本發(fā)明涉及成像領域，具體是涉及一種超聲波三維成像裝置。

背景技術：

根據現(xiàn)有的成像技術，成像設備有光學成像和聲學成像兩種。光學成像系統(tǒng)已經在各個行業(yè)得到了普遍的應用，但光學成像對目標所處的環(huán)境依賴較大，在一些不具備光學成像條件的情況下，比如無法滿足光照的條件下，比如當水下光照度低或夜晚時，水下目標的成像效果變差，甚至不能成像。即使利用外部補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的成像效果較好，當到達光照度低的距離范圍，成像質量又變差，致使目標形狀測量誤差較大，甚至無法測量。所以利用聲學技術替代光學進行形狀辨識和信息傳遞就成為了一種潛在技術需求。

現(xiàn)有的三維成像技術主要有激光掃描和雙目視覺。李托拓等人(胡鋒,耿征,基于結構光的三維成像技術[j],網絡新媒體技術,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，且對人眼容易造成傷害。而雙目視覺系統(tǒng)運算量大，成像也較緩慢，并且對于紋理特征不明顯的場景不能得到較滿意的結果，圖像處理也很復雜。

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、抗干擾能力強等優(yōu)點。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，可以進行遠距離成像。超聲三維成像方法可以完成水下成像，超聲波對人的眼睛、耳朵均不會造成傷害，且計算處理簡單，成本低。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種超聲波三維成像裝置。該裝置發(fā)射超聲波，超聲波經被測量面返回，利用回波定位原理通過單片機計算超聲波發(fā)射與返回所用時間，即得到目標物體表面的坐標信息，將坐標信息傳送至上位機，獲得目標物體三維圖像。

本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案：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、絲杠導軌、步進電機、聯(lián)軸器、底座、基準擋板、固定架、控制模塊和上位機；

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傳感器固定板上；每個傳感器固定板與一個絲杠導軌的絲杠配合傳動，同時通過滑塊與同一個絲杠導軌的導軌配合傳動；所述絲杠導軌為三個，分別是第一絲杠導軌、第二絲杠導軌和第三絲杠導軌；所述步進電機為三個，分別是第一步進電機、第二步進電機和第三步進電機；所述第一步進電機和第二步進電機均固定在底座上；所述第三步進電機固定在固定架上；所述第一絲杠導軌和第二絲杠導軌的導軌均固定在底座上，第一絲杠導軌和第二絲杠導軌的絲杠通過聯(lián)軸器分別與第一步進電機和第二步進電機的輸出端連接；所述第三絲杠導軌的導軌固定在固定架的一端，固定架的另一端固定在底座上；所述第三絲杠導軌的絲杠通過聯(lián)軸器分別與第三步進電機的輸出端連接；所述基準擋板為兩個，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)傳感器組的正對面；所述z方向超聲收發(fā)傳感器組與底座正對；所述控制模塊固定于底座；所述控制模塊與上位機連接。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有益效果在于：

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

2)與現(xiàn)有超聲成像技術以液體為介質不同，本成像裝置以空氣為介質，同時克服了空氣干擾較多的問題，應用領域更加廣闊，使用條件更加便利，節(jié)約了成本，實現(xiàn)對目標物體的三維成像。本成像裝置也同樣可以完成水下成像。

3)相對于已有的三維成像技術，本成像裝置算法簡單，操作簡便，價格便宜，不會受到電磁波和溫度等因素的影響，成像快速穩(wěn)定且對人體無害。

4)利用測距技術獲得目標物體坐標信息，紅外線同樣也能測距，但是其非線性較嚴重，而且測量范圍小。

5)本成像裝置也可以用于對動態(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施例的去掉基準擋板后的整體結構示意圖；

圖2本發(fā)明超聲波三維成像裝置一種實施例的整體結構示意圖；

圖3本發(fā)明超聲波三維成像裝置一種實施例的控制模塊結構框圖；(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、絲杠導軌；6、步進電機；7、聯(lián)軸器；8、底座；9、基準擋板；10、固定架；11、控制模塊；12、上位機)

具體實施方式

下面給出本發(fā)明的具體實施例。具體實施例僅用于進一步詳細說明本發(fā)明，不限制本申請權利要求的保護范圍。

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、絲杠導軌5、步進電機6、聯(lián)軸器7、底座8、基準擋板9、固定架10、控制模塊11和上位機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，用于放置目標物體；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均安裝在一個傳感器固定板4上；每個傳感器固定板4通過螺母與一個絲杠導軌5的絲杠配合傳動，同時通過滑塊與同一個絲杠導軌5的導軌配合傳動；所述絲杠導軌5為三個，分別是第一絲杠導軌51、第二絲杠導軌52和第三絲杠導軌53；所述步進電機6為三個，分別是第一步進電機61、第二步進電機62和第三步進電機63；所述第一步進電機61和第二步進電機62均固定在底座8上；所述第三步進電機63固定在固定架10上；所述第一絲杠導軌51和第二絲杠導軌52的導軌均固定在底座8上，第一絲杠導軌51和第二絲杠導軌52的絲杠通過聯(lián)軸器7分別與第一步進電機61和第二步進電機62的輸出端連接；所述第三絲杠導軌53的導軌固定在固定架10的一端，固定架10的另一端固定在底座8上；所述第三絲杠導軌53的絲杠通過聯(lián)軸器7分別與第三步進電機63的輸出端連接；步進電機6帶動傳感器固定板4，實現(xiàn)傳感器固定板4的上下移動；所述基準擋板9為兩個，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的正對面，用于測量目標物體在x方向和y方向上的投影，即為了得到目標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，用于測量目標物體在z方向上的投影，即為了得到目標物體的俯視圖；所述控制模塊11固定于底座8；所述控制模塊11與上位機12連接。

所述控制模塊11包括直流電源111、電壓轉換芯片112、單片機113、外擴存儲芯片114、第一步進電機驅動器115、第二步進電機驅動器116、第三步進電機驅動器117和獨立按鍵118；所述直流電源111通過電壓轉換芯片112與單片機113連接，將24v直流電壓轉換成5v給單片機113供電；所述直流電源111分別與第一步進電機驅動器115、第二步進電機驅動器116和第三步進電機驅動器117連接，提供24v直流電源；所述單片機113分別與外擴存儲芯片114、第一步進電機驅動器115、第二步進電機驅動器116、第三步進電機驅動器117和獨立按鍵118連接；所述外擴存儲芯片114用于存儲測量數據；所述獨立按鍵118用于控制裝置啟停，并且可以通過按鍵選擇測量精度；所述單片機113的輸出端與上位機12連接；所述單片機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；所述第一步進電機驅動器115與第一步進電機61連接；第二步進電機驅動器116與第二步進電機62連接；第三步進電機驅動器117與第三步進電機63連接。

每組超聲收發(fā)傳感器組3包括八個超聲收發(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)傳感器的型號為risym公司的16mm超聲波防水型傳感器收發(fā)一體化測距探頭，頻率為40.0±1.0khz，可檢測距離在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12是計算機；所述直流電源111為24v直流電源；所述電壓轉換芯片112為lm2576芯片；所述單片機113為stc89c52型號單片機；所述外擴存儲芯片114為at24c02芯片；第一步進電機驅動器115、第二步進電機驅動器116和第三步進電機驅動器117型號均為tb6600。

所述控制模塊11外部設置有保護罩，保護罩的材質為防水堅固的非金屬材料，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：三維超聲成像技術是將某一立體形狀的三維分別投影，通過計算機處理后得到一個重建的立體圖形。當超聲波沒有遇到目標物體時，將通過擋板反射，此距離是已知的；當超聲波遇到目標物體時，反射的距離將會改變，或者遇到斜面超聲收發(fā)傳感器將無法接收到超聲波。因此通過計算超聲波發(fā)射返回的時間確定每個坐標點對應的擋板前是否有目標物體，從而確定目標物體在擋板上的投影。

工作流程是：首先測量x方向，單片機113控制x方向超聲收發(fā)傳感器組31的8個從左至右超聲收發(fā)傳感器依次發(fā)射并接收超聲波，與此同時，每測得一個數據，都要從單片機113傳輸給外擴存儲芯片114進行儲存，防止系統(tǒng)突然掉電或發(fā)生其他意外情況導致數據丟失。單片機113通過計算超聲波的返回時間確定本層目標物體的輪廓。當本層掃描結束后，傳感器固定板4在第一步進電機61帶動下，經過第一絲杠導軌51傳動，向上移動一個距離(此距離為步進電機最小步距角的整倍數，可以通過獨立按鍵118進行選擇)，繼續(xù)測量目標物體上一層的數據，直至整個面掃描完成。由此得到目標物體在xz面的投影，即目標物體的左視圖。

左視圖測量完畢后，單片機113控制y方向超聲收發(fā)傳感器組32的8個從左至右超聲收發(fā)傳感器依次發(fā)射并接收超聲波，與此同時，每測得一個數據，都要從單片機113傳輸給外擴存儲芯片114進行儲存，防止系統(tǒng)突然掉電或發(fā)生其他意外情況導致數據丟失。單片機113通過計算超聲波的返回時間確定本層目標物體的輪廓。當本層掃描結束后，傳感器固定板4在第二步進電機62帶動下，經過第二絲杠導軌52傳動，向上移動一個距離(此距離為步進電機最小步距角的整倍數，可以通過獨立按鍵118進行選擇)，繼續(xù)測目標物體上一層的數據，直至整個面掃描完成。由此得到目標物體在yz面的投影，即目標物體的后視圖。

后視圖測量完畢后，單片機113控制z方向超聲收發(fā)傳感器組33的8個從左至右超聲收發(fā)傳感器依次發(fā)射并接收超聲波，與此同時，每測得一個數據，都要從單片機113傳輸給外擴存儲芯片114進行儲存，防止系統(tǒng)突然掉電或發(fā)生其他意外情況導致數據丟失。單片機113通過計算超聲波的返回時間確定本層目標物體的輪廓。當本層掃描結束后，傳感器固定板4在第三步進電機63帶動下，經過第三絲杠導軌53傳動，向上移動一個距離(此距離為步進電機最小步距角的整倍數，可以通過獨立按鍵118進行選擇)，繼續(xù)測目標物體上一層的數據，直至整個面掃描完成。由此得到目標物體在xy面的投影，即目標物體的俯視圖。

三個面均掃描完成后將數據傳送至上位機12，經上位機12重建得到目標物體的三維圖像。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術。