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[项目] 激光测距测高仪

本帖最后由丄帝De咗臂于 2015-4-17 15:37 编辑

做一个激光测距测高仪（原文地址http://blog.sina.com.cn/s/blog_6611ddcf0102vgxb.html）

温州中学谢作如郑一粟

做激光测距测高仪的想法源自一款用摄像头做为测量工具的App。这类App的测量原理是根据手机、平板的摄像头成像的比例关系，然后计算出测量距离和物体高度。比如iphone有款软件叫“光学测距仪”，运行界面如图所示。

iphone的光学测距仪

在使用过程中，我发现这类App的操作其实还是比较麻烦，因为需要参照物。如果要测量某头顶某条梁的长度，或者屋顶离地面的高度，基于摄像头的测量软件几乎是无能为力了。那么，有没有其他的解决方案呢？于是，我就找学生一起研究，基于激光的测距测高仪就这样产生了。

一、原理

我们准备使用激光做为测量工具，并非使用反射时间来计算。接下来要用到数学知识了。如果要测量物体P到物体T的距离，我们可以用这样的办法：如图所示，在物体P处找两个点，如A、B，分别连接物体T的C点。这时，只要知道∠BAC（θ1）和∠ABC（θ2）的角度，以及AB线段的长度，就可以算出C点到AB的垂直距离L。

数学原理图1

计算公式：

好吧，只要能得到这两个夹角的准确角度，就可以计算出物体离测量仪器的距离了。然后，我们是否还可以利用这样的原理继续得到物体的高度或者长度呢？我们来看一个图吧。

数学原理图2

如果在测量仪器上设置3个点。其中点1连接被测物体的一端A，点2和点3分别连接被测物体的另一段B。只要我们得到线段ab的长度，角度θ1、θ2和θ3的大小，便可以求出被测物的高度h以及测距仪器与被测物的水平距离x。

那么连接测量仪器和被测物体的直线用什么来实现？毫无疑问，激光是最好的方案。因为激光具有定向发光、亮度极高的特点。只要把3个激光发射头安装在测量仪器上，手动调整其中两束激光在被测物体的一个端点上重叠，另一束激光则发射在物体的另一端点。只要能确保测量仪器和被测物体之间是平行的，就能计算出距离和高度。

二、材料

根据上面的原理，要制作一个这样的激光测距测高仪，大致需要如下材料：

1．微控制器

因为涉及到计算，就需要一个小型的中央处理器。因为我们仅仅为了做出一个模型，所以就选择了常见的Arduino。如果在意计算的精度，可以选择树莓派或者pcDuino之类的迷你电脑。

2.角度传感器

角度传感器的选择是最重要的，因为要获取精确的角度进行计算，牵一发而动全身，一点点的误差，经过计算放大后，误差就很可怕了。在淘宝上常见的角度传感器如图。

常见的角度传感器

这种传感器的旋转角度最多只有300度，将5V电压均分每1度后，精度是相当低的。后来在淘宝上找到了多圈的精密角度传感器，才算初步解决了误差的问题。

多圈精密角度传感器

3．液晶显示器

计算结果应该要实时显示，所以仪器上需要液晶显示屏，或称LCD。因为仪器上仅仅需要显示几行字符，我选择了标准1602液晶显示屏，2行，每行显示16个字符。

液晶显示屏

4．激光头

激光头利用的是低功率的可视激光，常见的激光指示器有红光（655/635nm）、黄光（589/593nm）、绿光（532nm）、蓝光（473/445nm）和蓝紫光（405nm）等。一开始我把手头的电子教鞭拆了，后来发现淘宝上有现成的激光头卖，我们选择了一款5V的，直接使用Arduino输出的5V电流。需要注意的是，激光头很危险，绝对不用用肉眼去看，建议调试的时候先不要给激光头供电。

5V的激光头

三、接线

1．角度传感器的接线

角度传感器接在Arduino的模拟口，如图。三个角度传感器分别用跳线接入Arduino控制板会显得很乱，我们使用了一块扩展板。

2．激光头的接线

激光头的电源直接从Arduino的5V和Gnd上接出。

3．显示屏的接线

我们使用的LCD是IIC/TWI接口的，用四根线连接到Arduino扩展板的专用接口即可。

四、编程

Arduino的代码比我们想象中简单，其核心代码如下。

#include
#include
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);  // set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display
int button = 13;
int sensor_1 = 0;
int sensor_2 = 1;
int sensor_3 = 2;
double Value_1,Value_2,Value_3;
double v_1=487,v_2=514,v_3=490;//默认位置的数值
double pi=3.14;
double d=2.5;//传感器距离
double x,y;
void setup()
{
  lcd.init();                    
  lcd.backlight();
  lcd.print("please start measure!");
}

void loop()
{
  Value_1 = analogRead(sensor_1);
  Value_2 = analogRead(sensor_2);
  Value_3 = analogRead(sensor_3);
  lcd.clear();
lcd.print(Value_1);//输出参考值
  Value_1 = ((v_1-Value_1)/3)*pi/180;
  Value_2 = ((v_2-Value_2)/3)*pi/180;
  Value_3 = (abs(v_3-Value_3)/3)*pi/180;
  lcd.setCursor(0,1);
  x=d / ( tan(Value_2) - tan(Value_1) );
  y=x*( tan(Value_2) + tan(Value_3));
  y=y+d;
  lcd.print("|");
  lcd.print(x);lcd.print("|");lcd.print(y);
delay(500);//输出距离和高度
}
复制代码

最终的测试效果如图所示，显示屏上第一行数据是传感器的参考值，第二行数据分别是距离和高度，用“|”分开。

数据输出到显示屏

比如想要测量的一堵墙的高度，我们先要将测量仪器保持垂直，一束激光束（激光点一）射向墙的一端，另外两束射向墙的另一端，按下按钮，Arduino就可以实时计算出，便可得到树的高度和人与树之间的距离了。

五、包装

为了看起来像个作品，我们使用雕刻机制作了激光头和角度传感器的连接件。当然，用3D打印机打印也是可以的，只是当时我们的创客空间还没有买3D打印机呢。

激光头和角度传感器的连接件

再用雕刻机做一个底板，固定这些仪器。三个激光头排列在一起，看起来是不是很酷？旁边一条四线的接口是预留给接LCD用的。

整体效果

再看看另一面的效果，虽然线有点多，但是并不是很乱。

接线效果

这款仪器的使用步骤如下：

1.连接电池，保持仪器呈垂直状态。

2.打开电源，显示屏若未正常显示数字，请按下Arduino主板上的reset按钮；

3.调节“下”、“中”激光，同时对准被测物体下端；

4.调节“上”激光，对准被测物体上端；

5.在显示屏上将显示X(测距仪与被测物之间的水平距离) 与Y（被测物两个端点之间的距离）。

六、优化

正如一开始的担心，因为角度传感器的精度问题，测量距离稍微远一点的物体，误差就很大了。因为如果距离一远，角度传感器上的1度，对应的就是1、2米的距离。要解决这个问题，找精度很高的角度传感器也无济于事，因为调节激光头给角度传感器带来的旋转角度实在太小了。除非如下图一样，用齿轮组将激光头的旋转角度放大，然后给角度传感器。

旋转角度放大示意图

因为自己动手做齿轮组，误差还是挺大，我们还试着拆了一个塑料的直流电机变速箱。但是这样一来，整个仪器的体积就要大很多。看来如何实现做工精细恰好是我们的短板啊。

塑料的直流电机变速箱

我们还为这款仪器设计了一个外壳，如图所示。黑色是激光调节旋钮，红色按钮是开关。仅仅是设计，并没有真正生产哦。

外形设计

当然，如果仅仅考虑演示用激光进行测距、测高的原理，我们也已经达到了探究的目的。其实这个作品原理还可以用于课堂教学。如果将角度传感器的数据接入电脑，使用S4A或者Scratch2.0之类的软件，教师可以直接使用这些数据进行教学或者验证一些数学原理，如三角函数、相似三角形等知识，肯定有助于学生的学习
。

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