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(tǒng)測高儀器體積龐大，攜帶不便等問題，文中設(shè)計(jì)了一款便攜式激光測高儀。儀器利用接收的漫反射光與發(fā)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(jìn)行局部區(qū)域建模。

關(guān)鍵詞：激光測高；相位延遲

1 作品簡介

本項(xiàng)目根據(jù)激光測距的原理，從教員上課所使用的激光筆得到啟發(fā)，采用激光測距技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，巧妙設(shè)計(jì)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(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)，小巧便攜等特點(diǎn)，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(xiàn)實(shí)問題，且測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，有效地避免了傳統(tǒng)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(dú)立模塊，搭載在智能車、機(jī)器人等一系列可自行穩(wěn)定移動(dòng)的裝置上（海陸空皆可），對一定范圍內(nèi)所有物體進(jìn)行3D建模所需原始初數(shù)據(jù)的采集，再配合MAYA，Blender，Sketchup等后期軟件即可進(jìn)行局部區(qū)域建模。儀器實(shí)物如圖1所示。

“小塊頭，大智慧”。該儀器簡單小巧易操作，數(shù)據(jù)直觀又可靠。同時(shí)還具有時(shí)尚便攜，一鍵測高等優(yōu)點(diǎn)。改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)上，結(jié)合3D模擬，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)字化呈現(xiàn)，在軍事、工程、醫(yī)療等領(lǐng)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(shè)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(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

H=sqrt（l2-x2）+h（實(shí)驗(yàn)測得0

2.2 激光測距系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)由激光發(fā)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(fā)射模塊

激光發(fā)射模塊將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，發(fā)出具有方向性好、高度聚集的激光，經(jīng)過發(fā)射器透鏡后射向目標(biāo)。

2.2.2 激光接收模塊

目標(biāo)對激光發(fā)射模塊進(jìn)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(zhuǎn)化為電信號。

2.2.3 相位差檢測模塊

檢測發(fā)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(chǎn)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(jì)算得出的距離以電信號的方式輸出。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

“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(diǎn)，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(chuàng)新性強(qiáng)，徹底改變了只能在豎直方向由上至下測量的傳統(tǒng)測高方法。

（2）便攜易操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測高，解決了傳統(tǒng)測高方法只能貼著物體測量的問題。操作簡單，易學(xué)，可隨身

攜帶。

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

（4）數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)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(jù)測量需要自行更換探頭。

（5）對于一些常規(guī)測高方法無法測量的物體，以及測量環(huán)境危險(xiǎn)、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(shù)據(jù)準(zhǔn)確，解決了生產(chǎn)生活中的現(xiàn)實(shí)

問題。

（6）實(shí)現(xiàn)了掃描式一鍵測高。經(jīng)過改裝，儀器可一次性測量多個(gè)物體如多個(gè)人的身高、多個(gè)工件或路燈，方便高效，不僅外觀小巧時(shí)尚智能化，在軍事建模、生活、工程、建筑、測繪、環(huán)保、城市管理、質(zhì)量檢測等方面也具有很大的實(shí)

用性。

（7）搭載至無人機(jī)或智能車，可在水、陸、空三種情況下進(jìn)行測量，也可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)一體化探測和測量。相比紅外或攝像，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精確的信息化戰(zhàn)場環(huán)境的模擬，可應(yīng)用于對未來戰(zhàn)爭以及地形勘測等方面，應(yīng)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(shí)尚智能化，在軍事、生活、工程、建筑、測繪、環(huán)保、城市管理、質(zhì)量檢測等方面具有不錯(cuò)的市場前景。

（1）外觀時(shí)尚小巧，便攜易操作。對生活中的常見物體，無論大小高低遠(yuǎn)近，都可實(shí)現(xiàn)一鍵式掃描測高測距，可進(jìn)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(chǎn)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(jìn)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(zhǔn)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(jié)合智能車或無人機(jī)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)地環(huán)境的數(shù)字化精確模擬，對21世紀(jì)的信息化戰(zhàn)場而言意義重大。