一种三头激光测高测距仪的设计

方案，设计出一种数字化、集成化的三头激光测高测距仪，实现了测高测距的目标功能和测宽、计算面积的功能，解决了传统测树仪器的笨重、效率低等缺点，实现了传统机械设备的优化升级。

关键词：测高测距仪；单片机；角度传感器

我国是森林资源大国，森林资源清查工作量越来越大，但国内应用的大部分高精度和便携式的森林计测设备主要从国外进口[1]。常规的测树仪器是森林资源调查的主要工具，但是传统国产仪器陈旧、效率低下、费用昂贵，严重妨碍了森林资源调查工作的进度，加之调查准确度要求日益提高，因此，迫切需要先进的测树仪器来适应当前的需求发展。随着激光技术、单片机技术的不断发展，测高测距仪器不断更新换代，不断向着功能一体化、数字化、智能化方向发展，大大提高了测量效率，减少了测量误差[2-5]。

目前，测高测距仪广泛应用于林业资源测量、建筑行业等多个领域，具有重量轻、操作简单、快速准确等优点，但由于自身工作原理，也导致了传统测高测距仪有着明显的不足，如结构复杂，成本昂贵等。文章基于三角函数原理，用可视激光技术、单片机技术和传感器技术，设计一款三头激光测高测距仪，能解决现有传统设备的明显不足，增加测宽功能，使野外测量更加方便快捷准确，还可应用于建筑行业选址、公共设施的规划、测量房屋面积等其他方面。

1 三头激光测高测距仪设计方案

1.1 设计原理

基本原理如图1所示，点A、点B、点C是并排树立的三个激光头，AB之间的距离为a，BC之间的距离为b，将上头激光器A对准被测物树木的最上端点，中、下激光摄像头B、C对准被测物体树木最低端点，根据激光头旋转的角度，得到偏转角θ1、θ2、θ3，由中下激光摄像头之间的距离b已知，可通过数学原理计算得到被测物与测量仪的水平距离L：

再根据三角函数得到被测物体AB的高度H，

。

这样就可以得到被测物体的高度和距离。

图1 测高测距原理示意图

1.2 结构设计

三头激光测高测距仪由测量组件和计算组件两部分构成。测量机构由三个激光头、三个倾角传感器、伸缩杆机构、圆盘卡槽组成，计算机构由单片机、拓展板、A/D转换器、LED显示器、电源和操作面板组成。

1.3 创新功能

三头激光测高测距仪增加了伸缩杆结构和带有360°刻度的圆盘卡槽结构，这两个机构的结合，克服了现有测高测距仪误差大、对不准的缺点，而且实现了测量倾斜树木、测量房屋宽度、计算面积的功能。

2 整体结构设计

设备的整体硬件结构设计，三个激光摄像头分别安放在三段伸缩杆上，与角度传感器机械固定，通过旋转激光摄像头对准被测物体，得到旋转倾角。伸缩杆之间通过弹簧销固定，伸出时弹簧销顶出固定孔卡住，缩进时按回弹簧销压进伸缩杆，这样即可以在不使用的情况下减小占用空间、方便携带，而且在使用时增大激光摄像头之间的距离，减小测量误差。

测量机构的伸缩杆通过圆盘卡槽结构与主机相连。圆盘卡槽结构是根据结构优化提出的创新设计，上面刻有精确到0.1°的360°全方位角和一圈凹槽结构，伸缩杆上面设计与之相对应的凸起结构，二者可通过尺寸啮合旋转。在圆盘卡槽结构中间安装一个倾角传感器，用来测量伸缩杆的旋转角度。当测量直立的物体时，伸缩杆处于0°角，此时属于标准位置。但是当测量倾斜物体时，伸缩杆需要与之保持平行，这时倾角传感器测量被测物体的倾斜角度，再通过A/D转换器将角度等模拟信号转换成数字信号传递给单片机计算转换出垂直高度和距离。

主机结构正面包括LED显示屏和操作面板，里面安装电源、Arduino单片机平台、A/D转换器和拓展板。

3 功能实现过程

三头激光测高测距仪的工作过程如图2所示，要使仪器实现测高测距和测宽的功能，由以下几步骤实现：（1）通过软件编写数据计算处理程序，储存在存储器里。（2）接通电源后，所有系统通电开始工作，此时系统自动记录一次角度传感器初始位置角度。（3）旋转伸缩杆与被测物体保持平行对齐，将上激光头对准被测物体最高点，中下激光头对准被测物体最低点，按键确定。（4）数据经过单片机处理后在显示屏上读出。

图2 功能实现过程示意图

4 结束语

相比传统测量工具在测量过程中的不足，比如需要两人合作测量，一人记数据，耗时费力，并且在高处测量或者楼梯脚测量，还具有很高的危险性。本设计基于数学理论知识，利用三角函数制作的三头激光测高测距仪，改进了现有测高测距仪的通有的问题，实现了对距离、高度、宽度、倾斜物体的实施测量。基于现代技术，结合单片机技术和传感器技术设计的测高测距仪不仅精度高，与操作者的经验和被测物的距离无关，而且体积小，重量轻，便于携带，可广泛应用于国有林区中的抚育间伐，南方集体林区的采伐和建筑行业选址、公共设施的规划、测量建筑物面积等。

参考文献

[1]李立存，张淑芬，邢艳秋.全站仪和测高仪在树高测定上的比较分析[J].森林工程，2011，27（4）：38-41.

[2]谢作如，郑一栗.做一个激光测距测高仪[J].中国信息技术教育，2015（5）：68-71.

[3]蔡睿研.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012，20（16）：155-156.

[4]吴建国.ADC0809A/D转换芯片的原理及应用[J].电子制作，2007（2）：45-45.

[5]邵俊飞，徐华东.数显树木胸径测量仪结构设计及工作原理分析[J].森林工程，2015（7）：98-99.

作者简介：黄凡彧，本科生，研究方向：森林工程。

*通讯作者：侯卫萍，博士，讲师，研究方向：森林工程。

推荐访问： 测距仪 三头 激光 设计

---