掃描者——便攜式激光測高儀

侯博超 許滕 葉鵬 周健 崔紅娟

摘 要：針對傳統測高儀器體積龐大，攜帶不便等問題，文中設計了一款便攜式激光測高儀。儀器利用接收的漫反射光與發射光的相位延遲測距，精度高，能耗小，局限性小，再配合MAYA，Blender，Sketchup等后期軟件可進行局部區域建模。

關鍵詞：激光測高；相位延遲

1 作品簡介

本項目根據激光測距的原理，從教員上課所使用的激光筆得到啟發，采用激光測距技術和嵌入式系統技術，巧妙設計了一款便攜式測高儀。這款測高儀具有測量范圍廣，抗干擾能力強，穩定性強，小巧便攜等特點，采用掃描式一鍵測高方法，解決了日常生活中如何快速、方便地測量身高及工程建筑測高繁瑣等現實問題，且測量結果準確可靠，有效地避免了傳統測高方法高消耗、低精度、局限性大等缺陷。此外，該測高儀還可以成為獨立模塊，搭載在智能車、機器人等一系列可自行穩定移動的裝置上（海陸空皆可），對一定范圍內所有物體進行3D建模所需原始初數據的采集，再配合MAYA，Blender，Sketchup等后期軟件即可進行局部區域建模。儀器實物如圖1所示。

“小塊頭，大智慧”。該儀器簡單小巧易操作，數據直觀又可靠。同時還具有時尚便攜，一鍵測高等優點。改進后可實現自動一體化測高，高效智能，探頭易更換，如圖2所示。

該儀器可搭載在智能車或無人機上，結合3D模擬，實現戰場環境數字化呈現，在軍事、工程、醫療等領域具有不可替代的作用，如圖3所示。

2 工作原理

2.1 物體高度的測量原理

設儀器距地高度為h（改裝后可直接讀出），測出斜邊長為l，水平距離為x，如圖4所示。

高度H的數學表達式如下：

H=sqrt（l2-x2）+h（實驗測得0

2.2 激光測距系統原理

采用方向性好、高度聚集的激光光源，利用接收的漫反射光與發射光的相位延遲測距，原理如圖5所示。

文中所述的激光測距系統由激光發射模塊、激光接收模塊、相位差檢測模塊、微控制器、串口組成。

2.2.1 激光發射模塊

激光發射模塊將電信號轉化為光信號，發出具有方向性好、高度聚集的激光，經過發射器透鏡后射向目標。

2.2.2 激光接收模塊

目標對激光發射模塊進行漫反射后，接收器透鏡接收到部分反射光后將其聚集到激光接收器，激光接收器接收到激光后將光信號轉化為電信號。

2.2.3 相位差檢測模塊

檢測發出的電信號和接收到的電信號的相位差。

2.2.4 微控制器

微控制器將測定光往返一次所產生的相位延遲換算成相位延遲所代表的距離：

L=λΔφ/4π（單位：m）

式中：λ為激光波長，φ為相位。

2.2.5 串口

串口將微控制器計算得出的距離以電信號的方式輸出。

3 創新點

“掃描者”便攜式激光測高儀利用激光方向性好、高度聚集、精確度高等特點，以測量水平方向距離的方法間接測量豎直高度，方法簡單，卻解決了很多棘手的問題。

（1）測量方法創新性強，徹底改變了只能在豎直方向由上至下測量的傳統測高方法。

（2）便攜易操作，可實現遠距離測高，解決了傳統測高方法只能貼著物體測量的問題。操作簡單，易學，可隨身

攜帶。

（3）隨時隨地測量，不受所處環境的影響。該儀器對使用者的姿態、所測物體的范圍無限制。

（4）數據測量準確，測量范圍廣，不僅可以測量生活中常見的小物體、人的身高，還可以一鍵測出建筑物、樹木、路燈、小山體的高度，并且可根據測量需要自行更換探頭。

（5）對于一些常規測高方法無法測量的物體，以及測量環境危險、不便近距離測量的物體如山頭、樹木、敵方裝甲車等，可一鍵測量，且數據準確，解決了生產生活中的現實

問題。

（6）實現了掃描式一鍵測高。經過改裝，儀器可一次性測量多個物體如多個人的身高、多個工件或路燈，方便高效，不僅外觀小巧時尚智能化，在軍事建模、生活、工程、建筑、測繪、環保、城市管理、質量檢測等方面也具有很大的實

用性。

（7）搭載至無人機或智能車，可在水、陸、空三種情況下進行測量，也可實現全自動一體化探測和測量。相比紅外或攝像，可以實現數據精確的信息化戰場環境的模擬，可應用于對未來戰爭以及地形勘測等方面，應用前景廣闊。

（8）具有測距測高的雙重功能。

4 市場前景

“掃描者”便攜式激光測高儀外觀小巧時尚智能化，在軍事、生活、工程、建筑、測繪、環保、城市管理、質量檢測等方面具有不錯的市場前景。

（1）外觀時尚小巧，便攜易操作。對生活中的常見物體，無論大小高低遠近，都可實現一鍵式掃描測高測距，可進行廣泛的市場推廣。

（2）測量高效快捷，可以批量測量。對于工程測量、測繪障礙物、器材、建筑等的高度將是生產效率和測量精度的一次革命，具有廣闊的市場前景。

（3）在城市管理部門進行路燈、樹木、門、雕塑、建筑等高度的測量檢測過程中，大大提高了效率和準確程度。

（4）是野外生存、旅行以及地形勘測中必不可少的儀器。

（5）其具有測距、測高的雙重功能，結合智能車或無人機，可實現實地環境的數字化精確模擬，對21世紀的信息化戰場而言意義重大。