本發(fā)明涉及成像領(lǐng)域，具體是涉及一種超聲波三維成像裝置。

背景技術(shù)：

根據(jù)現(xiàn)有的成像技術(shù)，成像設(shè)備有光學(xué)成像和聲學(xué)成像兩種。光學(xué)成像系統(tǒng)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用，但光學(xué)成像對(duì)目標(biāo)所處的環(huán)境依賴較大，在一些不具備光學(xué)成像條件的情況下，比如無(wú)法滿足光照的條件下，比如當(dāng)水下光照度低或夜晚時(shí)，水下目標(biāo)的成像效果變差，甚至不能成像。即使利用外部補(bǔ)充光源方法試圖解決這一問題，但由于光在水中的衰減很大，因此也只在近距離內(nèi)的成像效果較好，當(dāng)?shù)竭_(dá)光照度低的距離范圍，成像質(zhì)量又變差，致使目標(biāo)形狀測(cè)量誤差較大，甚至無(wú)法測(cè)量。所以利用聲學(xué)技術(shù)替代光學(xué)進(jìn)行形狀辨識(shí)和信息傳遞就成為了一種潛在技術(shù)需求。

現(xiàn)有的三維成像技術(shù)主要有激光掃描和雙目視覺。李托拓等人(胡鋒,耿征,基于結(jié)構(gòu)光的三維成像技術(shù)[j],網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù),2012(1):22-33)指出激光掃描法可以得到很好的三維成像精度，但成本較高，成像速度較慢，且對(duì)人眼容易造成傷害。而雙目視覺系統(tǒng)運(yùn)算量大，成像也較緩慢，并且對(duì)于紋理特征不明顯的場(chǎng)景不能得到較滿意的結(jié)果，圖像處理也很復(fù)雜。

超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，具有方向性好，穿透力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。超聲波在氣體或液體中均能傳播，在傳播過程中能量消耗很低，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像。超聲三維成像方法可以完成水下成像，超聲波對(duì)人的眼睛、耳朵均不會(huì)造成傷害，且計(jì)算處理簡(jiǎn)單，成本低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種超聲波三維成像裝置。該裝置發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)被測(cè)量面返回，利用回波定位原理通過單片機(jī)計(jì)算超聲波發(fā)射與返回所用時(shí)間，即得到目標(biāo)物體表面的坐標(biāo)信息，將坐標(biāo)信息傳送至上位機(jī)，獲得目標(biāo)物體三維圖像。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案：提供一種超聲波三維成像裝置，其特征在于該裝置包括置物圓盤、墊塊、超聲收發(fā)傳感器組、傳感器固定板、絲杠導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、底座、基準(zhǔn)擋板、固定架、控制模塊和上位機(jī)；

所述置物圓盤通過墊塊固定在底座上；所述超聲收發(fā)傳感器組為三組，分別為x方向超聲收發(fā)傳感器組、y方向超聲收發(fā)傳感器組和z方向超聲收發(fā)傳感器組；所述每組超聲收發(fā)傳感器組均安裝在一個(gè)傳感器固定板上；每個(gè)傳感器固定板與一個(gè)絲杠導(dǎo)軌的絲杠配合傳動(dòng)，同時(shí)通過滑塊與同一個(gè)絲杠導(dǎo)軌的導(dǎo)軌配合傳動(dòng)；所述絲杠導(dǎo)軌為三個(gè)，分別是第一絲杠導(dǎo)軌、第二絲杠導(dǎo)軌和第三絲杠導(dǎo)軌；所述步進(jìn)電機(jī)為三個(gè)，分別是第一步進(jìn)電機(jī)、第二步進(jìn)電機(jī)和第三步進(jìn)電機(jī)；所述第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)均固定在底座上；所述第三步進(jìn)電機(jī)固定在固定架上；所述第一絲杠導(dǎo)軌和第二絲杠導(dǎo)軌的導(dǎo)軌均固定在底座上，第一絲杠導(dǎo)軌和第二絲杠導(dǎo)軌的絲杠通過聯(lián)軸器分別與第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的輸出端連接；所述第三絲杠導(dǎo)軌的導(dǎo)軌固定在固定架的一端，固定架的另一端固定在底座上；所述第三絲杠導(dǎo)軌的絲杠通過聯(lián)軸器分別與第三步進(jìn)電機(jī)的輸出端連接；所述基準(zhǔn)擋板為兩個(gè)，均固定在底座上，分別位于x方向超聲收發(fā)傳感器組和y方向超聲收發(fā)傳感器組的正對(duì)面；所述z方向超聲收發(fā)傳感器組與底座正對(duì)；所述控制模塊固定于底座；所述控制模塊與上位機(jī)連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

1)相對(duì)于紅外線技術(shù)，超聲形狀成像技術(shù)易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、非接觸檢測(cè)技術(shù)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境(如含粉塵)具有一定的適應(yīng)能力，具有超聲波獨(dú)特的能力。

2)與現(xiàn)有超聲成像技術(shù)以液體為介質(zhì)不同，本成像裝置以空氣為介質(zhì)，同時(shí)克服了空氣干擾較多的問題，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，使用條件更加便利，節(jié)約了成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的三維成像。本成像裝置也同樣可以完成水下成像。

3)相對(duì)于已有的三維成像技術(shù)，本成像裝置算法簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格便宜，不會(huì)受到電磁波和溫度等因素的影響，成像快速穩(wěn)定且對(duì)人體無(wú)害。

4)利用測(cè)距技術(shù)獲得目標(biāo)物體坐標(biāo)信息，紅外線同樣也能測(cè)距，但是其非線性較嚴(yán)重，而且測(cè)量范圍小。

5)本成像裝置也可以用于對(duì)動(dòng)態(tài)物體的成像。

附圖說明

圖1本發(fā)明超聲波三維成像裝置一種實(shí)施例的去掉基準(zhǔn)擋板后的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明超聲波三維成像裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明超聲波三維成像裝置一種實(shí)施例的控制模塊結(jié)構(gòu)框圖；(圖中：1、置物圓盤；2、墊塊；3、超聲收發(fā)傳感器；4、傳感器固定板；5、絲杠導(dǎo)軌；6、步進(jìn)電機(jī)；7、聯(lián)軸器；8、底座；9、基準(zhǔn)擋板；10、固定架；11、控制模塊；12、上位機(jī))

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，不限制本申請(qǐng)權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種超聲波三維成像裝置(參見圖1-2，簡(jiǎn)稱裝置)，其特征在于該裝置包括置物圓盤1、墊塊2、超聲收發(fā)傳感器組3、傳感器固定板4、絲杠導(dǎo)軌5、步進(jìn)電機(jī)6、聯(lián)軸器7、底座8、基準(zhǔn)擋板9、固定架10、控制模塊11和上位機(jī)12；

所述置物圓盤1通過墊塊2固定在底座8上，置物圓盤1是具有一定厚度的能承受一定重量的材質(zhì)，用于放置目標(biāo)物體；所述超聲收發(fā)傳感器組3為三組，分別為x方向超聲收發(fā)傳感器組31、y方向超聲收發(fā)傳感器組32和z方向超聲收發(fā)傳感器組33；所述每組超聲收發(fā)傳感器組3均安裝在一個(gè)傳感器固定板4上；每個(gè)傳感器固定板4通過螺母與一個(gè)絲杠導(dǎo)軌5的絲杠配合傳動(dòng)，同時(shí)通過滑塊與同一個(gè)絲杠導(dǎo)軌5的導(dǎo)軌配合傳動(dòng)；所述絲杠導(dǎo)軌5為三個(gè)，分別是第一絲杠導(dǎo)軌51、第二絲杠導(dǎo)軌52和第三絲杠導(dǎo)軌53；所述步進(jìn)電機(jī)6為三個(gè)，分別是第一步進(jìn)電機(jī)61、第二步進(jìn)電機(jī)62和第三步進(jìn)電機(jī)63；所述第一步進(jìn)電機(jī)61和第二步進(jìn)電機(jī)62均固定在底座8上；所述第三步進(jìn)電機(jī)63固定在固定架10上；所述第一絲杠導(dǎo)軌51和第二絲杠導(dǎo)軌52的導(dǎo)軌均固定在底座8上，第一絲杠導(dǎo)軌51和第二絲杠導(dǎo)軌52的絲杠通過聯(lián)軸器7分別與第一步進(jìn)電機(jī)61和第二步進(jìn)電機(jī)62的輸出端連接；所述第三絲杠導(dǎo)軌53的導(dǎo)軌固定在固定架10的一端，固定架10的另一端固定在底座8上；所述第三絲杠導(dǎo)軌53的絲杠通過聯(lián)軸器7分別與第三步進(jìn)電機(jī)63的輸出端連接；步進(jìn)電機(jī)6帶動(dòng)傳感器固定板4，實(shí)現(xiàn)傳感器固定板4的上下移動(dòng)；所述基準(zhǔn)擋板9為兩個(gè)，均固定在底座8上，分別位于x方向超聲收發(fā)傳感器組31和y方向超聲收發(fā)傳感器組32的正對(duì)面，用于測(cè)量目標(biāo)物體在x方向和y方向上的投影，即為了得到目標(biāo)物體的后視圖和左視圖；所述z方向超聲收發(fā)傳感器組33與底座8正對(duì)，用于測(cè)量目標(biāo)物體在z方向上的投影，即為了得到目標(biāo)物體的俯視圖；所述控制模塊11固定于底座8；所述控制模塊11與上位機(jī)12連接。

所述控制模塊11包括直流電源111、電壓轉(zhuǎn)換芯片112、單片機(jī)113、外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114、第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器115、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器116、第三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器117和獨(dú)立按鍵118；所述直流電源111通過電壓轉(zhuǎn)換芯片112與單片機(jī)113連接，將24v直流電壓轉(zhuǎn)換成5v給單片機(jī)113供電；所述直流電源111分別與第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器115、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器116和第三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器117連接，提供24v直流電源；所述單片機(jī)113分別與外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114、第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器115、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器116、第三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器117和獨(dú)立按鍵118連接；所述外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)；所述獨(dú)立按鍵118用于控制裝置啟停，并且可以通過按鍵選擇測(cè)量精度；所述單片機(jī)113的輸出端與上位機(jī)12連接；所述單片機(jī)113的i/o接口與超聲收發(fā)傳感器組3中的超聲收發(fā)傳感器連接；所述第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器115與第一步進(jìn)電機(jī)61連接；第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器116與第二步進(jìn)電機(jī)62連接；第三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器117與第三步進(jìn)電機(jī)63連接。

每組超聲收發(fā)傳感器組3包括八個(gè)超聲收發(fā)傳感器，均勻地安裝在傳感器固定板4上，相鄰兩個(gè)超聲收發(fā)傳感器之間間隔0.12cm；超聲收發(fā)傳感器的型號(hào)為risym公司的16mm超聲波防水型傳感器收發(fā)一體化測(cè)距探頭，頻率為40.0±1.0khz，可檢測(cè)距離在0.3m到3.5m之間，方向性為45deg。由于傳感器的盲區(qū)為0.35m，且方向角為45度，由勾股定理求出0.12m；

所述上位機(jī)12是計(jì)算機(jī)；所述直流電源111為24v直流電源；所述電壓轉(zhuǎn)換芯片112為lm2576芯片；所述單片機(jī)113為stc89c52型號(hào)單片機(jī)；所述外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114為at24c02芯片；第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器115、第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器116和第三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器117型號(hào)均為tb6600。

所述控制模塊11外部設(shè)置有保護(hù)罩，保護(hù)罩的材質(zhì)為防水堅(jiān)固的非金屬材料，例如玻璃板。

本發(fā)明超聲波三維成像裝置的工作原理和工作流程是：

工作原理：三維超聲成像技術(shù)是將某一立體形狀的三維分別投影，通過計(jì)算機(jī)處理后得到一個(gè)重建的立體圖形。當(dāng)超聲波沒有遇到目標(biāo)物體時(shí)，將通過擋板反射，此距離是已知的；當(dāng)超聲波遇到目標(biāo)物體時(shí)，反射的距離將會(huì)改變，或者遇到斜面超聲收發(fā)傳感器將無(wú)法接收到超聲波。因此通過計(jì)算超聲波發(fā)射返回的時(shí)間確定每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的擋板前是否有目標(biāo)物體，從而確定目標(biāo)物體在擋板上的投影。

工作流程是：首先測(cè)量x方向，單片機(jī)113控制x方向超聲收發(fā)傳感器組31的8個(gè)從左至右超聲收發(fā)傳感器依次發(fā)射并接收超聲波，與此同時(shí)，每測(cè)得一個(gè)數(shù)據(jù)，都要從單片機(jī)113傳輸給外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114進(jìn)行儲(chǔ)存，防止系統(tǒng)突然掉電或發(fā)生其他意外情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。單片機(jī)113通過計(jì)算超聲波的返回時(shí)間確定本層目標(biāo)物體的輪廓。當(dāng)本層掃描結(jié)束后，傳感器固定板4在第一步進(jìn)電機(jī)61帶動(dòng)下，經(jīng)過第一絲杠導(dǎo)軌51傳動(dòng)，向上移動(dòng)一個(gè)距離(此距離為步進(jìn)電機(jī)最小步距角的整倍數(shù)，可以通過獨(dú)立按鍵118進(jìn)行選擇)，繼續(xù)測(cè)量目標(biāo)物體上一層的數(shù)據(jù)，直至整個(gè)面掃描完成。由此得到目標(biāo)物體在xz面的投影，即目標(biāo)物體的左視圖。

左視圖測(cè)量完畢后，單片機(jī)113控制y方向超聲收發(fā)傳感器組32的8個(gè)從左至右超聲收發(fā)傳感器依次發(fā)射并接收超聲波，與此同時(shí)，每測(cè)得一個(gè)數(shù)據(jù)，都要從單片機(jī)113傳輸給外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114進(jìn)行儲(chǔ)存，防止系統(tǒng)突然掉電或發(fā)生其他意外情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。單片機(jī)113通過計(jì)算超聲波的返回時(shí)間確定本層目標(biāo)物體的輪廓。當(dāng)本層掃描結(jié)束后，傳感器固定板4在第二步進(jìn)電機(jī)62帶動(dòng)下，經(jīng)過第二絲杠導(dǎo)軌52傳動(dòng)，向上移動(dòng)一個(gè)距離(此距離為步進(jìn)電機(jī)最小步距角的整倍數(shù)，可以通過獨(dú)立按鍵118進(jìn)行選擇)，繼續(xù)測(cè)目標(biāo)物體上一層的數(shù)據(jù)，直至整個(gè)面掃描完成。由此得到目標(biāo)物體在yz面的投影，即目標(biāo)物體的后視圖。

后視圖測(cè)量完畢后，單片機(jī)113控制z方向超聲收發(fā)傳感器組33的8個(gè)從左至右超聲收發(fā)傳感器依次發(fā)射并接收超聲波，與此同時(shí)，每測(cè)得一個(gè)數(shù)據(jù)，都要從單片機(jī)113傳輸給外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片114進(jìn)行儲(chǔ)存，防止系統(tǒng)突然掉電或發(fā)生其他意外情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。單片機(jī)113通過計(jì)算超聲波的返回時(shí)間確定本層目標(biāo)物體的輪廓。當(dāng)本層掃描結(jié)束后，傳感器固定板4在第三步進(jìn)電機(jī)63帶動(dòng)下，經(jīng)過第三絲杠導(dǎo)軌53傳動(dòng)，向上移動(dòng)一個(gè)距離(此距離為步進(jìn)電機(jī)最小步距角的整倍數(shù)，可以通過獨(dú)立按鍵118進(jìn)行選擇)，繼續(xù)測(cè)目標(biāo)物體上一層的數(shù)據(jù)，直至整個(gè)面掃描完成。由此得到目標(biāo)物體在xy面的投影，即目標(biāo)物體的俯視圖。

三個(gè)面均掃描完成后將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)12，經(jīng)上位機(jī)12重建得到目標(biāo)物體的三維圖像。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。