做一個激光測距測高儀

謝作如 鄭一粟

筆者做激光測距測高儀的想法源自一款用攝像頭作為測量工具的APP。這類APP的測量原理是根據手機、平板的攝像頭成像的比例關系，計算出測量距離和物體高度。例如，iPhone有款軟件叫“光學測距儀”，運行界面如圖1所示。

在使用過程中，筆者發現這類APP的操作其實還是比較麻煩的，因為需要參照物。如果要測量某頭頂某條梁的長度，或者屋頂離地面的高度，基于攝像頭的測量軟件幾乎是無能為力了。那么，有沒有其他的解決方案呢？于是，筆者與學生一起進行研究，最終基于激光的測距測高儀就這樣產生了。

● 原理

筆者準備使用激光作為測量工具，并非使用反射時間來計算。接下來要用到數學知識了。如果要測量物體P到物體T的距離，可以用這樣的辦法：如圖2所示，在物體P處找兩個點，如A、B，分別連接物體T的C點。這時，只要知道∠BAC（θ1）和∠ABC（θ2）的角度，以及AB線段的長度，就可以算出C點到AB的垂直距離L。

計算公式為：

只要能得到這兩個夾角的準確角度，就可以計算出物體離測量儀器的距離了。然后，是否還可以利用這樣的原理繼續得到物體的高度或者長度呢？（參見圖3）

如果在測量儀器上設置3個點。其中點1連接被測物體的一端A，點2和點3分別連接被測物體的另一段B。只要得到線段ab的長度及角度θ1、θ2和θ3的大小，便可以求出被測物的高度h以及測距儀器與被測物的水平距離x。

那么，連接測量儀器和被測物體的直線用什么來實現？毫無疑問，激光是最好的方案。因為激光具有定向發光、亮度極高的特點。只要把3個激光發射頭安裝在測量儀器上，手動調整其中兩束激光在被測物體的一個端點上重疊，另一束激光則發射在物體的另一端點。只要能確保測量儀器和被測物體之間是平行的，就能計算出距離和高度。

● 材料

根據上面的原理，要制作一個這樣的激光測距測高儀，大致需要如下材料。

1.微控制器

因為涉及計算，就需要用到一個小型的中央處理器。由于筆者僅是為了做出一個模型，所以就選擇了常見的Arduino。如果在意計算的精度，可以選擇樹莓派或者pcDuino之類的迷你電腦。

2.角度傳感器

角度傳感器的選擇是最重要的，因為要獲取精確的角度進行計算。牽一發而動全身，一點點的誤差，經過計算放大后，誤差就很可怕了。在淘寶上常見的角度傳感器如圖4所示。

這種傳感器的旋轉角度最多只有300度，將5V電壓均分到每1度后，精度是相當低的。后來筆者又在淘寶上找到了多圈的精密角度傳感器（如圖5），才算初步解決了誤差的問題。

3.液晶顯示器

計算結果如果需要實時顯示，那么儀器上就需要液晶顯示屏，或稱LCD。因為儀器上僅僅需要顯示幾行字符，所以筆者選擇了標準1602液晶顯示屏（如圖6），兩行，每行顯示16個字符。

4.激光頭

激光頭利用的是低功率的可視激光，常見的激光指示器有紅光（655/635nm）、黃光（589/593nm）、綠光（532nm）、藍光（473/445nm）和藍紫光（405nm）等。起初，筆者把手頭的電子教鞭拆了，后來發現淘寶上有現成的激光頭賣（如圖7），筆者選擇了一款5V的，直接使用Arduino輸出的5V電流。需要注意的是，激光頭很危險，絕對不能用肉眼去看，建議調試的時候先不要給激光頭供電。

● 接線

1.角度傳感器的接線

角度傳感器接在Arduino的模擬口（如圖8），如果3個角度傳感器分別用跳線接入Arduino控制板會顯得很亂，于是筆者使用了一塊擴展板。

2.激光頭的接線

激光頭的電源直接從Arduino的5V和Gnd上接出。

3.顯示屏的接線

筆者使用的LCD是IIC/TWI接口的，用4根線連接到Arduino擴展板的專用接口即可（如圖9）。

● 編程

Arduino的代碼比筆者想象中簡單，其核心代碼如下頁表所示。

最終的測試效果如下頁圖10所示，顯示屏上第一行數據是傳感器的參考值，第二行數據分別是距離和高度，用“|”分開。例如，想要測量一堵墻的高度，筆者先要將測量儀器保持垂直，一束激光束（激光點一）射向墻的一端，另外兩束射向墻的另一端，按下按鈕，Arduino就可以實時計算，便可得到樹的高度和人與樹之間的距離了。

● 包裝

為了看起來像個作品，筆者使用雕刻機制作了激光頭和角度傳感器的連接件（如圖11）。當然，用3D打印機打印也是可以的，只是當時筆者的創客空間還沒有買3D打印機。

再用雕刻機做一個底板，固定這些儀器。3個激光頭排列在一起，看起來是不是很酷？旁邊一條四線的接口是預留給接LCD用的，圖12為整體效果。

再看看另一面的效果，雖然線有點多，但是并不是很亂（如圖13）。

這款儀器的使用步驟如下：①連接電池，保持儀器呈垂直狀態；②打開電源，顯示屏若未正常顯示數字，請按下Arduino主板上的reset按鈕；③調節“下、中”激光，同時對準被測物體下端；④調節“上”激光，對準被測物體上端；⑤在顯示屏上將顯示X（測距儀與被測物之間的水平距離）與Y（被測物兩個端點之間的距離）。

● 優化

正如一開始擔心的那樣，因為角度傳感器的精度問題，測量距離稍微遠一點的物體，誤差就很大了。因為如果距離一遠，角度傳感器上的1度，對應的就是一兩米的距離。要解決這個問題，找精度很高的角度傳感器也無濟于事，因為調節激光頭給角度傳感器帶來的旋轉角度實在太小了。除非如圖14一樣，用齒輪組將激光頭的旋轉角度放大，然后給角度傳感器。

因為自己動手做齒輪組，誤差還是挺大，因此筆者還試著拆了一個塑料的直流電機變速箱。但是這樣一來，整個儀器的體積就要大很多，看來如果要實現做工精細并不是一件容易的事（如圖15）。

筆者還為這款儀器設計了一個外殼，如圖16所示。黑色是激光調節旋鈕，紅色按鈕是開關。僅僅是設計，但并沒有真正生產。

當然，如果僅僅考慮演示用激光進行測距、測高的原理，筆者也已經達到了探究的目的。其實這個作品原理還可以用于課堂教學。如果將角度傳感器的數據接入電腦，使用S4A或者Scratch2.0之類的軟件，教師可以直接使用這些數據進行教學或者驗證一些數學原理，如三角函數、相似三角形等知識，定然會有助于學生的學習。

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