考古发掘现场智能预探测系统技术方案

本发明专利技术改进了我国古墓葬遗址等发掘现场的传统探测方法，设计开发了一套考古发掘现场智能预探测系统。该系统由远程监控端、机器人及线缆等附件组成。机器人集成视频采集及气体传感等环境检测功能模块，采取分体小尺寸模块化设计，可简便拆装成两种外形适用不同形式的封闭空间式发掘现场。系统设计制造后在三个古墓葬遗址进行了实地测试，研究结果显示整体系统运行稳定，可操作性强，推进了考古发掘工作的科技化进程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及考古发掘现场预探测领域的自动化型技术产品，具体涉及 一套考古发掘现场智能预探测系统。该系统由远程监控端、机器人及线缆 等附件组成。
技术介绍
目前，国内暂无针对考古发掘现场预探测领域的自动化型技术产品。考古发掘现场预探测多为两种方法对于现存盗洞的，从盗洞进入墓室内勘察；对于封存良好的，采用人工发掘铲(如洛阳铲)铲出探洞，对铲中带出的土样进行分析，估计该墓葬的发掘价值。国外，2002年9月应用于胡夫金字i^笨秘的"金字塔漫游者"机器 人。其长30cm，宽12cm，高度在11 ~ 28cm范围内可调，重量只有2. 7公 斤。机器人的电缆提供电力，图象和指令也由此传输。机器人设计人员通 过视频传输回的图像在远程端遥操控机器人。"金字塔漫游者，，将通过自 身装配的多种装置对石门进行全方位探测，其装置包括可用来测量岩石厚 度的超声波传感器、世界上最小的地面探测雷达系统、力度测量仪、导电 传感器以及一个由视觉纤维构成的高分辨率光纤摄像镜头。各部件的作用 如下1、 超声波传感器。它可以用来测量岩石的厚度，以确定石块到底是 厚度有限的"门"，还是一块在通道内封住去路的巨石。2、 世界上最小的地面探测雷达系统。它通过灵敏的探头发送的电磁 波可穿透超过9 O厘米的混凝土，根据电磁波穿透岩石的速度精确测出岩 石的密度及厚度结构图。也就是说，如果这扇石门后面果真存在其他的远 古遗迹，如除"国王殡室，，和"王后殡室，，之外的第三大墓室， 一幅大致 的金字塔秘密通道"素描"图将呈现在世人面前。3、 力度测量仪。它可以测试南通道的石门在施以压力的情况下能否 移动及移动的方向。同时，在测试过程中，运用其他设备在岩石和通道壁之间寻找缝隙以便让光纤4聂像镜头通过。4、 一个由视觉纤维构成的高分别率光纤摄像镜头。它可以从石门下方的凹槽进入通道内部进行拍摄。工作人员将通过连接到机器人身上的控 制线路操纵"金字塔漫游者"的活动。5、 导电传感器。它将用于测试石门上的铜把手，检测上面是否带有 某种电路装置。该机器人系统针对胡夫金字塔的内部构造探测研发设计，各项性能指 标局限于金字塔内部探测的需求。所携带传感器除摄影外多为绘制墓室结 构准备，摄像图像为单色灰度图。虽然该设计满足了当时的项目需要，但 不具备推广应用性，尤其对于我国地下埋藏型墓葬的考古发掘环境不具有 适应性
技术实现思路
技术问题中国作为四大文明古国，历史遗迹丰富。面对古墓葬等一些非再生资 源，在没有充足的预探测数据资料的前提下决定发掘价值是武断和盲目 的。本专利技术具有以下目的1、 为文物出土后的保护提供有效数据。由于长年埋在地下，文物在地下环境中，经过了一段时间的净皮腐蚀与 抗腐蚀，逐渐与地下埋藏环境建立了一种平衡体系，使其在地下埋藏环境 中的腐蚀速度变得越来越慢，有的甚至可以认为已经停止了腐蚀。在考古 发掘过程中，无论是地下的埋藏环境，还是出土时的地上环境，文物离了 原有的平衡环境，在化学性能的不稳定性势必使其面临复杂的病变及损 害。因此在探测器上应搭载相应的多个环境传感器，用以采集地下环境数 据，为文物后期保护工作4故铺垫。2、 实现可广泛应用的微损伤发掘现场预探测功能作为发掘现场预探测功能机器人，应对发掘现场尽可能的提供保护。 由于地下空腔墙壁上往往饰有壁画等化学属性不稳定的文物，探测人员如 直接进入发掘现场，势必破坏原埋藏环境的空气成分；如带氧气瓶等呼吸 器进入，则成本过高。此外，我国墓葬形式多样环境复杂，不适合人员贸 然进入墓葬内探测。因此针对我国考古发掘现场发掘孔洞的特点，设计分别适用于大尺寸探洞(直径50cm以上)及小尺寸人工妒探孔(直径12cm 左右)两种发掘孔洞的机器人，见图2，使其无需对发掘现场做任何附加 损伤即可实现摄像等发掘现场预探测功能。3、便于考古人员操作的智能预探测系统中国的考古工作开始于五四运动时期， 一个世纪以来延循着传统的发 掘现场预探测技术。为使自动化系统可以广泛的应用在考古发掘领域，需 要设计一套便于考古学者掌握应用的操作流程，达到无设计人员参与，考 古学者可独立操控预探测系统的目的。技术方案本专利技术提供了一种考古发掘现场智能预探测系统，由机器人和远程控 制端两个主体组成，两主体间由电缆连接提供机器人电力，并完成图像、 传感器数据及机器人控制指令的传输。机器人部分为单片机控制系统，包含4见频采集功能和环境数据采集功 能。模块化结构设计，依功能主要包括摄像云台及釆集控制筒两部分。视频釆集部分设计了附有可控亮度的LED照明灯的2自由度(俯仰0 ~ 270° ,水平0~ 330° )的摄像头云台，避免了由于各发掘现场墙面反光 效果不同对4聂像头成像的影响，并可保护文物免受强光损害。该云台角速 度为15°/s，由两台步进电机驱动。由于步进电机具有累积误差的特性， 设计机械限位装置，提供控制云台复位的标准点。摄像云台为柱状设计， 整体尺寸为最大外径90mm,高130mm,含l聂像头重1. 05kg。环境数据采集部分目前搭载温湿度传感器、二氧化>暖传感器、氧气传 感器、甲烷传感器、辟u化氩传感器5个传感器在采集控制筒内(另有一惯 性测量元件IMU模块外置在移动平台上)。利用单片机作为主控芯片，搭 建外围电路，用于对接入^L器人的直流电源分压稳压、多传感器数椐控制 采集、中断式云台电才几控制、PWM式LED灯光亮度控制、UART485串口通 信及HAG调试等，设计为集成嵌入式主控制板。该主控板可独立完成云 台复位、多传感器数据实时采集等任务，并可接受远程端指令数据包，自 动完成指定角度的云台转动、指定亮度的灯光调控及传感器数据传输到远 程端。采集控制筒为柱状设计，气体传感器探头紧邻筒壁，留有通气孔， 筒壁添加夹密致防尘钢纱与外接间隔。采集控制筒中央为机器人主控板， 釆集控制筒底部安装^:型风扇用于改善筒内气体流通及加速散热。采集控制筒含传感器整体最大外径为90mm，高138mm,重0. 96kg。基于模块化设计基础，摄像云台部分和采集控制筒两部分通过14针 连接端口连接，用于云台部分供电、视频信号传输、两台步进电机驱动及 PWM调光信号传输。两部分模块可利用螺钉组装为对接的直筒式或分体安 装在移动平台上的车栽式，来完成两种不同发掘孔洞的预探测任务。采集 控制筒尾另设有6针端口用于连接到直筒保护罩或移动平台，两种组装机 器人与远程端的百米连接电缆端口分別位于直筒保护罩的杆臂及移动平 台尾端。远程端的设计以监控界面为主，该程序可移植到任意装有Windows XP SP2系统的电脑中，建议显示器分辨率设为1400*1050。该监控界面主界 面包含实时视频窗口、实时环境参数显示窗口，考古发掘现场备注信息显 示窗口、灯光亮度控制及云台角度控制。在上述窗口显示和控制指令输入 的功能基础上，它还负责完成环境参数的实时数据记录、图像抓取和视频 保留功能。为实现监控系统的易操控性，云台转动的控制采用方向按键和 角度输入两种方式，灯光调控则采用滑块拖拉式，环境参数同时以数值和 量程内柱状图的形式显示。有益效果该考古发掘现场智能预探测系统填补了国内田野考古领域自动化技 术的空白，实现了一机两用的设计构想，满足了不同发掘现场对预探测系 统的通用性要求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考古发掘现场智能预探测系统，由机器人和远程控制端两个主体组成，两主体间由电缆连接提供机器人电力，并完成图像、传感器数据及机器人控制指令的传输，其特征在于：机器人部分为单片机控制系统，包含视频采集功能和环境数据采集功能；模块化设计，结构上依功能主要包括摄像云台及采集控制筒两部分。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：铁付德，朱晓蕊，李泽湘，王珏瑶，赵涛，曾文武，胥胥，
申请(专利权)人：中国国家博物馆，哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]