考古发掘现场智能预探测机器人系统设计

论文摘要

我国是一个文明古国,拥有丰富的文化遗迹资源,但传统考古发掘探测手段多为人力探测,具有破坏性,无法对大量文物提供及时有效的保护措施,需要新的探测方法出现。鉴于考古工作中发掘现场情况的不确定性,探讨利用自动化技术,设计开发一套考古发掘现场智能预探测系统,在无人员进入封闭空间的情况下实现预探测功能。该系统由远程监控端、机器人及传输线缆组成。本文实现了考古发掘现场智能预探测系统中机器人系统的设计研究。提出并实现了分体模块化小尺寸机器人结构设计,使其可简便拆装成直筒式或车载式两种外形,以适用小直径手工铲洞或大直径发掘洞两种不同形式的发掘入口。机器人底层系统以微控制器为核心,包括多传感器数据采集电路、串口扩展电路、步进电机控制电路、LED亮度控制电路电源等硬件功能模块,并辅以多传感器数据采集、摄像云台控制、机器人底层系统与远程端通讯等软件设计。机器人控制系通过结合远程监控端人机交互界面实现系统的遥操作控制,完成预探测任务。该考古发掘现场智能预探测机器人系统设计制造后在陕西省三个古墓葬遗址进行了实地测试。研究结果显示该系统机械结构达到了小型化要求,实现了一机多用。多传感器数据采集准确及时,视频图像清晰可靠,云台响应快捷。整体系统运行稳定,可操作性强,基本满足了考古发掘现场的实际需要,推进了考古发掘工作的科技化进程。

论文目录

• ABSTRACT
• 摘要
• ACKNOWLEDGEMENTS
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 Background
• 1.2 Motivation
• 1.3 Development of the related technologies
• 1.3.1 Rescue robots
• 1.3.2 The Pyramid Rover
• 1.4 Organization of the thesis
• CHAPTER 2 MECHANICAL DESIGN OF THE ROBOT
• 2.1 Introduction
• 2.2 Modular robot design
• 2.3 Camera module design
• 2.3.1 Camera
• 2.3.2 Headlamp
• 2.3.3 Pan/tilt mount design
• 2.4 Sensor and control module
• 2.4.1 Gas sensors
• 2.4.2 Temperature and humidity sensor
• 2.4.3 Mechanical design of the sensor and control module
• 2.5 Accessories
• 2.5.1 Accessories for the drum-robot
• 2.5.2 Accessories for the tracked-robot
• 2.6 Summary
• CHAPTER 3 LOW-LEVEL CONTROL SYSTEM DESIGN FOR THE ROBOT
• 3.1 Introduction
• 3.2 Hardware design of the Low-level control system
• 3.2.1 Power convertor
• 3.2.2 Stepper motor control
• 3.2.3 Introduction of ATmega128
• 3.2.4 Peripheral circuits of the MCU
• 3.2.5 The controller board
• 3.3 Software design of the Low-level control system
• 3.3.1 AVR studio
• 3.3.2 Fuses
• 3.3.3 Data collection of the gas sensors
• 3.3.4 Data collection of the temperature and humidity sensor
• 3.3.5 Data collection of IMU
• 3.3.6 Control of the pan/tilt mount
• 3.3.7 Communication of RS485
• 3.4 Summary
• CHAPTER 4 THE HCI SYSTEM DESIGN
• 4.1 Introduction
• 4.2 Human-Computer Interface
• 4.3 Data collection
• 4.4 Control of the camera module
• 4.4.1 Attitude control of the pan/tilt mount
• 4.4.2 Brightness control of the head lights
• 4.5 Summary
• CHAPTER 5 FIELD TESTS
• 5.1 Introduction
• 5.2 Confirmatory test
• 5.3 Tests in archaeological excavation site
• 5.4 Summary
• CONCLUSIONS
• REFERENCES