌演变过程模拟与预测研究中的重要参数。目前，国内已有的地形扫描方式大多适用于大尺度空间范围，例如遥感成像建立数字地面模型、无人机激光雷达扫描等，其测量分辨率一般为米级或亚米级，难以达到上述应用所要求的分辨率。现在实验中常用的测距方法有手持激光测距或定点激光测距，其效率较低且均无法稳定连续地获取地形数据。激光扫描测量技术具有毫米级的精度，以毫米栅格自动精确地测定地表微地貌，可以实现在微小尺度上快速准确的测量地表高程，大大地提高效率，能够满足关于研究生物扰动所需的地形数据和研究的要求。然而，针对生物扰动作用下的微地形研究，尚未开发出可以实现自动测量的高精度激光扫描装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是为生物扰动后的微地形提供一种结构简单、操作方便、高效精准的微地形实时激光扫描装置，以解决当前微地形研究中操作繁琐、数据不连续、不精确且无法自动读取与储存等问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，包括试验箱体，该试验箱体内填充有滨海湿地泥沙以及螃蟹；试验箱体上部开口，开口处设有两条相互平行的X 轴向滑轨，两条X轴向滑轨之间设有Y轴向滑轨，Y轴向滑轨垂直于X轴向滑轨；

X轴向滑轨的两端具有链轮，绕两链轮绕有坦克链，X轴向滑轨的端部设有连接链轮的一个伺服电机；

坦克链上安装有十字连接片，十字连接片上设有XY转接角，Y轴向滑轨(1) 固定安装于两个XY转接角上；

Y轴向滑轨端部也设有一个伺服电机，伺服电机的动力输出端具有丝杠，该丝杠平行于Y轴向滑轨，该丝杠上设有滑块，滑块嵌于Y轴向滑轨活动，滑块内至螺纹孔，丝杠贯穿且啮合于螺纹孔，所述滑块上安装有红外激光测距。

作为更进一步的优选方案，两条X轴向滑轨端部的链轮上设有连接杆，两根连接杆之间具有联轴器。

作为更进一步的优选方案，所述X轴向滑轨的两端以及Y轴向滑轨的两端分别设有限位开关。

作为更进一步的优选方案，所述X轴向滑轨与试验箱体之间设有地脚。

作为更进一步的优选方案，所述扫描装置还包括控制箱本体，控制箱本体内置两条T型导轨，T型导轨上连续分布有钻孔，钻孔上安装有西门子SMART-200、 0-24V电池、电机控制器。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

1.本实用新型采用滑轨作为激光测距仪的载体，能够连续精准的获取地形数据；

2.本实用新型以电脑为上位机，西门子SMART-200为下位机，同时实现控制步进电机运动、实时数据的监测和自动接收存储测距仪返回的数据信息；

3.本实用新型所采用的核心装置抗干扰能力比较强,也比较耐用,维护率,损坏率比较低；

4.本实用新型只需使用者通过电脑端操作，方便快捷，实用性强。

5.本实用新型结构简单、成本低、测量精度高。并且采用可拆卸式设计，可自行组装增加有效测量区间，方便携带和野外测量。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置的安装滑轨正面结构示意图；

图2是本实用新型提出的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置的控制箱俯视图；

图3是本实用新型提出的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置的控制箱外围正面图；

图4是本实用新型提出的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置的控制箱外围背面图；

图5是本实用新型提出的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置的整体侧视图；

图中：1.Y轴向滑轨、2.X轴向滑轨、3.连接杆、4.联轴器、5.十字连接片、 6.XY转接角、7.伺服电机、8.伺服电机连接座、9.坦克链、10.限位开关、11.滑块、12.红外激光测距、13.地脚、14.控制箱本体、15.凹槽、16.T型导轨、17.钻孔、18.西门子SMART-200、19.0-24V电池、20.电机控制器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本装置是一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，包括西门子 SMART-200控制器模块，滑轨模块以及红外激光测距模块三个部分。

参照图1，滑轨模块主体包括Y轴向滑轨1和两条X轴向滑轨2，两条X 轴向滑轨2由连接杆3和联轴器4连接，Y轴向滑轨1和两条X轴向滑轨2由十字连接片5和XY转接角6连接，Y轴向滑轨1为500mm行程线性导轨，X 轴向滑轨2为800mm行程线性导轨作。两个伺服电机7由伺服电机连接座8分别连接在Y轴向滑轨1和两条X轴向滑轨2，用以驱动滑轨运行。导轨上部配备坦克链9，两侧安装有限位开关10来限制导轨运动的位置与行程、自动停止与反向运动等。Y轴向滑轨1上安装有滑块11，用于承载红外激光测距12。装置下部由4个地脚13进行稳定与固定。

红外激光测距模块由红外激光测距仪以及电源组成，红外激光测距仪L2S 是一款工业级高速测量的中远距离激光测距传感器，精度为±1.5mm+D*0.5‰，量程为80m，通过Modbus RTU协议与西门子SMART-200通信，完成数据的采集与返回。

参照图2，一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置的西门子SMART-200 控制器模块，包括控制箱本体14。控制箱本体的底部四边设置有宽度相等，内部中空的四条凹槽15，控制箱本体底部中间设置有两条T型导轨16，用于固定西门子SMART-20018，0-24V电池19以及电机控制器20。

装置分为滑轨模块，西门子SMART-200控制器模块以及激光测距模块三个部分。滑轨模块由两条X轴向滑轨，一条Y轴向滑轨两两垂直连接而成，两条 X轴向滑轨彼此平行，其间连接杆与联轴器实现联动。其动力由步进电机提供。激光测距仪固定在安装于Y轴向滑轨的滑块上，按程序指引实现二维地形扫描。西门子SMART-200控制器模块由西门子SMART-200，0-24V电池和步进电机控制器组成，共同固定在控制箱中，西门子SMART-200根据上位机发送的指令分别控制激光测距仪和步进电机控制器工作，并实现数据的返回。

所述的“两条X轴向滑轨，一条Y轴向滑轨”，两条X轴向滑轨中一条为主动轴，由步进电机直接控制运动。另一条为从动轴，由连接杆与联轴器实现与主动轴的联动。一条Y轴向滑轨由步进电机直接控制运动。Y轴向滑轨和X轴向滑轨之间由XY转接脚连接，通过坦克链实现平滑移动。

所述的“步进电机”，选用三洋步进电机103H7126-2542，电机规格 57*57*76mm，轴径6.3mm，长度16mm，电流3.1A，步进角1.8°，在步进电机控制器脉冲控制下转动。

所述的“激光测距仪”，型号为L2激光测距传感器，其具有精度高，探测距离长，测量速率快等优点。测距仪本身体积较小，仅76*60*21mm，且易操控，信噪比高，抗干扰能力强。

所述的“西门子SMART-200”，模块本体集成1个以太网接口和1个RS485 接口，通过扩展CM01信号板或者EMDP01模块，其通信端口数量最多可增至4 个，可满足小型自动化设备与触摸屏、变频器及其它第三方设备进行通信的需求。此专利利用西门子SMART-200的运动控制功能，网络通信功能，软件编程功能这三个特点实现对装置的高效控制。

所述的“控制箱”，箱底固定有西门子SMART-200，0-24V电池和步进电机控制器，连接线放置于箱底凹槽中。箱体两侧开孔用于接线，包括步进电机控制线、限位开关控制线、激光测距仪控制线、电脑连接线及电源开关线等，满足供电和数据传输的要求。

本装置的具体实施操作过程如下：

首先要先将控制箱上的所有接头和电源接头插好，用网线将上位机与西门子SMART-200连接，确保连接完成后将控制箱通电，此时可打开电脑，点击电脑桌面上的【MCGS运行环境】图标，系统将会打开控制界面。在上位机中设置相关参数，参数包括X轴速度设定、X轴间隔设定、Y轴速度设定、相对高度值、扫描开始值。

上位机发送指令到西门子SMART-200，西门子SMART-200向激光测距仪发送主机请求，包括地址码、功能码、寄存器起始地址、寄存器数量、CRC，此时激光测距仪正常应答，则会向西门子返回地址码功能码、字节数、寄存器1值、寄存器2值、CRC，寄存器1值、寄存器2值为十六进制的四个字节，转换为十进制就得到了正确的测量距离，单位为mm。同时，西门子SMART-200发送指令到步进电机控制器，指令包括系统归零、移动到扫描开始位置、输入行进路程、系统扫描开始，系统扫描停止等，继而由步进电机控制器控制步进电机进而带动滑轨运动。

激光测距仪将实时测量得到的数据通过西门子SMART-200返回给上位机， MCGS系统会自动储存，用户可根据需要进行数据的导出与保存。

激光测距仪按程序指引实现二维地形扫描。西门子SMART-200控制器模块由西门子SMART-200，0-24V电池和步进电机控制器组成，共同固定在控制箱中，西门子SMART-200根据上位机发送的指令分别控制激光测距仪和步进电机控制器工作，并实现数据的返回。可以动态监测螃蟹等生物的栖居地微地形变化，并可将所测量的数据选择性整理并反馈。红外测距仪固定在滑块上，按照程序指令连续稳定测量地形数据。西门子SMART-200接收来自上位机的命令并将其传递给激光测距仪与步进电机控制器，测距仪获取数据后返回给西门子 SMART-200，并最终传递给上位机，方便用户的操作。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，其特征在于：包括试验箱体，该试验箱体内填充有滨海湿地泥沙以及螃蟹；试验箱体上部开口，开口处设有两条相互平行的X轴向滑轨(2)，两条X轴向滑轨(2)之间设有Y轴向滑轨(1)，Y轴向滑轨(1)垂直于X轴向滑轨(2)；

X轴向滑轨(2)的两端具有链轮，绕两链轮绕有坦克链(9)，X轴向滑轨(2)的端部设有连接链轮的一个伺服电机(7)；

坦克链(9)上安装有十字连接片(5)，十字连接片(5)上设有XY转接角(6)，Y轴向滑轨(1)固定安装于两个XY转接角(6)上；

Y轴向滑轨(1)端部也设有一个伺服电机(7)，伺服电机(7)的动力输出端具有丝杠，该丝杠平行于Y轴向滑轨(1)，该丝杠上设有滑块(11)，滑块(11)嵌于Y轴向滑轨(1)活动，滑块(11)内至螺纹孔，丝杠贯穿且啮合于螺纹孔，所述滑块(11)上安装有红外激光测距(12)；

所述扫描装置还包括控制箱本体(14)，控制箱本体(14)内置两条T型导轨(16)，T型导轨(16)上连续分布有钻孔(17)，钻孔(17)上安装有西门子SMART-200(18)、0-24V电池(19)、电机控制器(20)。

2.根据权利要求1所述的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，其特征在于：两条X轴向滑轨(2)端部的链轮上设有连接杆(3)，两根连接杆之间具有联轴器(4)。

3.根据权利要求1所述的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，其特征在于：所述X轴向滑轨(2)的两端以及Y轴向滑轨(1)的两端分别设有限位开关(10)。

4.根据权利要求1所述的一种测量生物扰动微地形的激光扫描装置，其特征在于：所述X轴向滑轨(2)与试验箱体之间设有地脚(13)。

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