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鉆孔無線攝影儀的研究

文檔作者：張桁維L2，梁晉1’2 文檔來源： 1．西安交通大學機械工程學院 2．機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年04月26日
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第40卷第3期
2018年3月
能源與環(huán)保
China Energy and Environmental Protection
V01．40 No．3
Mar． 2018
鉆孑L無線攝影儀的研究
張桁維L2，梁晉1’2
(1．西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049；2．機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安710049)
摘要：針對有線鉆孔攝影儀在實際應用中無法對水平鉆孔或仰角孔進行測量以及使用不便等問題，提
出了鉆孔無線攝影儀，并論述了其組成及工作原理，介紹了探頭單元的硬件電路設計和軟件編程、主
機單元的硬件電路設計和軟件編程，詳細論述了以STM32F4單片機為核心、通過圖像采集0V7670攝
像頭模塊，將采集圖片存儲在探頭中，通過主機進行圖像的取舍，并通過T訂液晶顯示屏將圖像顯示
出來，從而完成無線攝影過程。實驗結果表明，以無線方式設計的鉆孔攝影儀，能全方位進行鉆孔攝
影，直觀快速地觀測井下狀況，為礦井工程設計及施工提供了可靠數(shù)據(jù)，其使用方便、適用范圍廣。
關鍵詞：無線攝影儀；鉆孔探測；OV7670攝像頭模塊；井下勘探
中圖分類號：TDl78 文獻標志碼：A 文章編號：1003—0506(2018)03—0108—04
Research on drilling wireless camera
Zhang Hengweil一．Liang Jinl’2
(1．School ofMechanical Engineering，Xi’on Jiaotong University，Xi’an 710049，China；
2．State Key Laboratoryfor Manufacturing Systems Engineering，Xi’an 710049，China)
Abstract：In allusion to the problem that the wired drilling camera can not measure the horizontM drilling or elevation hole in the practi—
cal application and the inconvenience of the use，to propose the composition and working principle of the drilling wireless camera and to
introduce the hardware circuit design and software programming of the probe unit，the hardware circuit design and software programming
of the host unit．This device took the STM32F4 single chip microcomputer as the core，through the image acquisition OV7670 camera
module，the collected images were stored in the probe．Through the host for image selection，the TFr LCD screen displayed the image to
complete the wireless photography process．The experimental results showed that the wireless drilling camera for photography can rapid
observe the underground conditions for mine
engineering design，construction provided reliable data and it was easy to be used and
which has a wide application．
Keywords：wireless camera；drilling hole detection；OV7670 camera module；underground exploration
O 引言
煤炭是我國的主要能源，約占一次能源的
70％，同時也是高危行業(yè)，礦井的瓦斯安全事故、滲
水安全事故是嚴重威脅井下作業(yè)人員生命安全、影
響礦井正常生產(chǎn)的重要災害。為了保障煤礦井下安
全開展施工作業(yè)，通常需要采用鉆孔作業(yè)來進行瓦
斯的排放、放水等‘1～。。
井下的煤巖體中存在著各種結構面，在大多數(shù)
情況下，結構面對煤巖的力學特性、穩(wěn)定性以及施工
作業(yè)的安全性都有很重要的影響。4。。煤礦井下煤
巖體觀察與測試的方法有很多，最直接的方法是專
業(yè)人員通過肉眼進行觀察，但這種方法費時費力，人
為影響因素大。目前，基于圖像采集與處理技術的
鉆孔攝影系統(tǒng)被廣泛采用，常規(guī)的有線鉆孑L攝影儀
在鉆孑L檢測、鉆孔探察地質(zhì)構造、巖層界面、斷層、裂
隙、巖性變化等方面起著重要的作用。有線鉆孔攝
影儀種類較多，通常由探頭、主機、絞車和電纜組成，
收稿日期：2017—12—12；責任編輯：陳朋磊DOI：10．19389／j．cnki．1003—0506．2018．03．023
基金項目：國家自然科學基金資助項目(51675404，51421004)
作者簡介：張桁維(1993一)，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為圖像處理。
引用格式：張桁維，梁晉．鉆孔無線攝影儀的研究[J]．能源與環(huán)保，2018，40(3)：108—111．
Zhang Hengwei，Liang Jin．Research on drilling wireless eanlera[J]．China Energy．a(chǎn)nd Environmental Protection，2018，40(3)：108-lll
·108·
萬方數(shù)據(jù)
2018年第3期張桁維，等：鉆孔無線攝影儀的研究第40卷
這種方法直觀有效，同時可借助錨桿、錨索進行觀
測，測量成本低。煤炭科學研究總院開發(fā)的KDVJ一
400型鉆孔探測儀已廣泛應用于煤礦井下‘5。，在煤
層測量、圍巖變形測量等方面發(fā)揮著重要作用；但其
設備體積龐大、搬運困難，也僅能對垂直鉆孔攝
影[6]。而煤礦井下錨桿孔、地質(zhì)鉆孔多為水平鉆孔
或仰角孔，常規(guī)有線鉆孑L攝影儀無法拍照，因此研究
了無線鉆孔攝影儀。在此基礎上研發(fā)出了1種無線
鉆孑L攝影儀，它在鉆孔中攝影無需電纜，通過鉆桿送
到欲探察的地方進行拍照，既能攝影垂直鉆孑L，又能
在井下攝影水平鉆孔，具有小型、無線和多用等特
點。
1鉆孔無線攝影儀的組成及工作原理
鉆孔無線攝影儀主要由探頭、主機以及它們之
間的通信線組成(圖1)。
卿誼信線
圖1無線鉆孔攝影儀系統(tǒng)
Fig．1 Wireless drilling camera system
系統(tǒng)采用定時連續(xù)攝影工作模式，將主機和探
頭用連線連接，進行同步工作，使主機和探頭同時開
始工作，然后將探頭連接到鉆桿上，送人欲探察處進
行拍照，探頭按設定的時間拍照并將數(shù)據(jù)儲存到存
儲器中，而主機同時記錄照片的有效性，攝影完畢后
取出探頭，并和主機連接，將探頭存儲的有效攝影數(shù)
據(jù)通信到主機中，由主機顯示拍照的圖片。
2探頭單元設計
探頭單元電路組成如圖2所示。
圖像采圖像緩集模塊 —-——■ 存模塊 耕STM?32F4 SD罷掣
0V7670 AL422
圖2探頭單元組成
Fig．2 Probe units composition
探頭的主要功能是采集圖像信息并存儲到存儲
器中，同時將采集的數(shù)據(jù)通信給主機。系統(tǒng)主要由
圖像采集模塊、圖像存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及電
源4個模塊組成。系統(tǒng)控制核心以STM32F4單片
機進行控制，通過軟件編程來控制OV7670攝像
頭一1采集圖像數(shù)據(jù)，攝像頭將采集的圖像信息轉(zhuǎn)化
成為數(shù)字信號，以幀的形式緩存在AL422芯片¨1
中，而單片機通過控制I／O口讀取AL422里面的幀
數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為BMP編碼格式存儲到sD卡
中。
2．1數(shù)據(jù)采集
圖像數(shù)據(jù)的采集使用OV7670攝像頭模塊，
OV7670是Omni Vision公司生產(chǎn)的一款1／6寸、有
效像素30萬的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖
像傳感器，它通過Omni Vision公司定制的2線／3
線制串行攝像頭控制總線SCCB進行控制，通過sc—
CB總線接口實現(xiàn)伽馬曲線、白平衡、飽和度、色度等
圖像處理功能，通過SCCB總線控制，還可以輸出整
幀、子采樣等。OV7670模塊外部硬件電路配置簡
單，將OV7670攝像頭模塊引腳直接與STM32F4單
片機連接，通過軟件編程來實現(xiàn)對OV7670模塊的
控制一j。因在鉆孔中攝影，故應在攝像頭前方安裝
發(fā)光源，且光源在攝影區(qū)域的照明應均勻‘1?，由于
OV7670攝像頭模塊小巧，可方便安裝在探頭上。
2．2數(shù)據(jù)存儲
采用AIA22芯片作為視頻緩沖器，AM22芯片
屬于FIFO器件，是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，將
攝像頭采集的數(shù)據(jù)以幀的形式存儲到AIA22芯片
中。一幀圖像信息包含640 X 480字節(jié)，而AIA22
芯片的容量足夠存儲一幀完整的數(shù)據(jù)信息，且能夠
自動刷新芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)，通過軟件編程來控制
AIA22芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取?J。
圖像保存采用SD卡，SD卡即安全數(shù)碼卡(se—
cure Digital Memory Card)，是一種基于半導體快閃
記憶器的新一代記憶設備，探頭使用4 GB金士頓
SD卡作為大容量存儲器，以保存圖像數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)
將采集到的圖像以BMP(Bitmap位圖文件)圖片文
件格式保存在SD卡中(BMP是Windows操作系統(tǒng)
中的標準圖像文件格式)，系統(tǒng)采用RGB565的方式
進行BMP編碼，每10 S拍攝一次照片并將圖片數(shù)據(jù)
保存‘12j。
2．3數(shù)據(jù)處理
探頭的主要功能是采集圖像信息并存儲到存儲
器中，同時將采集的數(shù)據(jù)傳輸給主機【l3。；探頭系統(tǒng)
采用STM32F4高性能微控制器，STM32F4是sT推
出的一款基于Cortex?一M4為內(nèi)核的高性能微處
．109．
萬方數(shù)據(jù)
2018年第3期能源與環(huán)保第40卷
理器。其內(nèi)部集成了16bit DSP指令集和FPU(浮點
運行單元)，168 MHz的高速性能和采用ART技術
(自適應實時存儲器加速器)，提升了執(zhí)行速度，并
且擁有大容量Flash存儲器，STM32單片機操作簡
單，數(shù)據(jù)處理能力高且速度快，故用STM32F4單片
機作為該系統(tǒng)的主控芯片¨引。
2．4電源設計
攝影儀探頭的電源采用可充電鋰電池組2串2
并組成，并采用低壓差穩(wěn)壓塊LTl965穩(wěn)壓，輸出5
V電壓，供探頭系統(tǒng)工作。
2．5探頭軟件設計
探頭軟件編程如圖3所示。
圖3探頭軟件編程
Fig．3 Probe software block diagram
探頭系統(tǒng)控制模塊的功能是負責圖像數(shù)據(jù)的處
理和各模塊的控制；攝像頭采集模塊的功能是采集
攝像頭數(shù)據(jù)，程序通過控制單片機引腳來控制數(shù)據(jù)
端口和攝像頭‘15。的控制接口即可，通過控制接口操
作控制攝像頭模塊的寄存器，使得攝像頭進行數(shù)據(jù)
采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理；存儲數(shù)據(jù)模塊將數(shù)
據(jù)先存貯到緩存器中再存儲到sD卡數(shù)據(jù)存貯器
中，緩存器AIA22芯片通過編寫相應的程序控制L／
0口引腳進行數(shù)據(jù)的順序?qū)懭胍约皵?shù)據(jù)的讀出，SD
卡與單片機的通信采用發(fā)送應答方式，即主機每發(fā)
送一個命令，SD卡就會給出一個應答，以通知單片
機命令的執(zhí)行情況，采集到的圖像以BMP圖片文件
格式保存在SD卡中；通信模塊將探頭sD卡數(shù)據(jù)存
貯器中的圖片數(shù)據(jù)傳送到主機中。
3主機單元設計
3．1主機單元硬件組成
主機的主要功能是向探頭發(fā)送指令和采集有效
幀，并顯示出攝影照片。主機單元由單片機系統(tǒng)、數(shù)
據(jù)存貯器、鍵盤、顯示器及電源等組成；主機設計以
單片機STM32F4為核心，使用SD卡作為大容量存
儲器以保存圖像數(shù)據(jù)和有效幀數(shù)。為了控制系統(tǒng)的
工作狀態(tài)，設置了2×3行列式鍵盤，顯示器采用
．1 10．
2．4寸的TFr彩屏顯示，分辨率為320×240，采用
QVGA(320×240)模式、RGB565格式輸出圖像數(shù)
據(jù)口6。，只需要控制屏亮度以及顯示的內(nèi)容，通過編
寫軟件程序來實現(xiàn)。主機硬件組成如圖4所示。
一匝至墮圃叫二困
圖4主機硬件電路組成
Fig．4 Host hardware circuit composition
3．2主機軟件編程
主機軟件編程如圖5所示。
圖5主機軟件編程
Fig．5 Host software block diagram
主機系統(tǒng)控制模塊的功能是設置初始工作狀態(tài)
并控制各模塊工作；鍵盤控制能夠查詢鍵盤并向系
統(tǒng)控制模塊發(fā)送指令；圖像顯示模塊將有用的圖片
顯示出來，采用QVGA(320×240)模式、用RGB565
格式輸出圖像數(shù)據(jù)，每幀圖像240行，每行320個像
素，岡0好與TF丁LCD的分辨率及顏色格式相匹配；
置有效值模塊是置各幀的有用信息；存儲數(shù)據(jù)模塊
將數(shù)據(jù)存貯到sD卡數(shù)據(jù)存貯器中，SD卡與單片機
的通信采用發(fā)送應答機制；數(shù)據(jù)通信模塊將探頭采
集的圖片輸送到主機中。17-18：。
4 結論
(1)采用無線攝影技術，鉆孔攝影無需電纜，借
助鉆桿推送探頭，實現(xiàn)了水平和垂直各種鉆孑L的攝
影拍照，使鉆孔攝影簡便易行。
(2)使用無線攝影儀進行鉆孑L探察，通過拍攝
的照片可直觀顯示出在鉆孔某一深度處的巖性、裂
隙和斷層等構造，為探察各種鉆孔增加了有效手段，
對于了解工程孑L內(nèi)的孑L壁情況有極大的幫助。
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