一種三頭激光測高測距儀的設(shè)計(jì)

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)

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[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。