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    一種三頭激光測高測距儀的設(shè)計(jì)

    2016-12-31 00:00:00黃凡彧侯衛(wèi)萍許曉明蘭靜靜任緒燕
    科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年20期

    摘 要:結(jié)合傳統(tǒng)測高儀,以三點(diǎn)測高測距的數(shù)學(xué)原理為基礎(chǔ),采用單片機(jī)、精密角度傳感器、可視激光頭和LED顯示器等構(gòu)件,提出伸縮攝像頭的創(chuàng)新方案,設(shè)計(jì)出一種數(shù)字化、集成化的三頭激光測高測距儀,實(shí)現(xiàn)了測高測距的目標(biāo)功能和測寬、計(jì)算面積的功能,解決了傳統(tǒng)測樹儀器的笨重、效率低等缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化升級。

    關(guān)鍵詞:測高測距儀;單片機(jī);角度傳感器

    我國是森林資源大國,森林資源清查工作量越來越大,但國內(nèi)應(yīng)用的大部分高精度和便攜式的森林計(jì)測設(shè)備主要從國外進(jìn)口[1]。常規(guī)的測樹儀器是森林資源調(diào)查的主要工具,但是傳統(tǒng)國產(chǎn)儀器陳舊、效率低下、費(fèi)用昂貴,嚴(yán)重妨礙了森林資源調(diào)查工作的進(jìn)度,加之調(diào)查準(zhǔn)確度要求日益提高,因此,迫切需要先進(jìn)的測樹儀器來適應(yīng)當(dāng)前的需求發(fā)展。隨著激光技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,測高測距儀器不斷更新?lián)Q代,不斷向著功能一體化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展,大大提高了測量效率,減少了測量誤差[2-5]。

    目前,測高測距儀廣泛應(yīng)用于林業(yè)資源測量、建筑行業(yè)等多個領(lǐng)域,具有重量輕、操作簡單、快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),但由于自身工作原理,也導(dǎo)致了傳統(tǒng)測高測距儀有著明顯的不足,如結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本昂貴等。文章基于三角函數(shù)原理,用可視激光技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù),設(shè)計(jì)一款三頭激光測高測距儀,能解決現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)備的明顯不足,增加測寬功能,使野外測量更加方便快捷準(zhǔn)確,還可應(yīng)用于建筑行業(yè)選址、公共設(shè)施的規(guī)劃、測量房屋面積等其他方面。

    1 三頭激光測高測距儀設(shè)計(jì)方案

    1.1 設(shè)計(jì)原理

    基本原理如圖1所示,點(diǎn)A、點(diǎn)B、點(diǎn)C是并排樹立的三個激光頭,AB之間的距離為a,BC之間的距離為b,將上頭激光器A對準(zhǔn)被測物樹木的最上端點(diǎn),中、下激光攝像頭B、C對準(zhǔn)被測物體樹木最低端點(diǎn),根據(jù)激光頭旋轉(zhuǎn)的角度,得到偏轉(zhuǎn)角θ1、θ2、θ3,由中下激光攝像頭之間的距離b已知,可通過數(shù)學(xué)原理計(jì)算得到被測物與測量儀的水平距離L:

    再根據(jù)三角函數(shù)得到被測物體AB的高度H,

    這樣就可以得到被測物體的高度和距離。

    圖1 測高測距原理示意圖

    1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    三頭激光測高測距儀由測量組件和計(jì)算組件兩部分構(gòu)成。測量機(jī)構(gòu)由三個激光頭、三個傾角傳感器、伸縮桿機(jī)構(gòu)、圓盤卡槽組成,計(jì)算機(jī)構(gòu)由單片機(jī)、拓展板、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、電源和操作面板組成。

    1.3 創(chuàng)新功能

    三頭激光測高測距儀增加了伸縮桿結(jié)構(gòu)和帶有360°刻度的圓盤卡槽結(jié)構(gòu),這兩個機(jī)構(gòu)的結(jié)合,克服了現(xiàn)有測高測距儀誤差大、對不準(zhǔn)的缺點(diǎn),而且實(shí)現(xiàn)了測量傾斜樹木、測量房屋寬度、計(jì)算面積的功能。

    2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    設(shè)備的整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),三個激光攝像頭分別安放在三段伸縮桿上,與角度傳感器機(jī)械固定,通過旋轉(zhuǎn)激光攝像頭對準(zhǔn)被測物體,得到旋轉(zhuǎn)傾角。伸縮桿之間通過彈簧銷固定,伸出時彈簧銷頂出固定孔卡住,縮進(jìn)時按回彈簧銷壓進(jìn)伸縮桿,這樣即可以在不使用的情況下減小占用空間、方便攜帶,而且在使用時增大激光攝像頭之間的距離,減小測量誤差。

    測量機(jī)構(gòu)的伸縮桿通過圓盤卡槽結(jié)構(gòu)與主機(jī)相連。圓盤卡槽結(jié)構(gòu)是根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì),上面刻有精確到0.1°的360°全方位角和一圈凹槽結(jié)構(gòu),伸縮桿上面設(shè)計(jì)與之相對應(yīng)的凸起結(jié)構(gòu),二者可通過尺寸嚙合旋轉(zhuǎn)。在圓盤卡槽結(jié)構(gòu)中間安裝一個傾角傳感器,用來測量伸縮桿的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)測量直立的物體時,伸縮桿處于0°角,此時屬于標(biāo)準(zhǔn)位置。但是當(dāng)測量傾斜物體時,伸縮桿需要與之保持平行,這時傾角傳感器測量被測物體的傾斜角度,再通過A/D轉(zhuǎn)換器將角度等模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)換出垂直高度和距離。

    主機(jī)結(jié)構(gòu)正面包括LED顯示屏和操作面板,里面安裝電源、Arduino單片機(jī)平臺、A/D轉(zhuǎn)換器和拓展板。

    3 功能實(shí)現(xiàn)過程

    三頭激光測高測距儀的工作過程如圖2所示,要使儀器實(shí)現(xiàn)測高測距和測寬的功能,由以下幾步驟實(shí)現(xiàn):(1)通過軟件編寫數(shù)據(jù)計(jì)算處理程序,儲存在存儲器里。(2)接通電源后,所有系統(tǒng)通電開始工作,此時系統(tǒng)自動記錄一次角度傳感器初始位置角度。(3)旋轉(zhuǎn)伸縮桿與被測物體保持平行對齊,將上激光頭對準(zhǔn)被測物體最高點(diǎn),中下激光頭對準(zhǔn)被測物體最低點(diǎn),按鍵確定。(4)數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后在顯示屏上讀出。

    圖2 功能實(shí)現(xiàn)過程示意圖

    4 結(jié)束語

    相比傳統(tǒng)測量工具在測量過程中的不足,比如需要兩人合作測量,一人記數(shù)據(jù),耗時費(fèi)力,并且在高處測量或者樓梯腳測量,還具有很高的危險(xiǎn)性。本設(shè)計(jì)基于數(shù)學(xué)理論知識,利用三角函數(shù)制作的三頭激光測高測距儀,改進(jìn)了現(xiàn)有測高測距儀的通有的問題,實(shí)現(xiàn)了對距離、高度、寬度、傾斜物體的實(shí)施測量?;诂F(xiàn)代技術(shù),結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)的測高測距儀不僅精度高,與操作者的經(jīng)驗(yàn)和被測物的距離無關(guān),而且體積小,重量輕,便于攜帶,可廣泛應(yīng)用于國有林區(qū)中的撫育間伐,南方集體林區(qū)的采伐和建筑行業(yè)選址、公共設(shè)施的規(guī)劃、測量建筑物面積等。

    參考文獻(xiàn)

    [1]李立存,張淑芬,邢艷秋.全站儀和測高儀在樹高測定上的比較分析[J].森林工程,2011,27(4):38-41.

    [2]謝作如,鄭一栗.做一個激光測距測高儀[J].中國信息技術(shù)教育,2015(5):68-71.

    [3]蔡睿研.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(16):155-156.

    [4]吳建國.ADC0809A/D轉(zhuǎn)換芯片的原理及應(yīng)用[J].電子制作,2007(2):45-45.

    [5]邵俊飛,徐華東.數(shù)顯樹木胸徑測量儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理分析[J].森林工程,2015(7):98-99.

    作者簡介:黃凡彧,本科生,研究方向:森林工程。

    *通訊作者:侯衛(wèi)萍,博士,講師,研究方向:森林工程。

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