一種三頭激光測高測距儀的設計

摘 要：結合傳統測高儀，以三點測高測距的數學原理為基礎，采用單片機、精密角度傳感器、可視激光頭和LED顯示器等構件，提出伸縮攝像頭的創新方案，設計出一種數字化、集成化的三頭激光測高測距儀，實現了測高測距的目標功能和測寬、計算面積的功能，解決了傳統測樹儀器的笨重、效率低等缺點，實現了傳統機械設備的優化升級。

關鍵詞：測高測距儀；單片機；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，但國內應用的大部分高精度和便攜式的森林計測設備主要從國外進口[1]。常規的測樹儀器是森林資源調查的主要工具，但是傳統國產儀器陳舊、效率低下、費用昂貴，嚴重妨礙了森林資源調查工作的進度，加之調查準確度要求日益提高，因此，迫切需要先進的測樹儀器來適應當前的需求發展。隨著激光技術、單片機技術的不斷發展，測高測距儀器不斷更新換代，不斷向著功能一體化、數字化、智能化方向發展，大大提高了測量效率，減少了測量誤差[2-5]。

目前，測高測距儀廣泛應用于林業資源測量、建筑行業等多個領域，具有重量輕、操作簡單、快速準確等優點，但由于自身工作原理，也導致了傳統測高測距儀有著明顯的不足，如結構復雜，成本昂貴等。文章基于三角函數原理，用可視激光技術、單片機技術和傳感器技術，設計一款三頭激光測高測距儀，能解決現有傳統設備的明顯不足，增加測寬功能，使野外測量更加方便快捷準確，還可應用于建筑行業選址、公共設施的規劃、測量房屋面積等其他方面。

1 三頭激光測高測距儀設計方案

1.1 設計原理

基本原理如圖1所示，點A、點B、點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對準被測物樹木的最上端點，中、下激光攝像頭B、C對準被測物體樹木最低端點，根據激光頭旋轉的角度，得到偏轉角θ1、θ2、θ3，由中下激光攝像頭之間的距離b已知，可通過數學原理計算得到被測物與測量儀的水平距離L：

再根據三角函數得到被測物體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 結構設計

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

1.3 創新功能

三頭激光測高測距儀增加了伸縮桿結構和帶有360°刻度的圓盤卡槽結構，這兩個機構的結合，克服了現有測高測距儀誤差大、對不準的缺點，而且實現了測量傾斜樹木、測量房屋寬度、計算面積的功能。

2 整體結構設計

設備的整體硬件結構設計，三個激光攝像頭分別安放在三段伸縮桿上，與角度傳感器機械固定，通過旋轉激光攝像頭對準被測物體，得到旋轉傾角。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，縮進時按回彈簧銷壓進伸縮桿，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。

測量機構的伸縮桿通過圓盤卡槽結構與主機相連。圓盤卡槽結構是根據結構優化提出的創新設計，上面刻有精確到0.1°的360°全方位角和一圈凹槽結構，伸縮桿上面設計與之相對應的凸起結構，二者可通過尺寸嚙合旋轉。在圓盤卡槽結構中間安裝一個傾角傳感器，用來測量伸縮桿的旋轉角度。當測量直立的物體時，伸縮桿處于0°角，此時屬于標準位置。但是當測量傾斜物體時，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轉換器將角度等模擬信號轉換成數字信號傳遞給單片機計算轉換出垂直高度和距離。

主機結構正面包括LED顯示屏和操作面板，里面安裝電源、Arduino單片機平臺、A/D轉換器和拓展板。

3 功能實現過程

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

圖2 功能實現過程示意圖

4 結束語

相比傳統測量工具在測量過程中的不足，比如需要兩人合作測量，一人記數據，耗時費力，并且在高處測量或者樓梯腳測量，還具有很高的危險性。本設計基于數學理論知識，利用三角函數制作的三頭激光測高測距儀，改進了現有測高測距儀的通有的問題，實現了對距離、高度、寬度、傾斜物體的實施測量。基于現代技術，結合單片機技術和傳感器技術設計的測高測距儀不僅精度高，與操作者的經驗和被測物的距離無關，而且體積小，重量輕，便于攜帶，可廣泛應用于國有林區中的撫育間伐，南方集體林區的采伐和建筑行業選址、公共設施的規劃、測量建筑物面積等。

參考文獻

[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].中國信息技術教育，2015（5）：68-71.

[3]蔡睿研.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）：155-156.

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

[5]邵俊飛，徐華東.數顯樹木胸徑測量儀結構設計及工作原理分析[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：侯衛萍，博士，講師，研究方向：森林工程。