一種原位掃描裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種原位掃描裝置。該原位掃描裝置包括掃描裝置主體和連接桿，其中，掃描裝置主體包括導向部、掃描部。原位掃描裝置還包括設置在原位掃描裝置主體中的控制系統，該控制系統包括：中央處理器，用于控制系統中的數據處理及各部件的控制；電機驅動模塊，該電機驅動模塊以與所需要的分辨率相對應的轉速驅動電機。通過本發明的原位掃描裝置，可以持續獲取各種需要測量對象的圓筒形內壁的圖案數據，初步處理、存儲并與其他終端交換數據，從而實現田間野外環境下在土壤中原位對植物根系進行掃描測量，也可以用于泥沼、巖土、土壤、地質等研究。
【專利說明】一種原位掃描裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像數據采集領域，具體涉及一種原位掃描裝置。
【背景技術】
[0002]越來越多的領域需要用到原位掃描裝置，例如，土壤分析、巖土分析、地質考古、深層泥沼分析、植物根系研究等。尤其是植物根系的研究。植物根系對固定植株和獲得水分和養分起重要作用，但是土壤不可觀測性的限制，給根系生態學的研究帶來一定的困難。因此，找到原位觀察根系生長的方法對研究根系生態學就顯得尤為重要。目前植物根系原位掃描技術被認為是研究根系生態學最有前途的方法。
[0003]但是，目前常用根系研究方法是洗根法，將根系從土壤中挖出來洗凈后用掃描儀進行掃描測量。此方法在挖掘、洗根的過程中會造成根系位置的變化，結構的損傷和斷裂。并且挖出植物根系后植物就會死亡，該方法不能連續測量。
[0004]中國發明專利申請號201210231267.2公開了一種土壤栽培條件下采用植物生長室的方法測定植物的根系。該方法以放射狀透明容器為盆栽生長容器，每個分室間隔一定距離，然后通過相機將根系圖像拍攝下來后用圖片分析軟件統計根系特征。該方法的缺點也在于不是在土壤中原位進行測量，植物根系生長被人為局限在一個非常狹窄空間中，不能真實反映出植物根系的生長狀態。
[0005]文獻期刊《生態學報》中論文《微根窗技術及其在植物根系研究中的應用》提及了一種利用照相機連接控制盒和電腦拍攝地下根系的方法，但該方法必須連接電腦使用，不能適用于田間環境。另外在非常短的距離內拍攝圖像會有嚴重的魚眼效益，導致圖像變形失真嚴重，致使獲得的數據不準確。
[0006]美國CID Bio-Science, Inc 公司生產的 C1-600 (http://www.cid_inc.com/cn/root-1mage/c1-600.php)植物根系原位掃描裝置由于機械結構的原因不能完成完整的360度掃描，只能掃描到355度。因為在C1-600的掃描結構中有一標記起始點和終止點的標記桿，旋轉機構從此桿的位置開始掃描，當掃描接近一周后接近開關抵達此標記桿而停止掃描，之后旋轉機構再反向旋轉掃描，總之始終只能掃描355度的圖像，不能實現完整的一周掃描。C1-600的電路設計沒有考慮田間野外使用的環境要求，使用時必須連接電腦進行工作，沒有電池供電，沒有文件存儲功能，致使操作者在野外必須攜帶筆記本工作，而筆記本的電池除了給筆記本供電以外還有為設備供電，實際工作時間非常短，完全不能滿足野外使用的要求。C1-600旋轉部件和固定部件之間有較大的縫隙，灰塵、土粒非常容易進入從而導致不能工作和壽命縮短。
[0007]在松軟泥沼中對各層泥土取樣進行研究往往也是有缺陷的，需要對各層泥沼中分布的沉積物進行研究，以考察沉積年限、沉積過程，則需要沉積物保持在原位進行掃描。打孔之后，泥土也會灌入孔中無法考察。有效的方法是插入透明管到泥沼中，形成圓筒狀，對泥沼的圓筒內壁即透明管的外壁進行圖像采集。對于需要原位考察的土壤研究、地殼考古，獲取原位圖像數據也是非常重要的。為了能夠獲取原位圖像數據，需要一種能夠在原位進行數據采集的設置。
[0008]為此，本發明提出一種原位掃描裝置，可用于在田間野外環境下在土壤中原位對植物根系進行掃描測量，也可以用于泥沼、巖土、土壤、地質等研究。
【發明內容】
[0009]本發明所要解決的技術問題是提供一種原位掃描裝置，能夠持續獲取各種需要測量對象的圓筒形內壁的圖案數據，初步處理、存儲并與其他終端交換數據。
[0010]為解決上述技術問題，本發明提供一種原位掃描裝置，其包括掃描裝置主體和連接桿，所述掃描裝置主體包括:
[0011]導向部，包括前導向部和后導向部，用于在向透明管中放置所述掃描裝置主體或從所述透明管中取出所述掃描裝置主體時引導所述掃描裝置主體；
[0012]掃描部，用于相對于所述導向部繞軸向轉動，對所述透明管外壁進行掃描并采集數據；
[0013]所述掃描部或所述導向部中設置有電機，該電機用于驅動所述掃描部相對于所述導向部轉動；
[0014]所述連接桿與所述掃描裝置主體相連接，并在所述掃描裝置主體進出所述透明管時牽引所述掃描裝置主體；
[0015]其特征在于，所述原位掃描裝置還包括設置在所述原位掃描裝置主體中的控制系統，該控制系統包括:中央處理器，用于所述控制系統中的數據處理及各部件的控制；電機驅動模塊，該電機驅動模塊以與所需要的分辨率相對應的轉速驅動所述電機。
[0016]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有通信模塊，該通信模塊用于通過有線或無線方式與外部終端實現數據交換。
[0017]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有存儲單元或存儲單元接口。
[0018]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有電源模塊，該電源模塊用于管理和控制所述原位掃描裝置中各部件的休眠、啟動和節電運行，該電源模塊包括用于供電的可充電電池。
[0019]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有液晶顯示模塊，所述掃描部側面設置有與該液晶顯示模塊位置相對應的顯示窗口。
[0020]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述原位掃描裝置還包括控制手柄，其用于與所述控制系統以無線或有線方式進行連接，并實現控制。
[0021]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述前導向部和所述后導向部與所述掃描部之間的接合處設置有防塵結構。
[0022]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統還包括多個功能按鈕，其設置在所述掃描部的側面上，用于設置所述控制系統的參數。
[0023]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統還包括多個狀態指示燈，用于顯示所述控制系統中各部件的運行狀態。
[0024]進一步，提供如上所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述前導向部和所述后導向部上設置有導向輪。[0025]本發明內置了存儲單元，可以將掃描的圖像或文件永久存儲在裝置內，使得本發明能夠完全脫離電腦的束縛，解放操作者的雙手，減輕出行負重和勞動強度。可在掃描裝置中內置可充電電池，也可在控制手柄中內置大容量電池，并且手柄中電池用盡后還可以方便快捷的更換手柄，以保證操作者能長時間連續使用。
[0026]本發明是全新的結構設計，完全避免了此類問題的出現，可以連續進行360度掃描，設置是任意角度的掃描，沒有死角盲區。
[0027]本發明特有的防塵設計能有效減少灰塵和土粒進入裝置的數量，保證裝置的正常穩定的長時間工作，延長了裝置的壽命。
[0028]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0029]本發明可以對田間植物的根系進行原位掃描，測量數據就是田間土壤中的原位根系數據，相對C1-600根系掃描裝置能夠真正獲得360度完整的掃描數據，沒有盲區。
[0030]本發明在機械結構上有防塵設計，可以有效減少在野外工作時灰塵土粒的進入。
[0031]本發明的操作不需要外接電腦，可以直接通過控制手柄操作，掃描的圖像或文件直接存儲在本裝置中，非常適合野外現場測量。
[0032]本發明測量的數據可以通過無線傳輸到臺式機、筆記本、智能手機、掌上電腦、嵌入式系統等，方便野外操作，可以連接的設備眾多，并且可以實現多個設備同時連接和通?目。
[0033]本發明有電源管理模塊，合理省電，外置電池，可以通過方便快捷的更換控制手柄的方式保證野外工作的長期性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]本發明的上述的以及其它的特征、性質和優勢將通過下面結合附圖和實施例的描述而變得更加明顯，其中:
[0035]圖1為本發明的一個實施方式的原位掃描裝置的結構示意圖；
[0036]圖2為本發明的一個實施方式的原位掃描裝置的功能模塊結構示意圖；
[0037]圖3為本發明的一個實施方式的原位掃描裝置的控制手柄示意圖；
[0038]圖4是根據本發明的一個實施方式的原位掃描裝置的局部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多的細節以便于充分理解本發明，但是本發明顯然能夠以多種不同于此描述地其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下根據實際應用情況作類似推廣、演繹，因此不應以此具體實施例的內容限制本發明的保護范圍。
[0040]圖1為本發明的一個實施方式的原位掃描裝置的結構示意圖。其中，原位掃描裝置包括掃描裝置主體和連接桿108，掃描裝置主體包括:導向部，包括前導向部102Α和后導向部102Β，用于在向透明管中放置掃描裝置主體或從透明管中取出掃描裝置主體時引導掃描裝置主體；掃描部100，用于相對于導向部繞軸向轉動，對透明管外壁進行掃描并采集數據；掃描部100或導向部中設置有電機,該電機用于驅動掃描部相對于導向部轉動；連接桿108與掃描裝置主體相連接，并在掃描裝置主體進出透明管時牽引掃描裝置主體。[0041]如圖2所示，在本發明的一個實施方式中，原位掃描裝置還可以包括設置在原位掃描裝置主體中的控制系統，該控制系統包括:中央處理器201，用于該控制系統中的數據處理及各部件的控制；電機驅動模塊208，該電機驅動模塊以與所需要的分辨率相對應的轉速驅動電機。通常，需要高分辨率時，可以使電機低速轉動，以使得掃描裝置獲取高分辨率圖像數據；如果需要快速獲取低分辨率圖像數據時，可以使電機以高速轉動。
[0042]根據本發明的另一個實施方式，其中，控制系統中可以設置有通信模塊。如圖2所示，通信模塊可以包括線通信模塊210和無線通信模塊211。
[0043]其中，有線通信模塊210包括但不限于USB、RS232串口、RS485串口、RS242串口、并口、I2C、CAN、網口等多種組合或其中一種通過線纜傳輸數據的結構。
[0044]無線通信模塊211包括但不限于RF射頻、藍牙、WIF1、紅外等多種組合或其中一種通過無線傳輸數據的結構。
[0045]根據本發明的另一個實施方式，其中，控制系統中可以設置有存儲單元或存儲接口 205。存儲單元包括但不限于各種閃存、SD卡、TF卡、SSD盤等。
[0046]根據本發明的另一個實施方式，其中，控制系統可以設置有電源模塊207，該電源模塊用于管理和控制原位掃描裝置中各部件的休眠、啟動和節電運行，該電源模塊中可以設置有用于供電的可充電電池。
[0047]根據本發明的另一個實施方式，其中，控制系統可以設置有液晶顯示模塊212，掃描部100側面設置有與該液晶顯示模塊位置相對應的顯示窗口 105，參考圖1和圖2。
[0048]圖3是根據本發明的另一個實施方式的原位掃描裝置的控制手柄。在該實施方式中，原位掃描裝置還可以包括控制手柄315，其用于與控制系統以無線或有線方式進行連接，并實現控制。控制手柄315上可以設置有數據傳輸開關316和開始/停止掃描開關317。數據傳輸開關316用于控制掃描裝置主體上的控制系統與其他終端之間的數據傳輸。例如，通過通信模塊與電腦進行通信，實現掃描的數據圖像從控制系統的存儲單元或存儲接口上插放的存儲卡上傳至電腦中進行瀏覽和后續處理。還可通過無線通信模塊與其他有無線傳輸功能的設備進行通信，實現掃描的數據圖像從系統的存儲單元或存儲接口上插放的存儲卡上傳至電腦、筆記本、掌上設備、智能手機或嵌入式系統中進行瀏覽和處理。開始/停止掃描開關317用于啟動或停止掃描裝置。
[0049]根據本發明的另一實施方式，在前導向部和后導向部與掃描部之間的接合處設置有防塵結構104A、104B。防塵結構可以是設置為間隙較小的彎道結構的前防塵槽104A和后防塵槽104B，該結構減小了兩個有相對運動物體之間的間隙，增長了空氣、灰塵、土粒進入裝置內部需要經過的距離，從而大幅降低灰塵和土粒進入裝置的概率。
[0050]根據本發明的另一實施方式，其中，控制系統還可以包括多個功能按鈕208、107，其設置在掃描部100的側面上，可用于設置控制系統的參數。
[0051]根據本發明的另一實施方式，其中，控制系統還可以包括多個狀態指示燈，用于顯示控制系統中各部件的運行狀態。
[0052]根據本發明的另一實施方式，其中，前導向部102A和后導向部102B上設置有導向輪103，用于協助主機原位測量時在根管中平滑的進出。
[0053]根據本發明的原位掃描裝置，其中，控制系統還可以包括:線陣感光傳感器202、數據緩存(可以包括線陣數據緩存203和面陣數據緩存204)、時序控制模塊206。[0054]如圖1所示，掃描部100為原位掃描裝置的重要部件，上面帶有線陣感光傳感器101、有線傳輸接口 106、顯示屏105、按鈕107。
[0055]如圖2所示，中央處理器201是整個系統的核心，負責將面陣數據緩存204中的原始圖像數據生成圖像文件(格式包括但不限于JPG、PNG、GIF、TIF)和格式文件(包括但不限于roF、D0C、D0CX、RAW)。將這些文件存入內置或外置的存儲單元中。通過電源模塊207管理和控制原位掃描裝置中各部件的休眠、啟動和節電運行。接收用戶的控制按鈕209、316、317,107的動作來設置系統的參數和控制系統的工作。通過電機驅動模塊208讓電機以與需要的分辨率相對應的速度勻速旋轉，即可以通過控制旋轉速度來適應不同的分辨率。還可以通過中央處理器201控制液晶顯示屏212的顯示，顯示系統的工作狀態、剩余電池電量、已經存儲的圖像數量、圖像掃描質量信息、存儲的文件格式等信息。通過中央處理器201控制狀態指示燈213的亮滅提示系統的工作狀態。
[0056]線陣感光傳感器202是由很多微小感光點緊密排列為一條直線的傳感器，每個感光點間距大約28 μ m。每個感光點前面都有一個微型透鏡，能將距離IOmm光強收集聚焦到感光點上。感光點的核心元件是MOS電容，將光子轉化為電子，經過時序控制模塊206將電子轉化為電流串行存儲到線陣數據緩存203中，這樣掃描到的一行圖像數據便被臨時記錄下來，時序控制模塊206給電機驅動模塊208運動時鐘信號，讓電機旋轉一個角度后，再控制線陣感光傳感器202進行下一行數據的掃描。這樣周而復始，系統便能掃描完一整圈360度的根系圖像，或為了防止旋轉機構中的齒輪間隙進行超過360度范圍的根系圖像掃描；掃描角度不限于360度，可以由中央處理器任意設置。
[0057]圖4是根據本發明的一個實施方式的原位掃描裝置的局部結構示意圖。掃描部100中可以設置有電機413，其中，電機413外殼412與掃描部100固定，電機轉子414與導向部102A或102B固定。當電機驅動模塊108給電機413輸出電信號時電機轉子414相對電機413轉動，而導向部件與透明管管壁是固定的，使得掃描部100繞軸向旋轉掃描。不同于C1-600，本發明在設計上沒有起始和終止點，可以在任意位置開始和停止掃描，起始點和終止點由中央處理器201通過時序控制模塊206精確控制，不存在像C1-600有標記桿之類致使不能旋轉整周的阻擋物。
[0058]線陣數據緩存203的作用是將線陣感光傳感器202掃描的一行圖像數據臨時記錄下來，因為線陣感光傳感器202只能實現將光信號轉化為電信號的功能，再次掃描時會將原來的信號完全覆蓋，不能將這種電信號記錄下來。線陣數據緩存203的特點是數據存儲速度快，但成本高，空間小，因此只用來將線陣感光傳感器202的數據進行快速臨時緩存。當線陣數據緩存203中的每收集到完整的一行圖像數據便在時序控制模塊206的時序控制下將這一行圖像數據提交給面陣數據緩存204中進行存儲，數據提交完成后便釋放此段空間以便存儲新的來自線陣感光傳感器202的圖像數據。
[0059]面陣數據緩存204的作用是將來自線陣數據緩存203中的臨時數據進行較長一段時間的存儲。其特點是讀寫速度適中，空間較大，成本適中。面陣數據緩存204接收到線陣數據緩存203提交的完整的一行圖像數據后便按提交的先后順序連續存儲起來，系統沒掃描完一個角度，面陣數據緩存204中增加一行新的數據，這樣當掃描完成后，面陣數據緩存204中便記錄下了所有原始數據，但這種數據也是臨時數據，系統關機斷電后數據便消失了，不能永久存儲下來。另外這種數據是圖像的原始數據，不是通用圖像格式，不能被圖像軟件識別和分析，并且這種原始數據過于龐大，不便于存儲和傳輸。因此當掃描工作完成后面陣數據緩存204便將整幅圖像數據提交給中央處理器201，中央處理器201將原始的圖像數據轉化為標準的圖像文件或格式文件，這樣存儲空間會小很多，并且可以被縱多圖像軟件或其他專用軟件識別瀏覽和處理。
[0060]存儲單元或接口 205的作用是將處理完成的圖像文件或格式文件存儲起來，以便上傳到電腦或其他終端設備上。其特點是容量非常大，成本較低，即使斷電后文件也不會丟失。
[0061]時序控制模塊206的作用是為線陣感光傳感器202和電機驅動模塊208提供時鐘
信息，讓其按設定的頻率采集圖像信號和旋轉。
[0062]電源模塊207的作用是管理和控制所述原位掃描裝置中各部件的休眠、啟動和節電運行，將輸入的電壓進行穩壓和濾波后提供給系統各個元件，并且還可以包括可充電電池。另外，還可以接收中央處理器201的控制休眠或自動關機信號，當系統開機但沒有進行掃描時，電源模塊207不會開啟照明光源和電機，保存系統功耗在一個比較低的水平上，當系統在一定時間內沒有任何操作時，中央處理器201會通知電源模塊207讓其斷電，實現系統自動關機的目的。
[0063]根據本發明的原位掃描裝置可設置無線通信模塊，通過無線連接，方便野外操作，可以連接的設備眾多，并且可以實現一對一或多個設備同時連接和通信；或者無線通信模塊211與具有通信協議轉換功能的設備連接后，實現上述功能。
[0064]液晶顯示屏212的作用是將系統的參數顯示出來，方便操作者觀察其狀態。顯示的內容包括掃描圖像的分辨率、已經存儲圖像的數量、通信狀態等信息。
[0065]控制按鈕209的作用是讓操作者控制系統的工作，可以控制其開始/停止掃描，設定掃描的分辨率，開啟/關閉無線功能等。
[0066]狀態指示燈213的作用是將系統的實時狀態以最為顯著的方式提醒操作者，例如系統是否正在掃描中，無線功能是否已經被開啟等。
[0067]掃描部100帶有參數設置按鈕107，方便進行測量參數的設置。
[0068]掃描部件100與帶有刻度的連接桿108連接時，可用于確定掃描部100在透明筒中的位置深度。
[0069]掃描部100與控制手柄315通過控制線109或無線連接，使操作者能通過控制手柄215控制裝置開始或停止掃描，或開啟/關閉無線通信功能。
[0070]在使用本發明的原位掃描裝置時，可以在被觀測植物周圍或者土壤或巖土或其他需要研究的對象中，用土鉆打孔，埋入底部封閉的透明管，將連接桿108、控制線109與后導向部102B相連，將裝置放入透明管中。按下開始/停止掃描開關317，掃描部件100開始做圓周掃描，掃描完成后可以通過連接桿108變換裝置放入的深度再次進行掃描。掃描完成后按下無線傳輸開關316，通過諸如手機、電腦或其他終端接收掃描的圖片或文件。完成測量工作后將裝置從根管中取出，卸下連接桿108和控制線109即可。
[0071]本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發明權利要求所界定的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種原位掃描裝置，其包括掃描裝置主體和連接桿，所述掃描裝置主體包括: 導向部，包括前導向部和后導向部，用于在向透明管中放置所述掃描裝置主體或從所述透明管中取出所述掃描裝置主體時引導所述掃描裝置主體； 掃描部，用于相對于所述導向部繞軸向轉動，對所述透明管外壁進行掃描并采集數據； 所述掃描部或所述導向部中設置有電機，該電機用于驅動所述掃描部相對于所述導向部轉動； 所述連接桿與所述掃描裝置主體相連接，并在所述掃描裝置主體進出所述透明管時牽引所述掃描裝置主體； 其特征在于，所述原位掃描裝置還包括設置在所述原位掃描裝置主體中的控制系統，該控制系統包括:中央處理器，用于所述控制系統中的數據處理及各部件的控制；電機驅動模塊，該電機驅動模塊以與所需要的分辨率相對應的轉速驅動所述電機。
2.如權利要求1所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有通信模塊，該通信模塊用于通過有線或無線方式與外部終端實現數據交換。
3.如權利要求1所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有存儲單元或存儲單元接口。
4.如權利要求1至3任何一項所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有電源模塊，該電源模塊用于管理和控制所述原位掃描裝置中各部件的休眠、啟動和節電運行，該電源模塊包括用于供電的可充電電池。
5.如權利要求4所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統設置有液晶顯示模塊，所述掃描部側面設置有與該液晶顯示模塊位置相對應的顯示窗口。
6.如權利要求5所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述原位掃描裝置還包括控制手柄，其用于與所述控制系統以無線或有線方式進行連接，并實現控制。
7.如權利要求6所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述前導向部和所述后導向部與所述掃描部之間的接合處設置有防塵結構。
8.如權利要求7所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統還包括多個功能按鈕，其設置在所述掃描部的側面上，用于設置所述控制系統的參數。
9.如權利要求8所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述控制系統還包括多個狀態指示燈，用于顯示所述控制系統中各部件的運行狀態。
10.如權利要求9所述的原位掃描裝置，其特征在于，所述前導向部和所述后導向部上設置有導向輪。
【文檔編號】G01N21/84GK103454279SQ201310399701
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】畢昆, 何競澤, 黃菲菲 申請人:畢昆
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