一种地形起伏连续测量的轮式装置与方法与流程

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1.本发明地物表面起伏坡度连续测量领域，特别涉及一种地形起伏连续测量的轮式装置与方法。

背景技术：

2.在人们日常生活或工程领域，经常会遇到需要连续测量地物表面或地表起伏坡度变化的情况，对于山区道路施工、桥梁建设等场合，实现对路面坡度的快速连续的移动式测量具有重要意义。如矿井地质、隧道工程技术人员一项重要的日常工作是真实记录和描述井巷工程揭露的地质情况，为安全生产施工提供基础的地质依据，这就要搞工程地质编录(或称地质素描)。传统的做法是需要携带皮尺、钢卷尺、线绳、罗盘等工具，分段悬挂线绳作为基线，用罗盘测量基线坡度，结合皮尺、钢卷尺等工具测量距离和以基线为基准的巷道高度(或称采高)，分段挂基线测量完成数据的采集，工作量大，内容繁琐，效率低，其中用基线测量巷道坡度是最为重要的环节。在中国发明专利cn110146058a(实质审查阶段)“一种基于全向轮小车的坡度测量方法”中，公开了一种全向轮小车采集坡度的方法，该方法虽然可以连续采集地形坡度，但由于电池驱动小车，功耗大，同时小车底盘容易受到地形陡坎影响不能通过的缺点。其他的坡度测量方法具有检测过程繁复，受限较大的缺点。如申请号为cn201821113872的一种路桥检测用坡度检测装置，适用于定点检测，对于有一定坡度变化的路面上，需要多次定点测量；又如申请号为cn201711303814的一种高精度路面坡度检测小车，使用刻度盘进行数据读取，难以实现快速连续的移动式测量。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种地形起伏连续测量的轮式装置与方法，以克服连续测量地物表面或地表起伏坡度变化的局限性，在推动本发明轮式装置前行过程中，可以连续测量出地形表面的坡度、距离，达到连续完整地采集地形表面坡度起伏的效果，可应用于地表起伏测量及野外地形测量、井巷地质编录等领域。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种地形起伏连续测量的轮式装置，包括行动轮、拖轮、轮轴、行动轮卡子、拖轮卡子及推杆；
6.所述行动轮的内部为封闭的轮毂腔，所述轮轴穿插设置在行动轮的中心位置，且轮轴的两端通过轴承与行动轮连接，所述推杆的端部通过行动轮卡子与轮轴两端的轴承连接，所述拖轮通过拖轮卡子与轮轴的两个自由端固定连接；
7.所述轮毂腔内设置有数据处理与通讯控制模块及距离测量模块，所述轴承位于轮毂腔中的部分中央位置安装有坡度测量模块，所述距离测量模块和坡度测量模块的输出端连接至数据处理与通讯控制模块的输入端，所述距离测量模块、坡度测量模块以及数据处理与通讯控制模块均通过电源模块供电；
8.所述坡度测量模块包括mems三轴重力加速度计芯片与数据调理电路；或三轴重力
加速度计及三轴陀螺角速度计集成芯片与数据调理电路；或三轴重力加速度计、三轴陀螺角速度计及三轴磁阻传感器集成芯片与数据调理电路，其中三轴重力加速度计的三轴中的一轴与行动轮行进方向一致，三轴重力加速度计的三轴中的另一轴与轮轴的轴线方向一致。
9.进一步地，所述电源模块安装在轮毂腔中或推杆中。
10.进一步地，所述距离测量模块包括等角度安装在轮毂腔内壁上的若干磁铁块，以及固定在轮轴上的用于感应磁铁块的霍尔电路模块。
11.进一步地，所述若干磁铁块位于同一圆周上。
12.进一步地，所述距离测量模块为安装在轮轴中央位置的霍尔角度传感器，且霍尔角度传感器与轮轴同轴线安装。
13.进一步地，所述行动轮卡子和拖轮卡子采用金属或非金属材质。
14.进一步地，所述行动轮卡子及拖轮卡子为u型或l型。
15.进一步地，还包括显示模块，所述显示模块和数据处理与通讯控制模块通过无线或有线方式连接。
16.进一步地，所述显示模块包括智能手机，或者是具有无线通通讯功能、数据处理与显示、和/或存储功能的终端。
17.一种地形起伏连续测量的方法，接通电源后，在数据处理与通讯控制模块的控制下，启动距离测量模块和坡度测量模块开始工作，推动行动轮前进的同时同步采集距离数据和坡度数据；
18.所述坡度数据计算方法如下：设三轴重力加速度计的三轴中的一轴为y轴，所述y轴初始状态相对于水平面的角度为θ0，设行动轮行进过程中每个点y轴与地面的夹角依次为θ1，θ2，θ3……
θn，则任意一点的地面坡度值为：θ
n-θ0，其中n为任意整数。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明是一种具有连续距离及坡度采集功能的轮式装置，在推动该轮式装置前行过程中，通过设置数据处理与通讯控制模块、距离测量模块以及坡度测量模块，可以连续测量出地形表面的坡度、距离，达到连续完整地采集地形表面坡度起伏的效果，该技术可应用于地表起伏测量及野外地形测量、井巷地质编录等领域。
21.进一步地，本发明还包括显示模块，数据处理与通讯控制模块进行数据处理后发送到显示模块，显示模块接收到数据后，存储、和/或绘制地表起伏曲线,即可以达到连续测量地表起伏的目的。
22.进一步地，本发明的距离测量模块可以采用霍尔距离传感器实现，即在轮毂腔壁上等角度安装有辐射状的磁铁块，与固定在轮轴上的感应磁铁块的霍尔电路模块配合完成距离数据的测量；也可以由同轴线安装于轮轴中央的霍尔角度传感器实现，即通过霍尔角度传感器计量行动轮的旋转圈数乘以行动轮的周长，计算出行动轮的行进距离，即是要测量的地表距离。
附图说明
23.图1为本发明轮式装置结构图；
24.图2为本发明轮式装置切剖示意图。
25.图中，1、行动轮；2、拖轮；3、轮轴；4、行动轮卡子；5、拖轮卡子；6、推杆；7、磁铁块；8、霍尔电路模块；9、坡度测量模块。
具体实施方式
26.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.附图1是该轮式测量装置整体构成图，图2是测量装置切剖示意图，其机械结构由行动轮1、拖轮2、轮轴3、行动轮卡子4、拖轮卡子5和推杆6六部分组成；行动轮1是一个大轮，其包含一个外部封闭的金属材质或非金属材质的轮毂腔，所述轮毂腔包括轮轴3与行动轮1轮缘之间的空间。轮毂腔内有数据处理与通讯控制模块，电源模块，距离测量模块；轮轴3由金属或硬质非金属材料构成，端部安装有轴承与行动轮1相连，轮轴3位于轮毂腔内部分的中央位置安装有坡度测量模块。
28.其中，电源模块包括电池及电源处理电路，亦可以被安装在推杆6内的电源替代，通过线缆在推杆6内部，并通过推杆6连接行动轮卡子4连通到轮轴3，再通往轮毂腔，给轮毂腔中各个模块供电。
29.数据处理与通讯控制模块、距离测量模块、坡度测量模块、电源模块相连接，完成对各个模块的工作控制、数据通信与数据处理和、或外部通信功能。
30.其中，距离测量模块可以采用霍尔距离传感器实现，即在轮毂腔壁上等角度安装有辐射状的磁铁块7，与固定在轮轴3上的感应磁铁块的霍尔电路模块配合完成距离数据的测量；也可以由同轴线安装于轮轴中央的霍尔角度传感器实现，即通过霍尔角度传感器计量行动轮1的旋转圈数乘以行动轮1的周长，计算出行动轮1的行进距离，即是要测量的地表距离。
31.拖轮2是一个小轮，安装在拖轮卡子5的轴线上，拖轮卡子5采用金属或非金属材质，设计为u型或l型与轮轴3固定连接，这样拖轮2可在行动轮1的带动下一起转动。拖轮2在行动轮1前进时会随着地形起伏而绕轮轴3上下起伏，同时带动轮轴3转动；轮轴部安装的坡度测量模块，包括mems三轴重力加速度计芯片，或采用三轴重力加速度计与三轴陀螺角速度计集成芯片，或三轴重力加速度计、三轴陀螺角速度计、三轴磁阻传感器集成芯片及数据调理电路，其中重力加速度计的三轴中的一轴与行动轮1行进方向一致，由于安装存在误差，该加速度计轴大致与行进方向相同亦可，三轴中的另一轴与轮轴轴线一致，同样由于安装误差原因，该加速度计轴方向大致与轮轴轴线一致亦可，这样可以计量其中与行动轮1行进方向一致的加速度计的一轴相对轮轴轴心的旋转角度，对应测量出轮轴实时的旋转角度，这个角度即等于当前行进距离点的地形起伏坡度。
32.推杆6与行动轮卡子4相连，行动轮卡子4采用金属或非金属材质，设计为u型或l型，连接到轮轴3的轴承上，这样推杆6就可以推送轮旋转前进。
33.坡度的计算方法：三轴重力加速度计三轴中的一轴与行动轮1行进方向一致或大致相同，设该轴名称为y轴，其初始状态相对于水平面的角度为θ0，该值可以在拖轮2与行动
轮1的下边缘与水平面保持一致的静止状态下获得。设行动轮1行进过程中每个点y轴与地面的夹角依次为θ1，θ2，θ3……
θn，则任意一点的地面坡度值为：θ
n-θ0，其中n为0到n点的任意整数。
34.提高测量精度的方法：由于测量过程y轴加速度分量值容易受到行动轮1姿态的变化，如左右摇摆，或传感器安装位置偏差，而产生测量误差，可以采用线性代数的矩阵旋转及平移的方法进行校正。另外，由于测量过程为行动轮运动状态下的动态测量，实时数据会产生一定幅度的跳变，需要进行诸如卡尔曼滤波、平滑滤波等滤波算法进行数据校正；再者，由于重力加速度计使用环境可能产生温度变化，对加速度计值产生一定影像，需要进行必要的温度补偿算法予以校正。
35.本发明的测量装置可以包括智能手机或具有无线通通讯功能、数据处理与显示、和/或存储功能的终端作为显示模块，显示模块也可以安装在推杆6上或远距离无线通讯到其他终端；数据处理与通讯控制模块将测量到的坡度数据、距离等数据采用无线方式或有线的方式，实时传输到显示模块。图2中没有给出显示模块。
36.测量过程是装置在接通电源后，在数据处理与通讯控制模块的控制下，启动距离测量模块和坡度测量模块开始工作；人工推动行动轮1前进，装置同步采集距离和坡度数据，数据处理与通讯控制模块进行数据处理后发送到显示模块，显示模块接收到数据后，存储、和/或绘制地表起伏曲线，即可达到连续测量地表起伏的目的。
37.最后应说明的是：以上实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，包括行动轮(1)、拖轮(2)、轮轴(3)、行动轮卡子(4)、拖轮卡子(5)及推杆(6)；所述行动轮(1)的内部为封闭的轮毂腔，所述轮轴(3)穿插设置在行动轮(1)的中心位置，且轮轴(3)的两端通过轴承与行动轮(1)连接，所述推杆(6)的端部通过行动轮卡子(5)与轮轴(3)两端的轴承连接，所述拖轮(2)通过拖轮卡子(5)与轮轴(5)的两个自由端固定连接；所述轮毂腔内设置有数据处理与通讯控制模块及距离测量模块，所述轴承位于轮毂腔中的部分中央位置安装有坡度测量模块，所述距离测量模块和坡度测量模块的输出端连接至数据处理与通讯控制模块的输入端，所述距离测量模块、坡度测量模块以及数据处理与通讯控制模块均通过电源模块供电；所述坡度测量模块包括mems三轴重力加速度计芯片与数据调理电路；或三轴重力加速度计及三轴陀螺角速度计集成芯片与数据调理电路；或三轴重力加速度计、三轴陀螺角速度计及三轴磁阻传感器集成芯片与数据调理电路，其中三轴重力加速度计的三轴中的一轴与行动轮(1)行进方向一致，三轴重力加速度计的三轴中的另一轴与轮轴(3)的轴线方向一致。2.根据权利要求1所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述电源模块安装在轮毂腔中或推杆(6)中。3.根据权利要求1所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述距离测量模块包括等角度安装在轮毂腔内壁上的若干磁铁块(7)，以及固定在轮轴(3)上的用于感应磁铁块(7)的霍尔电路模块(8)。4.根据权利要求3所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述若干磁铁块(7)位于同一圆周上。5.根据权利要求1所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述距离测量模块为安装在轮轴(3)中央位置的霍尔角度传感器，且霍尔角度传感器与轮轴(3)同轴线安装。6.根据权利要求1所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述行动轮卡子(4)和拖轮卡子(5)采用金属或非金属材质。7.根据权利要求1所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述行动轮卡子(4)及拖轮卡子(5)为u型或l型。8.根据权利要求1所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块和数据处理与通讯控制模块通过无线或有线方式连接。9.根据权利要求8所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，所述显示模块包括智能手机，或者是具有无线通通讯功能、数据处理与显示、和/或存储功能的终端。10.一种地形起伏连续测量的方法，采用权利要求1-9任一项所述的一种地形起伏连续测量的轮式装置，其特征在于，接通电源后，在数据处理与通讯控制模块的控制下，启动距离测量模块和坡度测量模块开始工作，推动行动轮(1)前进的同时同步采集距离数据和坡度数据；所述坡度数据计算方法如下：设三轴重力加速度计的三轴中的一轴为y轴，所述y轴初始状态相对于水平面的角度为θ0，设行动轮(1)行进过程中每个点y轴与地面的夹角依次为
θ1，θ2，θ3……
θ
n
，则任意一点的地面坡度值为：θ
n-θ0，其中n为任意整数。

技术总结

本发明公开一种地形起伏连续测量的轮式装置与方法，该装置总体采用轮式结构，机械部分由行动轮、拖轮、轮轴、行动轮卡子、拖轮卡子和推杆六部分组成；行动轮包含一个外部封闭的轮毂腔，包括轮轴与轮缘之间的空间，轮毂腔内有数据处理与通讯控制模块，电源模块，距离测量模块；轮轴由金属或硬质非金属材料构成，端部安装有轴承与行动轮相连，其位于轮毂腔内部分的中央位置安装有坡度测量模块。测量过程是装置在接通电源后，在数据处理与通讯控制模块的控制下，启动距离测量模块和坡度测量模块开始工作；人工推动行动轮前进，达到连续完整地采集地形表面坡度起伏的效果，可应用于地表起伏测量及野外地形测量、井巷地质编录等领域。井巷地质编录等领域。井巷地质编录等领域。