專利名稱：一種機械式微地形探測儀的制作方法
專利說明一種機械式微地形探測儀 本發(fā)明涉及一種基于機電一體化的用于微地形探測的探測儀。地形重構可視化實際應用越來越廣泛。目前主要用于兩種情況一是根據(jù)地學圖形數(shù)據(jù)的精確描述來進行真實地形的仿真重構，如根據(jù)地形特征參數(shù)生成地形，這些特征參數(shù)包括高程、最大/最小高程及其位置、高程標準差、相關長度、地形粗糙度等。這種地形的生成通常是在給定一定的地形特征或地形參數(shù)條件下，通過模擬符合地形的統(tǒng)計特征的隨機過程，即用計算機自動產(chǎn)生符合要求的真實的三維地形；二是模擬自然場景中的地形，常用于具有真實自然視覺效果的虛擬環(huán)境中，這種方法不需要針對某個特定地區(qū)的地形來進行仿真，而是希望可以靈活地生成不同特征的地形以滿足不同的需求或者是為保證整個虛擬環(huán)境的真實感，因此，這種方法評價的唯一標準是視覺上的接受能力。
工程上應用通常采用第一種方法。目前，常用的地形生成方法大致可分為(1)利用曲面來生成三維地形；(2)利用分形技術生成三維地形；(3)利用遙感技術生成三維地形。為了能精確對局部地形進行精確的描述，繪制逼真的三維地形圖，計算表面積和土石方，為陸地或水下(含海底)局部地形測量或在該地形上作業(yè)的設備或機械控制提供依據(jù)，本發(fā)明提供一種機械式微地形探測儀。
本發(fā)明通過機械的方法探測微地形表面高程數(shù)據(jù)(DEM)及地形特征參數(shù)，利用分形技術生成三維地形，實現(xiàn)地形重構。
本發(fā)明的機械式微地形探測儀，由探測器、控制器和計算機組成，探測器由多個機械式探測頭和機架組成，機架將所有探測頭剛性地連成一體，機架固定于行走車架上，每一個探測頭包括支座，回轉體和臂式探針，回轉體內(nèi)安裝有角度傳感器，角度傳感器的外圈能隨回轉體自由旋轉，臂式探針固定于回轉體上。當行走車架行走并帶動臂式探針在地形表而滑動時，回轉體會隨著地貌高低起伏而回旋，進而帶動角度傳感器旋轉。旋轉的角度傳感器輸出模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)控制器變?yōu)閿?shù)字信號后，與計算機進行通信，通過計算機中的數(shù)據(jù)采集軟件和微地形重構軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、地形重構和作業(yè)控制。
探測頭的數(shù)量可根據(jù)探測地形面積大小和精度要求、自行增加或減少。
角度傳感器輸出的模擬電壓信號通過角度變送器轉換為數(shù)字信號。角度傳感器輸出接口采用RS-485接口，計算機的串行通信口為RS-232C接口，在角度傳感器輸出接口與計算機的串行通信口之間，采用有源串口轉換器MWE485-D進行RS485/RS232C電平轉換，它將RS-232C串行口的數(shù)據(jù)發(fā)送(TD)和數(shù)據(jù)接收(RD)信號轉換成兩線平衡的半雙工RS-485信號，在發(fā)送數(shù)據(jù)時不需要RTS使能控制，能夠滿足遠距離控制設備或點到多點總線通信的要求。外接+5V直流電源，穩(wěn)定性較高。另外它還具有完善的浪涌保護。
經(jīng)過轉換的角位變送器的輸出連接到工控機的串行通信接口上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
為實現(xiàn)標準串行通信，本發(fā)明角位變送器的通信協(xié)議如下1.訊號形式波特率19200起始位1位(0)數(shù)據(jù)位7位 停止位1位校驗方式偶校驗 編碼標準AscII碼2.傳送方式為指令式，即由上位機發(fā)送讀數(shù)指令，變送器只有在收到上位機的讀書指令后才有輸出。
輸入讀數(shù)指令格式為第1位為字符“R”，第2、3位為模塊地址即其編號，第4位為回車符“CR”(＝ODH)3.角位輸出資料格式變送器輸出的角位數(shù)據(jù)資料格式為變送器輸出的角位數(shù)據(jù)資料格式共15位，1位為開始位STX；2、3位為變送器模塊編號；4位為狀態(tài)位；5位為角位數(shù)據(jù)的符號；6~15位為角位數(shù)據(jù)；4.軟件清零指令格式該變送器可由遠程上位機發(fā)送清零指令對模塊當前測量角位進行清零。
軟件清零指令共9位，第1、2、3位分別為字符“C”、“L”和“R”，第4、5位為模塊地址即其編號，第6位為字符“*”，第7、8位為模塊地址即其編號，第9位為結束位CR(＝ODH)。
根據(jù)上述通信協(xié)議，本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集軟件采用了VB 6.0編寫。
通過上述的數(shù)據(jù)采集和處理，建立了探測儀掃過地形的地理信息系統(tǒng)及其作為地理空間第三維坐標的高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格(DEM)，并按一定的規(guī)則存儲于計算機中。運用計算機軟件實現(xiàn)地形可視化重構。
上述分形方法構造的地形精確度很高，但運用中運算時間較長，為提高響應速度，本發(fā)明亦可選擇AVS/Express作為地形重構軟件開發(fā)平臺。以充分展示微地形探測和重構中海量數(shù)據(jù)的處理和三維可視化方面巨大的優(yōu)勢。能滿足一般工程要求。
由于探測儀及其軟件已將所測地形全部數(shù)字化和可視化，能快捷地計算全部所測地形或它的任意部位的幾何量(表面積，體積等)及它們的特征值。從而可根據(jù)要求，對其上作業(yè)的機械或設備進行控制和有關幾何量計算。例如，若地表面為礦物，系統(tǒng)可控制采礦頭以最佳的切削深度采集礦物；若機械或設備在崎嶇的地形上作業(yè)，系統(tǒng)能實時顯示機器所處位置的地形狀況，實現(xiàn)機器的姿位控制；若是地形測量，系統(tǒng)可顯示全部和任意局部地形的三維圖形及其特征值；若是在所測地形上進行土石方工程，系統(tǒng)可以事先計算其表面積和石方量、實現(xiàn)精確工程預算，也可事后其計算表面積和石方量、達到工程驗算或結算的目的等等。
由于其探測頭直接與地面接觸，它較遙感等非接觸式探測儀準確性好，精度高(厘米級)。另外，本探測儀能在水下工作，因而非常適合于水下或陸地的微地形探測。該探測儀主要由探測器、數(shù)據(jù)采集及處理、微地形重構和作業(yè)控制四個部分組成。該探測儀具備地形探測與數(shù)字化重構、表面積和土石方等幾何量計算、地形挖掘或加工控制等功能。

圖1本發(fā)明結構示意圖；圖2機械式探測器組裝圖；圖3探測頭剖面圖；圖4輸入讀數(shù)指令格式；
圖5角位輸出資料格式；圖6軟件清零指令格式；圖7本發(fā)明數(shù)據(jù)采集程序流程示意圖；圖8微地形重構的流程示意圖。
下面根據(jù)附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明的機械式微地形探測儀，由探測器2、控制器3和計算機4組成，探測器由多個機械式探測頭和機架組成，機架將所有探測頭剛性地連成一體，機架固定于行走車架5上，每一個探測頭包括支座6，回轉體7和臂式探針8，回轉體內(nèi)安裝有角度傳感器，角度傳感器的外圈能隨回轉體自由旋轉，臂式探針固定于回轉體上。當行走車架行走并帶動臂式探針在地形1表面滑動時，回轉體會隨著地貌高低起伏而回旋，進而帶動角度傳感器旋轉。旋轉的角度傳感器輸出模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)控制器變?yōu)閿?shù)字信號后，與計算機進行通信，通過計算機中的數(shù)據(jù)采集軟件和微地形重構軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、地形重構和作業(yè)控制。
本發(fā)明已成功應用于深海鈷結殼采集模型機上。實現(xiàn)了水下微地形探測和地形的可視化重構，達到了根據(jù)崎嶇地形特征控制破碎頭切削深度的技術要求。
權利要求
1.一種機械式微地形探測儀，其特征在于由探測器、控制器和計算機組成，探測器由多個機械式探測頭和機架組成，機架將所有探測頭剛性地連成一體，每一個探測頭包括支座，回轉體和臂式探針，回轉體內(nèi)安裝有角度傳感器，角度傳感器的外圈能隨回轉體自由旋轉，臂式探針固定于回轉體上；旋轉的角度傳感器輸出模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)控制器變?yōu)閿?shù)字信號后，與計算機進行通信，通過計算機中的數(shù)據(jù)采集軟件和微地形重構軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、地形重構和作業(yè)控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的探測儀，其特征在于所述的角度傳感器輸出接口采用RS-485接口，計算機的串行通信口為RS-232C接口，在角度傳感器輸出接口與計算機的串行通信口之間，采用有源串口轉換器MWE485-D進行RS485/RS232C電平轉換。
3.根據(jù)權利要求1所述的探測儀，其特征在于所述的角位變送器的通信協(xié)議如下1)訊號形式波特率19200 起始位1位(0)數(shù)據(jù)位7位 停止位1位校驗方式偶校驗編碼標準AscII碼2)輸入讀數(shù)指令共4位第1位為字符“R”，第2、3位為模塊地址即其編號，第4位為回車符“CR”；3)角位輸出資料格式變送器輸出的角位數(shù)據(jù)資料格式共15位，1位為開始位STX；2、3位為變送器模塊編號；4位為狀態(tài)位；5位為角位數(shù)據(jù)的符號；6~15位為角位數(shù)據(jù)；4)軟件清零指令共9位，第1、2、3位分別為字符“C”、“L”和“R”，第4、5位為模塊地址即其編號，第6位為字符“*”，第7、8位為模塊地址即其編號，第9位為結束位CR。
全文摘要
一種機械式微地形探測儀，本發(fā)明由探測器、控制器和計算機組成，探測器由多個機械式探測頭和機架組成，機架將所有探測頭剛性地連成一體，每一個探測頭包括支座，回轉體和臂式探針，回轉體內(nèi)安裝有角度傳感器，角度傳感器的外圈能隨回轉體自由旋轉，臂式探針固定于回轉體上，旋轉的角度傳感器輸出模擬電壓信號，模擬電壓信號經(jīng)控制器變?yōu)閿?shù)字信號后，與計算機進行通信，通過計算機中的數(shù)據(jù)采集軟件和微地形重構軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、地形重構和作業(yè)控制。由于探測頭直接與地面接觸，同遙感等非接觸式探測儀相比，本發(fā)明準確性好，精度高。
文檔編號G01B21/00GK1959342SQ20051003232
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權日2005年11月1日
發(fā)明者卜英勇, 任鳳月, 聶毅敏, 劉光華, 羅柏文 申請人:中南大學