潮滩微地貌动态变化检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及微地貌检测技术领域，具体地，涉及一种潮滩微地貌动态变化检测装置。


背景技术：

2.河口潮滩在世界沿海生态安全和我国国家重大战略布局中占有极为重要地位，属于稀缺性资源。但受海平面上升和流域入海泥沙急剧减沙影响，全球已出现较大规模河口滩涂永久性损失，引起大河河口巨型三角洲衰退、城市防灾减灾能力明显降低。定量摸清沿海潮滩地貌资源时空格局显然具有重大实践价值。然而，一是潮滩属于潮涨而没潮落而出短暂暴露空气中的特殊地貌，宽可达上公里的潮滩地貌很难利用仪器在有限时间(低潮滩面全面出露一般2-3小时)监测；二是潮滩出露滩面将会残留积水，这又限制光学仪器探测积水以下地貌变化的可能；三是是滩面沉积物松软极易塌陷且有生物干扰，导致人力较难涉滩、常规仪器接触滩面失陷而影响滩面监测精度。此外，潮滩地貌坡度相对平缓，无人飞机测高很难反映滩面短期及瞬时变化，尤其在台风及风暴潮恶劣天气的影响下，滩面微地貌的变化信息难以捕获，特别是潮滩地貌在风暴影响的临界8m水深位置的变化没有任何报道。潮滩立体监测是世界海岸地貌研究中无法攻克的难点。
3.当前风暴潮频繁且强度加剧，绿色海堤是较佳选择，但涉及潮滩生物的生长、发育及如何和地貌相互作用的过程也没有数据支撑，从而影响绿色海堤配置及构建。简而言之，如何能够准确量化潮滩面积或潮滩高程，当前没有简单、高效和高精度的快速和自动测量潮滩地貌、潮滩生物变化及和地貌相互作用的仪器，给政府动态掌握滩涂稀缺资源带来了难度。
4.专利文献cn112880582a公开了一种用于潮间带潮滩底床局部冲淤变形的监测装置，包括监测组件、导流组件和无线信号传输组件；所述监测组件包括至少一个监测箱，各监测箱内部通过升降轴安装有摄像机；各所述监测箱下方固定有内部设有蓄电池的底座，所述底座一侧活动连接有避免监测箱下沉的支撑杆；底座和支撑杆将监测箱固定在滩体内部，升降轴使得摄像机镜头与滩面齐平，但该设计无法实现滩潮的立体监测且在恶劣条件下实用性差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种潮滩微地貌动态变化检测装置。
6.根据本实用新型提供的一种潮滩微地貌动态变化检测装置，包括支撑架、密封腔体、采集单元、控制单元以及供电单元；
7.所述支撑架的底部安装在潮滩上，所述密封腔体安装在支撑架的顶部且内部具有容纳空间，所述采集单元、控制单元、供电单元均安装在所述容纳空间中，所述采集单元包括水下工作模式和水上工作模式，其中：
8.所述控制单元与采集单元电连接；
9.所述供电单元分别与控制单元、采集单元电连接。
10.优选地，所述密封腔体包括固定壳体、第一密封盖以及第二密封盖；
11.所述第一密封盖、第二密封盖分别可拆卸的安装在固定壳体的两端，所述固定壳体采用透明材质制作；
12.所述采集单元包括水体检测传感器，所述水体检测传感器安装在所述固定壳体的内壁上并分别与所述控制单元、供电单元电连接。
13.优选地，还包括驱动单元以及固定板，所述驱动单元、固定板均安装在所述容纳空间中；
14.所述固定板的一端可拆卸的安装在所述第一密封盖上，所述固定板的另一端可插拔的安装在第二密封盖上；
15.所述采集单元包括激光测距传感器以及声呐传感器，所述固定板上设置有第一安装面，所述驱动单元安装在所述第一安装面上且能够驱使所述激光测距传感器沿第一方向运动和/或绕第二方向转动，所述第一方向平行于第二方向，其中，
16.在水下工作模式时，所述声呐传感器工作；
17.在水上工作模式时，所述激光测距传感器工作。
18.优选地，所述驱动单元包括第一电机以及第二电机；
19.所述第一电机能够驱使所述激光测距传感器沿第一方向运动，所述第二电机能够驱使所述激光测距传感器绕第二方向转动。
20.优选地，所述驱动单元还包括驱动支撑壳、驱动丝杆、滑块以及安装座；
21.所述滑块的上端通过自身具有的内螺纹孔匹配套装在所述驱动丝杆上，所述驱动丝杆安装在所述驱动支撑壳并能够在第一电机的驱使下转动进而使所述滑块沿所述驱动丝杆轴向运动从而带动安装在滑块下端的第二电机同时运动，所述驱动丝杆轴向为第一方向；
22.所述安装座上设置有第三安装面，所述激光测距传感器安装在所述第三安装面上且激光射出方向朝向所述潮滩；
23.所述第二电机能够驱使安装座带动所述激光测距传感器绕所述第二电机轴向转动进而调整激光射出方向，所述第二电机轴向为第二方向。
24.优选地，所述采集单元还包括摄像头，所述摄像头用于在采集视野内的图像实现图像信息采集；
25.所述摄像头采用可见光摄像机；
26.所述激光测距传感器的数量为一个或多个，所述摄像头的数量为一个或多个。
27.优选地，所述第一电机、第二电机均采用步进电机；
28.所述第二电机上设置有角度传感器用以检测所述激光测距传感器转动的角度。
29.优选地，所述控制单元包括单片机、gps/北斗模块、通讯模块以及后台服务器；
30.所述gps/北斗模块与所述单片机信号连接，所述后台服务器通过所述通讯模块与所述单片机信号连接；
31.所述单片机分别与激光测距传感器、第一电机、第二电机、采集单元所具有的摄像头信号连接。
32.优选地，所述供电单元包括太阳能板，所述固定板上设置有第二安装面，所述太阳能板安装在所述第二安装面上；
33.所述太阳能板通过太阳能控制器电连接所述供电单元。
34.优选地，所述密封腔体还包括固定座以及中间支撑轴；
35.所述固定座上设置有第一中间定位孔以及沿所述第一中间定位孔周向布置的固定座插接孔，所述中间支撑轴的一端安装在所述第一中间定位孔中，所述固定板的另一端匹配插接在固定座插接孔中；
36.所述第二密封盖上设置有第二中间定位孔，当将所述第二密封盖向固定壳体上安装时，所述中间支撑轴的另一端随着所述第二密封盖端部朝向固定壳体内部的运动逐渐沿轴向方向运动到所述第二中间定位孔的内部。
37.与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
38.1、本实用新型中的采集单元能够在水上和水下两种工作模式下工作，能够适应外界各种复杂环境下的潮滩地貌的信息获取，解决了因潮滩特殊沉积及生物环境而难以量化其地貌高程和反演地貌形态快速变化的难题。
39.2、本实用新型在水上工作模式下通过机械滑动和摆动的驱动单元，驱动激光测距传感器在一定的范围内进行摆动扫描测量，机械自动摆动的广角扫描实现激光测距，有效避免滩面坑洼、积水、生物干扰等影响。
40.3、本实用新型中的密封腔体采用亚克力透明材质，两侧通过密封圈密封盖采用密封结构，设备轻便，不易渗漏，同时通过设计确保了检测装置能承受最大水深可达8m的静水淹没浸泡压力而不爆裂；又能长期承受海水腐蚀，从而保障检测设备在保持密闭性的前提下工作。
41.4、本实用新型中的摄像头可采用可见光摄像机对检测区域进行连续拍摄，记录长时间尺度下，检测区域地貌变化、生物活动规律、漂浮物影响情况等信息；同时结合获取的照片影像数据，能够清晰展示宜林植物幼苗生长和大型底栖动物活动足迹对地貌的影响机制。
42.5、本实用新型成像数据采用双存储模式，在水上时采用4g或5g网络将采集到的信息传输至智能终端，在水下时存贮于设备内待到达水上时再传输信息，不受海况影响，可及时与后台进行通信，并将采集的数据和仪器工作状态实时显示在智能终端的界面上，供用户实时查询相关数据，便于科学分析及研究。
43.6、本实用新型采用太阳能充电装备，能在滩面进行检测长达4-5个月的时间，解决传统仪器因电池能耗而难以长期待电工作的问题。
附图说明
44.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
45.图1为本实用新型中密封容器安装在支撑架上时的结构示意图；
46.图2为本实用新型爆炸结构图的立体结构示意图；
47.图3为本实用新型爆炸结构图的侧视示意图；
48.图4为密封盖、固定板以及第二密封盖的结构示意图。
49.图5为驱动单元的结构示意图；
50.图6为控制单元控制以及通讯结构简图。
51.图中示出：
52.支撑架1
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固定座17
53.密封腔体2
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l形支撑件18
54.容纳空间3
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密封圈19
55.固定壳体4
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固定座插接孔20
56.第一密封盖5
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锂电池组21
57.第二密封盖6
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锂电池保护罩22
58.固定板7
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第一中间定位孔23
59.激光测距传感器8
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第二中间定位孔24
60.第一电机9
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摆动测量角度范围25
61.第二电机10
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摆动测量潮滩底面范围26
62.驱动支撑壳11
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激光测距传感器射线27
63.驱动丝杆12
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激光测距传感器安装位置28
64.滑块13
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gps/北斗模块29
65.安装座14
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声呐传感器30
66.摄像头15
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太阳能控制器31
67.太阳能板16
具体实施方式
68.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
69.实施例1：
70.本实用新型提供了一种潮滩微地貌动态变化检测装置，如图1、图2、图3、图 4、图5、图6所示，包括支撑架1、密封腔体2、采集单元、控制单元以及供电单元，支撑架1的底部安装在潮滩上，密封腔体2安装在支撑架1的顶部且内部具有容纳空间3，支撑架1采用铝型材制作而成，优选采用可拆卸的连接方式，便于安装拆卸，方便运输，支撑架1用于整个检测装置的支撑安装，根据实际的应用场景可将密封腔体2固定在需要的高度和倾斜角度，以便于采集单元采集信息。
71.密封腔体2包括固定壳体4、第一密封盖5以及第二密封盖6，第一密封盖5、第二密封盖6分别可拆卸的安装在固定壳体4的两端。
72.进一步地，第一密封盖5能够通过匹配的螺纹配合结构旋拧在固定壳体4上且固定壳体4和第一密封盖5之间设置由一个密封圈19保证密封效果，同理，第二密封盖6和固定壳体4之间也采用螺纹配合并且通过另一个密封圈19进行密封。
73.本实用新型中还包括驱动单元以及固定板7，驱动单元、固定板7均安装在容纳空间3中，固定板7作为容纳空间3内部各个元件承载的结构，固定板7的一端可拆卸的安装在
第一密封盖5上，固定板7的一端优选通过l形支撑件18可拆卸的安装在第一密封盖5上，固定板7的另一端可插拔的安装在第二密封盖6上。
74.进一步地，密封腔体2中还包括固定座17以及中间支撑轴，固定座17上设置有第一中间定位孔23以及沿第一中间定位孔23周向布置的固定座插接孔20，固定座17布置在固定板7和第二密封盖6之间，固定座17用于在第二密封盖6安装时对固定板7另一端的支撑，固定壳体4、固定座17均优选为圆柱形结构且固定座 17的外径略小于固定壳体4的内径，因此在第二密封盖6安装前，可先将固定座 17安装到固定壳体4的内部并对固定板7的端部进行支撑以保证固定板7被固定在容纳空间3中设定的位置，中间支撑轴的一端安装在第一中间定位孔23中，固定板7的另一端匹配插接在固定座插接孔20中，第二密封盖6上设置有第二中间定位孔24，当将第二密封盖6向固定壳体4上安装时，中间支撑轴的另一端随着第二密封盖6端部朝向固定壳体4内部的运动逐渐沿轴向方向运动到第二中间定位孔24 的内部，中间支撑轴保证了第二密封盖6与固定座17能够同轴布置在固定壳体4 上，有效保证了固定板7能够被固定到所需的安装位置。
75.采集单元、控制单元、供电单元均安装在容纳空间3中，采集单元包括两种工作模式，分别为水下工作模式和水上工作模式，其中，控制单元与采集单元电连接，控制单元能够根据采集单元反馈的第一信息指导采集单元在相匹配的工作模式下采集视野内的图像信息以及距离信息进而获得第二信息并将采集到的第二信息反馈到控制单元进而获得潮滩地貌信息，供电单元分别与控制单元、采集单元电连接为各个部件进行供电。固定壳体4采用透明材质制作，固定壳体4、第一密封盖5 以及第二密封盖6均优选采用亚克力材质制作，保证了设备承载的轻便，同时，亚克力材质为透明材质，保证了采集单元透过固定壳体4采集潮滩的图像信息以及距离信息，且固定壳体4、第一密封盖5以及第二密封盖6均能够长期承受海水腐蚀进而能够使内部各部件不损坏。
76.采集单元包括水体检测传感器，水体检测传感器安装在所述固定壳体4的内壁上并分别与控制单元、供电单元电连接，用于获得第一信息，第一信息为判断固定壳体4处于水下或是水上，进而将获得的第一信息反馈给控制单元，控制单元再根据获得的第一信息控制采集单元切换到相应的工作模式上工作。
77.采集单元包括激光测距传感器8以及声呐传感器30，声呐传感器30优选采用 dyw-200-as型水声换能器，能够实现在水下距离信息的检测。固定板7上设置有第一安装面，声呐传感器30优选安装在第一安装面上，驱动单元安装在第一安装面上。水体检测传感器优选采用xkc-y25-v型非接触式液位传感器进而判断固定壳体 4处于水下或是水上进而实现控制单元控制采集单元调整工作模式，其中，在水下工作模式时，控制单元控制声呐传感器30工作获取第二信息，在水上工作模式时，控制单元控制激光测距传感器8工作获取第二信息。
78.进一步地，在水上工作模式下驱动单元能够在控制单元的控制下驱使激光测距传感器8沿第一方向运动和/或绕第二方向转动进而实现距离信息的广角扫描采集，第一方向平行于第二方向。
79.进一步地，驱动单元包括第一电机9以及第二电机10，第一电机9能够驱使激光测距传感器8沿第一方向运动，第二电机10能够驱使激光测距传感器8绕第二方向转动。第一电机9、第二电机10均采用步进电机，能够调节激光测距传感器8 运动的距离或转动的角
度，第二电机10上设置有角度传感器用以检测激光测距传感器8转动的角度，确保激光测距传感器8检测角度的精确性采集。
80.驱动单元还包括驱动支撑壳11、驱动丝杆12、滑块13以及安装座14，滑块13 的上端通过自身具有的内螺纹孔匹配套装在驱动丝杆12上，驱动丝杆12安装在驱动支撑壳11并能够在第一电机9的驱使下转动进而使滑块13沿驱动丝杆12轴向运动从而带动安装在滑块13下端的第二电机10同时运动，驱动丝杆12轴向方向为第一方向，安装座14上设置有第三安装面，激光测距传感器8安装在第三安装面上且激光射出方向朝向潮滩，第二电机10的输出轴连接安装座14，第二电机10 能够驱使安装座14带动激光测距传感器8绕第二电机10轴向转动进而调整所激光射出方向，第二电机10轴向方向为第二方向。本实用新型在水上工作模式下采用滑动与摆动相结合的动作测量方式，对监测区域进行点阵测量，通过计算可得出测量区域的微点云地形图，实现对研究区域地貌的监测。现有激光雷达仪器，虽可以获取被测区域的点云数据，但无法做到实时监测，且成本及维护费用较高。
81.采集单元还包括摄像头15，摄像头15优选安装在第一安装面上，摄像头15用于在采集视野内的图像实现图像信息采集，摄像头15采用可见光摄像机，在实际应用中，激光测距传感器8的数量可以为一个，也可以为多个，摄像头15的数量可以为一个，也可以为多个，以满足信息采集的需求。本实用新型中的可见光摄像机，可获取潮滩三维地貌、底栖动物足迹及宜滩植物生长的动态变化数据，为后期分析潮滩地貌变化机理、成因提供依据，同时结合人工智能算法和数据处理方法，可以尝试获取滩涂等高线、掏蚀坑、陡坎及植物生长及动物活动等生物地貌信息。本实用新型既兼具揭示三维地貌、植物幼苗生长及底栖动物活动的各自规律，又展示地貌、植被及动物的耦合过程。
82.控制单元包括单片机、gps/北斗模块29、通讯模块以及后台服务器，gps/北斗模块29与单片机信号连接，后台服务器通过通讯模块与单片机信号连接，单片机作为整个系统的控制中心，单片机分别与激光测距传感器8、第一电机9、第二电机10、采集单元所具有的摄像头15信号连接，在水上工作模式下，单片机可将获得的信息直接传送至后台服务器，在水下工作模式下可将采集到的信息先储存到单片机缓存区，待设备到上面上时再传送至后台服务器。
83.供电单元包括太阳能板16，固定板7上设置有第二安装面，第一安装面与第二安装面相背设置，太阳能板16安装在第二安装面上，太阳能板16通过太阳能控制器31电连接供电单元，太阳能板16为供电单元提供电能，太阳能控制器31可以根据内部空间的布置安装在固定板7上，如第一安装面上。供电单元包括锂电池组 21，锂电池组21的外部设置有锂电池保护罩22，锂电池组21可进行充电和放电。在实际应用中，本实用新型中的摄像头15、声呐传感器30也可以根据实际空间的需求安装在锂电池保护罩22的外部并朝向固定壳体4的外部，如图3所示，可以充分利用内部空间。
84.本实用新型可长期不间断监测每一次潮涨潮落过程中潮滩局部地貌的微变化情况、植物幼苗生长及动物形态与活动足迹、生物与地貌的耦合过程，识别精度达到毫米级，现有仪器难以实现。如：rtk和无人机航测的垂直精度在厘米级左右，且无法做到实时可视化监测，最大水深可到台风风暴潮对潮滩剖面影响的临界水深
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8m。
85.本实用新型可以以逐日、逐月、季节及年的时间尺度对研究区域进行自动监测，现有仪器和技术路线根本不能做到长时间与高分的自动监测，间或性的工作亦需要投入较大
人力物力，研究成本相对较高。
86.由于潮滩地貌并非平整的，而是存在坑洼、隆起、积水等现象，为精准测出潮滩实际高程，只靠单点测量并不适合。如：在激光测距传感器8测量点下，刚好有动物移动或踩下脚印，则所测得的数据并不是潮滩实际地面高程。所以本实用新型采用滑动加摆动测量的方案，通过设计滑动加摆动结构，将激光测距传感器8在一定角度(摆动角度可由用户设定)范围内摆动并进行测量，然后将激光测距传感器8 横移一定距离(5-10cm)，再进行摆动测量，如此往复，完成对测量区域的面扫描测量，最后经过三角换算及系列优化算法得出地面高程点阵，有效避免滩面坑洼、积水、生物干扰等影响。
87.通过设计支架安装激光测距传感器8，使用步进电机驱动，安装实现摆动的功能，采用螺纹驱动丝杆的方案，将摆动测量机构安装于水平固定板7上，达到水平横移的目的。为确保摆动测量时，步进电机转动顺畅、省力、降低功耗，同时提高测量精度，激光测距传感器8安装尽可能的将重心放置于步进电机转动轴线上。
88.采用可见光摄像头，在激光测量时进行摄像，既达到实行实时反演潮滩微地貌变化，同时又可通过摄像分析潮滩微地貌的变化是纯属于自然应力所致，还是为人为干扰或动物影响，此外，长时间的动态视频监测也能准确反映宜林植物的发育过程，大型底栖动物的活动遗迹，并由此能侦探地貌和生物是如何互动影响。故本实用新型不仅能自动辨别潮滩微地貌变化过程，同时也可揭示影响地貌变化的可能缘由及生物与地貌变化的互馈机制，从而为滩涂生态安全与修复提供重要理论依据。
89.实施例2：
90.本实施例为实施例1的优选例。
91.本实施例中的检测装置需要安装于潮滩上，要承受涨潮后海水的长时间浸泡，考虑到当前全球沿海潮滩所在位置的最大潮差可达6m，台风风暴潮对水下泥沙影响的水深约为8m，即潮滩剖面在8m以浅的水深范围是处于活动状态，故本容器结构要能抗腐蚀、抗静水(最深约6～8m)压强、抗长时间浸泡。本实用新型密封结构部分密封腔体2采用内径90mm，外径100mm的透明亚克力管作为安装容器，亚克力管两头加工内螺纹，配合外螺纹盖和硅胶密封圈19实现密封防水、防浸泡效果。
92.本实用新型控制单元采用stm32l071c8t6单片机作为主控芯片，其具有超低功耗功能，为仪器长续航提供基础保障。测距功能使用激光测距传感器8完成，成像功能使用高分摄像头完成，随后组合这两个模块形成潮滩微地貌三维建模，实现潮滩微地貌的检测。这两个模块可在强光下工作，正常的太阳光线照射下，依然能保证测距精度达
±
1mm，其工作模式为单点测量方式，仪器定位和授时采用gps/北斗模块29实现，通过接收gps和北斗卫星信号进行精确定位，确定仪器安装经纬度，并实现精确授时功能，为测量记录提供精确时间点。仪器与后台、前端的通信，采用4g模块或5g模块进行，仪器测量、采集的数据自动存贮于设备，同时通过4g 模块或5g模块传输至后台服务器，与后台服务器相连的智能终端的前端界面通过访问后台服务器的方式获取数据，并显示出来，智能终端包括移动端、pc端以及 web端，供用户查询、处理。
93.本实用新型中，潮滩地貌变化细微且快速，既需要高分和高频监测其短期瞬时变化，同时又需要长时间监测、记录以刻画其变化趋势，特别是台风恶劣天气更需要仪器抗压和成本低耗；同时仪器安装的研究区域和仪器安装后不便移动以尽量维持原始自然状态，
不宜采用更换电池或现场充电的方式进行补充电量，所以要求本仪器在充满一次电之后，能确保长时间工作通常为3-5个月。本实用新型采用18650 电池组12v 19200mah进行供电，通过采用低功耗控制算法，将仪器的功耗压缩至最低，实现该电池组单次循环能保证仪器可工作至少1个月。为进一步延长续航能力，本实用新型增加太阳能电池板，实现太阳能充电功能，在太阳光照充足的情况下，能为电池组进行充电，而增加续航时间，实现至少4-5个月的续航能力。
94.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
95.以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。