Лазерный дальномер — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июня 2016; проверки требуют 19 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июня 2016; проверки требуют 19 правок. Лазерный дальномер RB20000 Купол лазерного дальномера АЗТ-28 («Большая сажень»)

Лазерный дальномер — прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.

Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, в астрономических исследованиях, в фотографии^{[источник не указан 1621 день}

]. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.

Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.

Импульсный лазерный дальномер — это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Импульсные лазерные дальномеры обладают большой дальностью работы, т.к. импульс можно выдать с большой мощностью и повышенной скрытностью, включаясь только на время импульса. Поэтому импульсные лазерные дальномеры обычно применяются в военных прицелах.

Фазовые лазерные дальномеры на короткий промежуток времени включают подсветку объекта с разной модулированной частотой и по сдвигу фазы вычисляют расстояние до цели. Они не имеют таймера замера отражённого сигнала, поэтому дешевле, но имеют меньшую дальность (до 1 км) и поэтому обычно используются в бытовых целях или как прицелы стрелкового оружия.

Лазерный дальномер — простейший вариант лидара.

Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью даёт возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется соотношение

L=ct2n,{\displaystyle L={\frac {ct}{2n}},}

где L{\displaystyle L} — расстояние до объекта, c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме, n{\displaystyle n} — показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t{\displaystyle t} — время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче фронт импульса, тем лучше.

Фазовые лазерные дальномеры имеют ошибку на доли длины фазы модуляции, поэтому намного точнее импульсных, а также дешевле, т.к. не имеют сверхточного таймера. Однако необходимость более длительной подсветки цели уменьшает мощность лазера и, как следствие, дальность работы прибора.

Фазовый лазерный дальномер не меняет длину волны самого лазера (это сложно), а управляет его мощностью, накладывая модулирующий сигнал частотой не выше 500 МГц.

Принцип действия фазового лазерного дальномера заключается в том, что при отражении от цели отражённая волна придет в другой фазе. Иными словами, если в данный момент лазер излучает сигнал определённой мощности, то отражённый сигнал будет возвращаться так, как будто мощность излучения была другая, поскольку за время прохождения света до измеряемого объекта и обратно изменяется фаза (мощность сигнала) на самом устройстве. Поскольку неизвестно, сколько целых длин волн уложилось при одном измерении, то дальномер меняет частоту модуляции и повторяет замер. Далее процессор в дальномере решает систему линейных уравнений и вычисляет расстояние до цели. Точность результата определяется точностью измерения сдвига фаз и достигает 0,5 мм

[1].

Самодельный фазовый лазерный дальномер / Habr

В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.

Теория

Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.

Однако существуют и другие лазерные методы изменения расстояния, одним из них является фазовый. В этом методе, в отличие от предыдущего, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).
Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.
Расстояние определяется по формуле:

Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.
Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f.
Если частота модуляции равна 10МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.
При превышении этого расстояния возникает неоднозначность — невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.
Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.

Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.
Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.

Наиболее важный процесс в таком дальномере — это измерение разности фаз сигналов, которая и определяет точность измерения расстояния. Существуют различные способы измерения разности фаз, как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые значительно проще, цифровые дают большую точность. При этом цифровыми методами измерить разность фаз высокочастотных сигналов сложнее — временная задержка между сигналами измеряется наносекундами (эта задержка возникает также, как и в импульсном дальномере).

Для того, чтобы упростить задачу, используют гетеродинное преобразование сигналов — сигналы от фотоприемника и лазера по отдельности смешивают с сигналом близкой частоты, который формируется дополнительным генератором — гетеродином. Частоты модулирующего сигнала и гетеродина различаются на килогерцы или единицы мегагерц. Из полученных сигналов при помощи ФНЧ выделяют сигналы разностной частоты.

Пример структурной схемы дальномера с гетеродином. М — генератор сигнала модуляции лазера, Г — гетеродин.

Разность фаз сигналов в таком преобразовании не изменяется. После этого разность фаз полученных низкочастотных сигналов измерить цифровыми методами значительно проще — можно легко оцифровать сигналы низкоскоростным АЦП, или измерить задержку между сигналами (при понижении частоты она заметно увеличивается) при помощи счетчика. Оба метода достаточно просто реализовать на микроконтроллере.

Есть и другой способ измерения разности фаз — цифровое синхронное детектирование. Если частота модулирующего сигнала не сильно велика (меньше 15 МГц), то такой сигнал можно оцифровать высокоскоростным АЦП, синхронизированным с сигналом модуляции лазера. Из теоремы Котельникова следует, что частота дискретизации при этом должна быть в два раза выше частоты модуляции лазера. Однако, так как оцифровывается узкополосный сигнал (кроме частоты модуляции, других сигналов на входе АЦП нет), то можно использовать метод субдискретизации, благодаря которому частоту дискретизации АЦП можно заметно снизить — до единиц мегагерц. Понятно, что аналоговая часть дальномера при этом упрощается.

Более подробно (с всеми нужными формулами) этот метод рассматривается здесь (на английском) и здесь (на русском).
В первой статье указывается, что если частота дискретизации сигнала (fsp) связана с частотой модуляции (fo) следующим соотношением:

где p — целое число, то процесс вычисления фазы значительно упрощается.
Достаточно взять N выборок сигнала X[i], после чего разность фаз можно вычислить по следующим формулам:

Отмечу, что оба вышеуказанных метода часто применяются вместе — низкочастотные сигналы подаются напрямую на АЦП, высокочастотные переносятся в область более низких частот за счет гетеродинного преобразования, и также подаются на АЦП.

Именно второй вариант фазометра, с использованием частоты модуляции 10МГц я и решил реализовать в своем макете дальномера.

Практика

Структурная схема моего дальномера:

Фактически, вся конструкция состоит из 3 частей — отладочной платы с микроконтроллером, усилителя сигнала лазера с самим лазером, и фотоприемника с усилителем и фильтром.
В вышеописанной теории предполагалось, что излучение лазера модулируется синусоидальным сигналом. Сформировать такой сигнал частотой 10Мгц с использованием контроллера непросто, поэтому в своей конструкции я подаю на лазер меандр частотой 10МГц. После усиления сигнала с фотоприемника от полученного сигнала отсекаются лишние гармоники полосовым LC-фильтром, настроенным на частоту 10МГц, в результате чего на выходе фильтра возникает сигнал, очень близкий к синусоидальному.

Схема аналоговой части (усилителя лазера и приемной части):

Схема была взята из проекта лазерной связи Ronja, описание на русском. В этом проекте как раз реализована передача данных со скоростью 10Mbit, что соответствует выбранной частоте модуляции.
Как видно из схемы — усилитель мощности для лазера простейший, собран на микросхеме 74HC04 (содержит 6 инверторов). Включение микросхемы не совсем корректное, но оно работает. Ток через лазер ограничивается резисторами (тоже не самое лучшее решение). Напряжение питания 5В для усилителя берется с отладочной платы.
Для того, чтобы сигнал с усилителя не наводился на остальную часть схемы, корпус усилителя сделан металлическим, все провода экранированы.
Сам лазер (красного цвета) взят из пишущего DVD-привода, его мощность можно установить достаточно высокой, и он гарантированно будет работать на частоте 10МГц.

Приемник состоит из фотодиода и усилителя, собранного на полевом транзисторе и микросхеме-высокоскоростном усилителе. Так как с увеличением расстояния освещенность фотодиода сильно падает, то усиление должно быть достаточно большим (в этой схеме оно примерно равно 4000). Кроме того, с ростом частоты заметно падает сигнал на выходе фотодиода (сказывается его емкость). Отмечу, что усилитель в данной конструкции — важнейшая и наиболее капризная часть. Как оказалось, его усиления явно не хватает. Изначально я предполагал, что коэффициент усиления можно будет менять (чтобы ослаблять сигнал при его слишком большой величине), используемая схема позволяет это делать, меняя напряжение на втором затворе транзистора. Однако оказалось, что при изменении усиления достаточно сильно изменяется вносимый усилителем сдвиг фаз, что ухудшает точность измерения расстояния, так что пришлось установить коэффициент усиления на максимум, подавая на затвор транзистора напряжение 3В с батарейки.
Приемнику для работы требуется напряжение 12В, так что для его питания приходится использовать отдельный блок питания.
Усилитель очень чувствителен к внешним наводкам, так что он тоже должен быть экранированным. Я взял готовый корпус от нерабочего оптического датчика, и разместил усилитель в нем (белая полоска — фольга для дополнительного экранирования фотодиода):

Отмечу, что наводка сигнала от лазера на приемник довольно сильно ухудшает точность измерения разности фаз, так что нужно контролировать, чтобы такая наводка отсутствовала.

LC-фильтр, используемый в дальномере — взят от приемника. Так как фильтр отсекает постоянную составляющую сигнала, а АЦП отрицательные сигналы не воспринимает, то ее приходится добавлять при помощи резисторного делителя R15, R16. Постоянное напряжение, подаваемое на делитель, берется c отладочной платы (VCC).

Отладочная плата — STM32F4-DISCOVERY. Ее выбрал потому, что для формирования двух достаточно различающихся частот нужен генератор достаточно высокой частоты (PLL STM32F4 может давать частоты больше 100МГц).
В формуле, связывающей частоту модуляции и дискретизации, коэффициент «p» я принял равным 6, так что при частоте модуляции 10МГц частота дискретизации должна быть 1.6МГц.

Для формирования частоты 10МГц используется таймер TIM2, работающий в режиме формирования ШИМ сигнала. При системной частоте 160МГц его период — 16 «тиков».
АЦП получает запросы на запуск от таймера TIM2. Для формирования частоты 1.6МГц его период — 100 «тиков». Все данные от АЦП при помощи DMA сохраняются в массив, размер которого должен быть равен двойке в N степени. Оба таймера, АЦП и DMA запускаются один раз при включении и больше уже не отключаются. Таким образом, так как таймеры тактируются от одного источника, а одному периоду измеряемого сигнала соответствуют четыре выборки данных, получается, что в массив всегда попадет целое число периодов сигнала.
Так как останавливать DMA не желательно (это упрощает управление захватом данных), при заполнении первой половины массива генерируется прерывание. Обнаружив, что половина массива заполнена, контроллер копирует ее содержимое в другой массив (в целях упрощения программы вторая половина основного массива при этом не используется). После этого полученные данные обрабатываются — вычисляется средняя амплитуда и фаза сигнала, проводится пересчет фазового сдвига в расстояние.
Полученные величины выводятся на ЖК индикатор от кассового аппарата, также подключенный к отладочной плате.

Дальномер должен знать где находится начало отсчета. Для его калибровки при включении на «нулевом» расстоянии от дальномера устанавливается объект, после чего на отладочной плате нужно нажать кнопку, при этом измеренное значение дальности записывается в память, после чего это значение будет вычитаться из измеренной дальномером дальности.

Как я уже отмечал выше, реализовать автоматическое управление усилением не удалось. При этом изменение амплитуды принятого сигнала приводит к изменению фазовых сдвигов в усилителе, и следовательно, к дополнительным ошибкам.
Поэтому мне пришлось регулировать освещенность фотодиода при помощи механической заслонки, поворачиваемой сервоприводом — при слишком большой освещенности заслонка перекрывает световой поток. ШИМ сигнал для управления приводом формируется таймером TIM3.

Про оптику. Без нее дальномер невозможен. Ее конструкция хорошо видна на фотографиях ниже. Лазер находится внутри пластиковой трубки, установленной вертикально. В нее вставлена небольшая втулка с зеркальной призмой. Втулку можно поворачивать, поднимать и опускать, перемещая таким образом луч лазера. Так как я догадывался, что усиления не хватит, то для приема сигнала использовал крупную линзу Френеля.
Так так лазер, линза и фотодиод установлены соосно, то на близких расстояниях лазер закрывает от фотодиода собственный луч. Для компенсации этого эффекта я установил вторую линзу (лупа с оправой), хотя полностью эффект не устраняется, поэтому максимальный сигнал наблюдается на расстоянии примерно 50-70 см от лазера.

А вот и фотографии получившейся конструкции:

На индикаторе первое число — амплитуда в единицах АЦП, второе число — расстояние в сантиметрах от края доски.

Видео работы дальномера:

Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта.
Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера.
Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается.
Фотография отражателя:

Использование отражателя:

Как видно, расстояние до отражателя — 6.4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.

Точность получившегося дальномера — 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз — 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять — на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов — у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность — довольно неплохо.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.

Программа контроллера: ссылка

Что такое лазерный дальномер и как им пользоваться

Компактное устройство, пришедшее на смену механическим рулеткам. Способно моментально выполнять точные измерения и сложные расчеты, быстро и без помощи напарника, держащего край ленты в нужной точке. В данной теме, мы коротко и ясно расскажем, что такое дальномер, какие он имеет разновидности, конструкцию и функционал, а по завершению разбора устройства, расскажем, как им пользоваться.

Что такое дальномер

Вне зависимости от великого многообразия видов и моделей, портативный дальномер — это всегда компактное устройство с автономным источником питания, измеряющее расстояние от себя до ближайшей точки, на которую направлено. По принципу работы, все бесконтактные измерительные приборы делятся на 2 группы:

Активные – определяют расстояние до точки с помощью звукового, светового или лазерного луча, испускаемых прибором. Дойдя до ближайшего препятствия, фотоны света или звуковая волна, отражаются и направляются обратно к дальномеру. Чувствительный датчик мгновенно улавливает полученный сигнал, получая максимально точное время в микросекундах (мкс). Поскольку скорость звука и света общеизвестна ещё по школьным урокам физики, определение расстояния, сводиться к банальному делению.

Например, свет проходит 1 см за 29.2 мкс, а выпущенный нами луч, вернулся через 292 мкс. Следовательно, для получения расстояния, делим 292 на 29.2 и получаем 10 см, которые делятся ещё пополам, поскольку луч проходит один путь дважды (от излучателя и к нему). В результате такой элементарной формулы, определяется расстояние, выводимое на дисплей устройства.
Пассивные – производят вычисления на основе равнобедренного треугольника, где искомое расстояние является его высотой (h), а длина основания заведомо известна. Данный принцип с формулой расчета, представлен ниже и лежит в основе оптических, монокулярных, нитяных и стереоскопических дальномеров. Подобные устройства применяются в геодезии, охоте, спорте и туризме, где измерения начинаются от 500 метров и переваливают за 2 километра. В данной статье, дальномеры пассивного действия, представлены для ознакомления, как крупная группа измерительных устройств. В точных строительных работах, такие устройства, не используются.
Поскольку тема статьи посвящена разбору простых и компактных измерительных приборов для строительства, заострим внимание именно на них. Лазерный дальномер предназначен для исключительно точных измерений с погрешностью 1-3 мм, на 5-10 метров (в зависимости от модели). Инструмент успешно используется в строительстве, монтаже и ремонте.
Принцип действия лазерной рулетки может быть основан на импульсном или фазовом методе. Первый, вычисляет расстояние на основе времени прохождения импульса от дальномера к поверхности и обратно. Фазовый метод измерения устроен сложнее и основан на различии испускаемых и принимаемых лучей. Такие дальномеры определяют расстояние немного дольше импульсных, но получают более точные показания и стоят дешевле.

Конструкция лазерного дальномера

Имея даже поверхностное понимание, что такое лазерный дальномер, можно с уверенностью заключить, что при всем многообразии расцветок и элементов оформления, прибор практически всегда выполняется в единой концепции. Визуально и по габаритам, устройство схоже с кнопочным мобильником с лазерным излучателем на верхнем торце (где, на Nokia 1616, расположен фонарик). Правда, в отличии от разнообразных форм телефонов, корпус лазерной рулетки зачастую имеет меньше округлых или кривых граней. Ровность кирпича и полная перпендикулярность боковых граней корпуса исходящему лучу, необходима для удобства измерения.
Бюджетные устройства, зачастую оснащаются LCD-дисплеями с подсветкой, где может отображаться от одной до 4-х строк данных и различные элементы (индикатор батареи или активированная функция). Более дорогие устройства имеют жидкокристаллические дисплеи с приличной гаммой цветов, использующихся для элементов интерфейса и функции визира со встроенной камерой.
Количество кнопок на панели зависит от функционала, и составляет от 2 до 10 и более. За измерение, в большинстве случаев, отвечает центральная кнопка, выделяющаяся от остальных. Далее по распространенности идет кнопка выключения и стирания данных. На более продвинутых аппаратах, есть кнопки сохранения и загрузки измерений, сложение и вычитание, подсветка и управление многочисленными возможностями, которые разбираем ниже.

Функционал

В эпоху технологического прогресса наивно полагать, что возможности лазерного дальномера ограничатся одним лишь измерением расстояния. Даже относительно недорогие устройства включают в себя приличный арсенал формул и модулей, позволяющих определять периметр, площадь и даже объем исследуемых объектов. Простые приборы, с единственной функцией измерения, тоже встречаются, но даже в самом бюджетном сегменте попадаются все реже. Наибольшее количество возможностей сосредоточено в профессиональных дальномерах, представляющих собой сконцентрированную кладезь теорем, для разнообразных расчетов. Далее конкретно о каждой функции.
Площадь и объем могут вычисляться стандартным способом, путем измерения каждой грани прикладыванием прибора, или же из одной точки со стороны. Функция полезна для отделочных работ, поскольку значительно облегчает и ускоряет расчет количества требуемого материала.
Уровень пригодиться для самых разнообразных строительно-монтажных и ремонтных работ. Оснастка может быть выполнена в роли обычного ватерпаса, установленного на корпусе инструмента или в качестве внутреннего модуля, выводящего градус угла на дисплей.
Скобы откидного типа позволяют производить диагональные измерения из углов, где невозможно плотное прилегание корпуса дальномера. В некоторых моделях, данную функцию выполняют выдвижные штыри, располагающиеся внутри корпуса.
Сохранение данных значительно облегчают работу с большими проектами, избавляя от необходимости ведения записей в блокноте. Возможность, в любой момент, поднять десяток-другой старых замеров, может выручить как на рабочем месте, так и в магазине стройматериалов.
Передача данных на пк или смартфон, в основном осуществляется через кабель, однако все больше моделей начинают оснащаться Bluetooth-модулем. Измерения могут передаваться в стандартных текстовых форматах, или загружаться в специальные программы, где могут быть преобразованы в полноценный чертеж проекта.
Непрерывное измерение превращает дальномер в настоящую лазерную рулетку, обновляющую расстояние до цели в режиме реального времени. Функция позволяет легко отмерять части нужной длины и помогает проверять неровности покрытия.
Визир представляет собой увеличительную оптику, для точного наведения луча на расстояния более 15 метров. В профессиональных моделях, функция имеет вид камеры, выводящей на дисплей картинку с точкой прицела посередине.
Измерение высоты позволяет получить точные данные о размерах дома или длине дерева, при измерении со стороны. Достаточно отмерить расстояние от дальномера до основания, и до конечной точки. На основе полученных данных и углов, устройство рассчитывает высоту. Для максимальной точности, подобные измерения рекомендуется производить на неподвижном штативе, с использованием визира.

Как пользоваться лазерным дальномером

Первоочередная задача любого лазерного дальномера, сводиться к упрощению и ускорению процесса измерения. Производители стараются сделать эти приборы максимально удобными и интуитивно понятными, однако большинство моделей имеют уникальный дизайн со своей системой управления, требующей индивидуального ознакомления. Для облегчения изучения, каждое устройство комплектуется руководством, объясняющим, как пользоваться лазерным дальномером конкретной модели. К сожалению, не каждый мануал имеет наглядное, подробное написание на русскоязычном языке, поэтому разберем основные кнопки и команды, за которые они отвечают.
Вне зависимости от модели прибора, в его арсенале есть как минимум 2 кнопки: для измерения и для отчистки дынных, которая зачастую отвечает ещё за выключение аппарата. Чем модель более наворочена, тем объемнее клавиатура. Со сложностью появляются кнопки подсветки, сложения / вычитания результатов, нахождения площадей и объемов, сохранения данных. На устройствах с интерфейсом имеются кнопки навигации по меню. Для большей наглядности, ниже представлена инструкция на лазерный дальномер на примере 2-х разных приборов.
Главный обобщающий фактор, единственный, неизменный для всех моделей, заключается в принципе эксплуатации устройства. Нулевая точка отсчета расстояния, приходиться на нижний торец прибора. К примеру, чтобы измерить расстояние между стенами, прикладываем прибор перпендикулярно одной, чтобы лазерный луч был направлен на другую. Если требуется получить размер доски, совмещаем край инструмента с краем измеряемого объекта, с противоположной стороны которого ставим любой элемент отражения лазерного луча. Для получения площади, измеряем помещение в длину и ширину, перемножая полученные данные, а при необходимости, умножаем на высоту, для вычисления объема. Основы эксплуатации дальномера, наглядно продемонстрированы в видеоролике, приведенном ниже.

Сохраните эту страницу в своей соц. сети и вернитесь к ней в удобное время.

как выбрать электронную (цифровую) рулетку для строительства, как работает, как пользоваться

Лазерная рулетка незаменима в строительстве и отделке, туризме и лесничестве, во многих других отраслях. Ею можно производить замеры не только в помещениях, но и на улице. Ведь максимальная дальность измерения достигает 250 метров, а с использованием отражателя 900 метров. В отличие от обычной рулетки, электронная измеряет точнее, быстрее и без помощи второго человека. Как правильно выбрать строительный лазерный дальномер?

Устройство и принцип действия лазерной рулетки

Лазерная рулетка представляет собой небольшой прибор, состоящий из оптических и электронных компонентов.

Устройство лазерной рулетки

Устройство лазерной рулетки

1. Корпус. У большинства приборов он сделан из пластика и имеет эргономичные вставки. Корпус защищает устройство от влаги и пыли.
2. Излучатель сигнала.
3. Приёмник сигнала.
4. Преобразователь сигнала. Находится в корпусе. Преобразует световой формат в цифровой.
5. Дисплей. На него выводятся полученные данные. Выполнен на жидких кристаллах. Для хорошей видимости в дневное время дисплей имеет сильную подсветку.
6. Электронный блок управления. Расположен внутри корпуса.
7. Аккумулятор.
8. Панель управления с кнопками.

Лазерная рулетка не измеряет расстояние в буквальном смысле. Она обрабатывает полученные данные, преобразуя их в расстояние.

Схема работы лазерного дальномера

Принцип действия прибора заключается в следующем:

1. Пользователь нажимает на кнопку;
2. Прибор генерирует световой поток и с помощью излучателя посылает его в прямом направлении;
3. Дойдя до цели, луч возвращается обратно, попадая в приёмник;
4. Преобразователь конвертирует световой поток в цифровой сигнал;
5. Процессор вычисляет расстояние исходя из времени прохождения луча туда и обратно, и скорости движения;
6. Полученный результат выводится на дисплей. Скорость обработки данных у бытовых приборов до 3 секунд, а профессиональные срабатывают за долю секунды.

Функции и применение строительного дальномера

Лазерная рулетка не только измеряет расстояния, но и выполняет другие функции, в зависимости от модели:

Включение в прибор дополнительных функций увеличивает его стоимость.

Видео: обзор функций дальномера для строительства

Применение лазерного дальномера достаточно широко:

• строительство;
• ремонт и отделка помещений;
• производство и монтаж мебели;
• монтаж оборудования;
• топографическая съёмка;
• геодезия;
• ландшафтный дизайн;
• туризм и альпинизм;
• лесничество и охота;
• геология и археология;
• монтаж рекламных плакатов.

Как выбрать электронную рулетку

При выборе лазерной рулетки определите задачи, для которых вы будете её использовать, чтобы не переплачивать за наличие всевозможных функций прибора. Основные критерии выбора:

• класс прибора:
  • бытовой. Дальность действия до 60 метров. Погрешность измерений 1,5 мм. Для замеров в квартире, частном доме или дачном участке этого вполне достаточно;
  • профессиональный. Дальность действия до 250 метров и выше. Погрешность достигает 1 метра;
• класс лазера:
  • 1-й класс имеет луч мощностью менее 1 мВт. Цвет зелёный и хорошо виден и безопасен для глаз. Такой тип лазера используется в профессиональных дальномерах;
  • 2 класс имеет луч мощностью 1 мВт. Цвет красный. Опасен для человеческого глаза. Используется в бытовых дальномерах;
• наличие оптического прицела или визира. На бытовых приборах устанавливается редко;

  Дальномер с оптическим прицелом

• количество начальных точек отсчёта. Это точки, от которых начинается замер. Их может быть от 1 до 4;
• корпус и линзы. На профессиональных устройствах корпус имеет защиту от влаги и пыли. Линзы невосприимчивы к высокой влажности и не запотевают. Такие приборы работают при температурах ниже 50 и выше 50 градусов;
• эргономичные вставки и противоударный буфер. Для того чтобы прибор не выскальзывал. Ну а если это произошло, чтобы не разбился. Для стройки полезная опция;
• производитель. Очень качественные дальномеры производят Bosch, Stabila и Leica. Среди китайских фирм пользуются спросом ADA и Condtrol;
• гарантия и сервис. Гарантия должна быть не менее 1 года. Также уточняйте наличие сервисной мастерской в вашем городе.
• комплектация. Некоторые модели комплектуются штативом или очками.
• наличие дополнительных функций. В зависимости от вида работ выберите функции, которые должны присутствовать в вашей рулетке.

Для строительства простых измерений расстояния, площади и объёма не достаточно. Присмотритесь к профессиональным приборам с расширенным функционалом.

Как пользоваться цифровым измерительным устройством

Лазерные рулетки разных моделей отличаются функционалом. Рассмотрим самые распространённые варианты используемых функций.

Кнопки панели управления

Кнопки панели управления

• 1 — кнопка включения прибора и запуска измерения;
• 2 — кнопка активации цифровой камеры;
• 3 — крестообразный джойстик. В центре расположена кнопка ввода действия и знака «равно»;
• 4 — кнопка отмены действия и выключения прибора;
• 5 — с помощью этих кнопок можно запрограммировать часто используемые функции. По одной функции на каждую кнопку;
• 6 — переход к просмотру и выбору функций;
• 7 — кнопки для простого сложения и вычитания.

Основные действия:

Рекомендации по использованию

• Если у вас нет оптического или цифрового визира, купите очки для лазерных приборов. С их помощью вы сможете видеть луч днём.
• Так как лазерные рулетки часто используются на строительных площадках, на них попадает много пыли. Поэтому прибор нужно протирать в конце работы. Хранить в сухом и чистом чехле.

Видео: как пользоваться электронной линейкой при строителных работах

Лазерная рулетка многофункциональна и удобна. Проста в использовании. Имея в арсенале такой прибор, вы сможете быстро произвести замеры для стройки или ремонта. Вам не придётся вручную высчитывать площади. При правильном выборе строительного дальномера со всеми необходимыми функциями вы получите незаменимый инструмент.

Самодельный сканирующий лазерный дальномер / Habr

В этой статье я расскажу о том, как я делал самодельный лазерный сканирующий дальномер, использующий триангуляционный принцип измерения расстояния, и об опыте его использования на роботе.

Зачем нужен сканирующий дальномер?

На сегодняшний день в робототехнике не так уж и много методов навигации внутри помещений. Определение положения робота в пространстве с использованием лазерного сканера — один из них. Важное достоинство этого метода — он не требует установки в помещении каких-либо маяков. В отличие от систем, использующих распознавание изображения с камер, обработка данных с дальномера не так ресурсоемка. Но есть и недостаток — сложность, и соответственно, цена дальномера.
Традиционно в робототехнике используются лазерные сканеры, использующие фазовый или времяпролетный принцип для измерения расстояния до объектов. Реализация этих принципов требует довольно сложной схемотехники и дорогих деталей, хотя и характеристики при этом получаются приличные — используя эти принципы, можно добиться высокой скорости сканирования и большой дальности измерения расстояния.
Но для домашних экспериментов в робототехнике такие сканеры мало подходят — цена на них начинаются от 1000$.
На помощь приходят дальномеры, использующие триангуляционный принцип измерения расстояния. Дальномер такого типа впервые появился в роботах-пылесосах Neato:

Довольно быстро любители расшифровали протокол этого дальномера, и начали использовать его в своих проектах. Сами дальномеры в качестве запчастей появились на ebay в небольших количествах по цене около 100$. Через несколько лет китайская компания смогла выпустить сканирующий дальномер RPLIDAR, который поставлялся как полноценный прибор, а не запчасть. Только цена этих дальномеров оказалась достаточно высокой — 400$.

Самодельный дальномер

Как только я узнал о дальномерах Neato, мне захотелось собрать самому аналогичный. В конце концов, мне это удалось, и процесс сборки я описал на Робофоруме.
Первая версия дальномера:

Позже я сделал еще одну версию дальномера, более пригодную для использования на реальном роботе, но и ее качество работы не полностью устроило меня. Настало время третьей версии дальномера, и именно она будет описана далее.

Устройство сканирующего триангуляционного лазерного дальномера

Принцип измерения расстояния до объекта основан на измерении угла между лазерным лучом, попадающим на объект, и объективом дальномера. Зная расстояние лазер-объектив (h) и измеренный угол, можно вычислить расстояние до объекта — чем меньше угол, тем больше расстояние.
Принцип хорошо иллюстрирует картинка из статьи:

Таким образом, ключевые оптические компоненты такого дальномера — лазер, объектив и фотоприемная линейка.
Так как дальномер сканирующий, то все эти детали, а так же управляющая электроника устанавливаются на вращающейся головке.
Тут может возникнуть вопрос — зачем нужно вращать оптику и электронику, ведь можно установить вращающееся зеркало? Проблема в том, что точность дальномера зависит от расстояния между объективом и лазером (базового расстояния), так что оно должно быть достаточно большим. Соответственно, для кругового сканирования понадобится зеркало диаметром, большим базового расстояния. Дальномер с таким зеркалом получается достаточно громоздким.
Сканирующая головка дальномера при помощи подшипника закрепляется на неподвижном основании. На нем же закрепляется двигатель, вращающий головку. Также в состав дальномера должен входить энкодер, предназначенный для получения информации о положении головки.
Как видно, дальномеры Neato, RPLIDAR и мои самодельные сделаны именно по этой схеме.

Самое сложное в самодельном дальномере — изготовление механической части. Именно ее работа вызывала у меня больше всего нареканий в ранних версиях дальномера. Сложность заключается в изготовлении сканирующей головки, которая должна быть прочно закреплена на подшипнике, вращаться без биений и при этом не нее нужно каким-то образом передавать электрические сигналы.
Во второй версии дальномера первые две проблемы я решил, использовав части старого HDD — сам диск использовался как основание сканирующей головки, а двигатель, на котором он закреплен, уже содержал качественные подшипники. В то же время, при этом возникла третья проблема — электрические линии можно было провести только через небольшое отверстие в оси двигателя. Мне удалось сделать самодельный щеточный узел на 3 линии, закрепленный в этом отверстии, но получившаяся конструкция получилась шумной и ненадежной. При этом возникла еще одна проблема — линии, чтобы пробросить сигнал энкодера, не было, и датчик энкодера в такой конструкции должен быть установлен на головке, а диск энкодера с метками — на неподвижном основании. Диск энкодера получился не жестким, и это часто вызывало проблемы.
Фотография второй версии дальномера:

Еще один недостаток получившегося дальномера — низкая скорость сканирования и сильное падение точности на расстояниях больше 3м.
Именно эти недостатки я решил устранить в третьей версии дальномера.

Электроника

В принципе, электронная часть триангуляционного дальномера достаточно проста и содержит всего два ключевых компонента -светочувствительную линейку и микроконтроллер. Если с выбором контроллера проблем нет, то с линейкой все значительно сложнее. Светочувствительная линейка, используемая в подобном дальномере, должна одновременно иметь достаточно высокую световую чувствительность, позволять считывать сигнал с высокой скоростью и иметь маленькие габариты. Различные CCD линейки, применяемые в бытовых сканерах, обычно довольно длинные. Линейки, используемые в сканерах штрихкодов — тоже не самые короткие и быстрые.
В первой и второй версии дальномера я использовал линейки TSL1401 и ее аналог iC-LF1401. Эти линейки хорошо подходят по размеру, они дешевые, но содержат всего 128 пикселей. Для точного измерения расстояния до 3 метров этого мало, и спасает только возможность субпискельного анализа изображения.
В третьей версии дальномера я решил использовать линейку ELIS-1024:

Однако купить ее оказалось непросто. У основных поставщиков электроники этих линеек просто нет.
Первая линейка, которую я смог купить на Taobao, оказалась нерабочей. Второю я купил на Aliexpress (за 18$), она оказалась рабочей. Обе линейки выглядели паянными — обе имели облуженные контакты и, судя по маркировке, были изготовлены в 2007 году. Причем даже на фотографиях у большинства китайских продавцов линейки именно такие. Похоже, что действительно новую линейку ELIS-1024 можно купить только напрямую у производителя.
Светочувствительная линейка ELIS-1024, как следует из названия, содержит 1024 пикселя. Она имеет аналоговый выход, и достаточно просто управляется.
Еще более хорошими характеристиками обладает линейка DLIS-2K. При сходных размерах, она содержит 2048 пикселей и имеет цифровой выход. Насколько мне известно, именно она используется в дальномере Neato, и возможно, в RPLIDAR. Однако, найти ее в свободной продаже очень сложно, даже в китайских магазинах она появляется не часто и дорого стоит — более 50$.

Так как я решил использовать линейку с аналоговым выходом сигнала, то микроконтроллер дальномера должен содержать достаточно быстрый АЦП. Поэтому я решил использовать серию контроллеров — STM32F303, которые, при относительно небольшой стоимости, имеют несколько быстрых АЦП, способных работать одновременно.
В результате у меня получилась такая схема:

Сигнал с линейки (вывод 10) имеет достаточно высокий уровень постоянной составляющей, и ее приходится отфильтровывать при помощи разделительного конденсатора.
Далее сигнал нужно усилить — для этого используется операционный усилитель AD8061. Далеко расположенные объекты дают достаточно слабый сигнал, так что пришлось установить коэффициент усиления равным 100.
Как оказалось в результате экспериментов, даже при отсутствии сигнала, на выходе выбранного ОУ по какой-то причине постоянно присутствует напряжение около 1.5В, что мешает обработке результатов и ухудшает точность измерения амплитуды сигнала. Для того, чтобы избавится от этого смещения, мне пришлось подать дополнительное напряжение на инвертирующий вход ОУ.

Плату разводил двухстороннюю, сделать такую плату в домашних условиях качественно довольно сложно, так что заказал изготовление плат в Китае (пришлось заказать сразу 10 штук):

В этом дальномере я использовал дешевый объектив с резьбой M12, имеющий фокусное расстояние 16мм. Объектив закреплен на печатной плате при помощи готового держателя объектива (такие используются в различных камерах).
Лазер в данном дальномере — инфракрасный (780 нм) лазерный модуль, мощностью 3.5 мВт.
Изначально я предполагал, что излучение лазера нужно будет модулировать, но позже оказалось, что с используемой линейкой в этом нет смысла, и поэтому сейчас лазер включен постоянно.
Для проверки работоспособности электроники была собрана вот такая конструкция, имитирующая сканирующую головку дальномера:

Уже в таком виде можно было проверить, какую точность измерения расстояния позволяет обеспечить дальномер.
Для анализа сигнала, формируемого линейкой, были написаны тестовые программы для микроконтроллера и ПК.
Пример вида сигнала с линейки (объект на расстоянии 3 м).

Изначально схема была не совсем такая, как приведена выше. В ходе экспериментов мне пришлось частично переделать изначальную схему, так что, как видно из фотографий, некоторые детали пришлось установить навесным монтажом.

Механическая часть

После того, как электроника была отлажена, настало время изготовить механическую часть.
В этот раз я не стал связываться с механикой из HDD, и решил изготовить механические детали из жидкого пластика, заливаемого в силиконовую форму. Эта технология подробно описана в Интернете, в том числе и на Гиктаймс.
Уже после того, как я изготовил детали, стало понятно, что изготовить детали на 3D принтере было бы проще, они могли выйти тверже, и возможно, можно было бы сделать одну деталь вместо двух. Доступа к 3D принтеру у меня нет, так что пришлось бы заказывать изготовление детали в какой-либо компании.
Фото одной из деталей сканирующей головки дальномера:

Эта деталь является основой головки. Она состоит из втулки, на которую позже надевается подшипник, и диска. Диск предназначен для крепления второй детали башни, кроме того, на него снизу наклеивается диск энкодера.
Втулка и диск содержат сквозное отверстие, в которое вставляется покупной щеточный узел на 6 линий — его видно на фотографии. Именно те провода, что видны на фотографии, могут вращаться относительно корпуса этого узла. Для повышения стабильности работы для передачи сигналов GND и UART TX используется 2 пары линий щеток. Оставшиеся 2 линии используются для передачи напряжения питания и сигнала энкодера.

Силиконовая форма для отливки этой детали:

Вторая деталь сканирующей головки была изготовлена тем же способом. Она предназначена для крепления печатной платы и лазера к диску. К сожалению, фотографий изготовления этой детали у меня не сохранилось, так что ее можно увидеть только в составе дальномера.

Для крепления сканирующей головки к основанию дальномера используется шариковый подшипник. Я использовал дешевый китайский подшипник 6806ZZ. Честно говоря, качество подшипника мне не понравилось — ось его внутренней втулки могла отклонятся относительно оси внешней на небольшой угол, из-за чего головка дальномера тоже немного наклоняется. Крепление подшипника к детали с диском и основанию будет показано ниже.

Основание я сделал из прозрачного оргстекла толщиной 5 мм. К основанию крепится подшипник, датчик энкодера, двигатель дальномера и маленькая печатная плата. Само основание устанавливается на любую подходящую поверхность при помощи стоек.
Вот так выглядит основание дальномера снизу:

Печатная плата содержит регулируемый линейный стабилизатор напряжения для питания двигателя, и площадки для подключения проводов узла щеток. Сюда же подводится питание дальномера.
Как и в других дальномерах, двигатель вращает сканирующую головку при помощи пассика. Для того, чтобы он не сваливался с втулки, на ней имеется специальное углубление.
Как видно из фотографии, подшипник закреплен в основании при помощи трех винтов. На сканирующей головке подшипник удерживается за счет выступа на втулке и прижимается к ней другими винтами, одновременно удерживающими щеточный узел.

Энкодер состоит из бумажного диска с напечатанными рисками и оптопары с фототранзистором, работающей на отражение. Оптопара закреплена при помощи стойки на основании так, что плоскость диска оказывается рядом с ней:

Сигнал от оптопары через щетки передается на вход компаратора микроконтроллера. В качестве источника опорного напряжения для компаратора выступает ЦАП микроконтроллера.
Для того, чтобы дальномер мог определить положение нулевого угла, на диск энкодера нанесена длинная риска, отмечающая нулевое положение головки (она видна справа на фотографии выше).

Вот так выглядит собранный дальномер:

Вид сверху:

Разъем сзади дальномера используется для прошивки микроконтроллера.
Для балансировки сканирующей головки на нее спереди устанавливается крупная гайка — она практически полностью устраняет вибрацию при вращении головки.

Собранный дальномер нужно отюстировать — установить лазер в такое положение, чтобы отраженный от объектов свет попадал на фотоприемную линейку. Обе пластмассовые детали содержат соосные отверстия, располагающиеся под пазом лазера. В отверстия вворачиваются регулировочные винты, упирающиеся в корпус лазера. Поворачивая эти винты, можно изменять наклон лазера.
Наблюдая в программе на компьютере форму и амплитуду принятого сигнала и изменяя наклон лазера, нужно добиться максимальной амплитуды сигнала.
Также триангуляционные дальномеры требуют проведения калибровки, о чем я писал ранее:

Для того, чтобы при помощи датчика можно было измерять расстояние, нужно произвести его калибровку, т.е. определить закон, связывающий результат, возвращаемый датчиком, и реальное расстояние. Сам процесс калибровки представляет собой серию измерений, в результате которых формируется набор расстояний от датчика до некоторого объекта, и соответствующих им результатов.

В данном случае калибровка представляла собой серию измерений расстояний до различных объектов самодельным дальномером и лазерной рулеткой, после чего по полученным парам измерений выполняется регрессионный анализ и составляется математическое выражение.

Получившийся дальномер имеет существенный недостаток — из-за отсутствия модуляции излучения лазера он некорректно работает при любой сильной засветке. Обычное комнатное освещение (даже при использовании мощной люстры) не влияет на работу дальномера, но вот расстояние до поверхностей, прямо освещенных Солнцем, дальномер измеряет неправильно. Для решения этой проблемы в состав дальномера нужно включить интерференционный светофильтр, пропускающий световое излучение только определенной длины волны — в данном случае 780 нм.

Эволюция самодельных дальномеров:

Габаритные размеры получившегося дальномера:
Размер основания: 88×110 мм.
Общая высота дальномера: 65 мм (может быть уменьшена до 55 при уменьшении высоты стоек).
Диаметр сканирующей головки: 80 мм (как у mini-CD диска).

Как и у любого другого триангуляционного дальномера, точность измерения расстояния этого дальномера резко падает с ростом расстояния.
При измерениях расстояния до объекта с коэффициентом отражения около 0.7 у меня получились примерно такие точностные характеристики:

Расстояние	Разброс
1 м	<1 см
2 м	2 см
5 м	7 см

Стоимость изготовления дальномера:

	DIY, $	Опт., $
Основание
Пластина основания	1,00	0,50
Двигатель	0,00	1,00
Подшипник	1,50	1,00
Щеточный узел	7,50	5,00
Крепежные детали	0,00	2,00
Сканирующая головка
Контроллер STM32F303CBT6	5,00	4,00
Фотоприемная линейка	18,00	12,00
Остальная электроника	4,00	3,00
Плата	1,50	0,50
Объектив	2,00	1,50
Держатель объектива	1,00	0,50
Лазер	1,00	0,80
Пластиковые детали	3,00	2,00
Крепежные детали	0,00	1,00
Сборка	0,00	20,00
Итого:	45,50	54,80

В первой колонке — во сколько дальномер обошелся мне, во второй — сколько он мог бы стоить при промышленном изготовлении (оценка очень приблизительная).

Программная часть дальномера

Перед написанием программы нужно рассчитать тактовую частоту, на которой будет работать фотоприемная линейка.
В старых версиях дальномера частота сканирования была ограничена 3 Гц, в новом дальномере я решил сделать ее выше — 6Гц (это учитывалось при выборе линейки). Дальномер делает 360 измерений на один оборот, так что при указанной скорости он должен быть способен производить 2160 измерений в секунду, то есть одно измерение должно занимать менее 460 мкс. Каждое измерение состоит из двух этапов — экспозиция (накопление света линейкой) и считывание данных с линейки. Чем быстрее будет произведено считывание сигнала, тем длиннее может быть время экспозиции, а значит, и тем больше будет амплитуда сигнала. При тактовой частоте линейки 8 МГц время считывания 1024 пикселей будет составлять 128 мкс, при 6 МГц — 170 мкс.

При тактовой частоте микроконтроллера серии STM32F303 в 72 МГц максимальная частота выборок АЦП — 6 MSPS (при разрядности преобразования 10 бит). Так как я хотел проверить работу дальномера при тактовой частоте линейки 8 МГц, я решил использовать режим работы АЦП, в котором два АЦП работают одновременно (Dual ADC mode — Interleaved mode). В этом режиме по сигналу от внешнего источника начала запускается ADC1, а затем, через настраиваемое время, ADC2:

Как видно из диаграммы, суммарная частота выборок АЦП в два раза выше, чем частота триггера (в данном случае это сигнал от таймера TIM1).
При этом TIM1 также должен формировать сигнал тактовой частоты для фотоприемной линейки, синхронный с выборками АЦП.
Чтобы получить с одного таймера два сигнала с частотами, различающимися в два раза, можно переключить один из каналов таймера в режим TIM_OCMode_Toggle, а второй канал должен формировать обычный ШИМ сигнал.

Структурная схема программы дальномера:

Ключевой частью программы является именно захват данных с линейки и управление ей. Как видно из схемы, этот процесс идет на аппаратном уровне, за счет совместной работы TIM1, ADC1/2 и DMA. Для того, чтобы время экспозиции линейки было постоянным, используется таймер TIM17, работающий в режиме Single Pulse.

Таймер TIM3 генерирует прерывания при срабатывании компаратора, соединенного с энкодером. За счет этого рассчитывается период вращения сканирующей головки дальномера и ее положение. По полученному периоду вращения рассчитывается период таймера TIM16 таким образом, чтобы он формировал прерывания при повороте головки на 1 градус. Именно эти прерывания служат для запуска экспозиции линейки.

После того, как DMA передаст все 1024 значения, захваченные ADC, в память контроллера, программа начинает анализ эти данных: сначала производится поиск положения максимума сигнала с точностью до пикселя, затем, при помощи алгоритма поиска центра тяжести — с более высокой точностью (0.1 пикселя). Полученное значение сохраняется в массив результатов. После того, как сканирующая головка сделает полный оборот, в момент прохождения нуля этот массив предаются в модуль UART при помощи еще одного канала DMA.

Использование дальномера

Качество работы этого дальномера, как предыдущих, проверялось при помощи самописной программы. Ниже пример изображения, формируемого этой программой в результате работы дальномера:

Однако дальномер делался не для того, чтобы просто лежать на столе — он был установлен на старый пылесос Roomba 400 вместо дальномера второй версии:

Также на роботе установлен компьютер Orange Pi PC, предназначенный для управления роботом и связи с ним.
Как оказалось, из-за большой просадки напряжения на линейном источнике питания двигателя дальномера, для работы на скорости 6 об/сек дальномеру требуется питающее напряжение 6В. Поэтому Orange Pi и дальномер питаются от отдельных DC-DC преобразователей.

Для управления роботом и анализа данных от дальномера я использую ROS.
Данные от дальномера обрабатываются специальным ROS-драйвером (основанном на драйвере дальномера Neato), который получает по UART данные от дальномера, пересчитывает их в расстояния до объектов (используя данные калибровки) и публикует их в стандартном формате ROS.
Вот так выглядит полученная информация в rviz (программа для визуализации данных ROS), робот установлен на полу:

Длина стороны клетки — 1 метр.

После того, как данные попали в ROS, их можно обрабатывать, используя уже готовые пакеты программ. Для того, чтобы построить карту квартиры, я использовал hector_slam. Для справки: SLAM — метод одновременного построения карты местности и определения положения робота на ней.
Пример получившейся карты квартиры (форма несколько необычна, потому что дальномер «видит» мебель, а не стены, и не все комнаты показаны):

ROS позволяет объединять несколько программ («узлов» в терминологии ROS), работающих на разных компьютерах, в единую систему. Благодаря этому, на Orange Pi можно запускать только ROS-драйверы Roomba и дальномера, а анализ данных и управление роботом вести с другого компьютера. При этом эксперименты показали, что hector_slam нормально работает и на Orange Pi, приемлемо загружая процессор, так что вполне реально организовать полностью автономную работу робота.

Система SLAM благодаря данным от дальномера позволяет роботу определять свое положение в пространстве. Используя данные о положении робота и построенную карту, можно организовать навигационную систему, позволяющую «направить» робота в указанную точку на карте. ROS содержит в себе пакет программ для решения этой задачи, но, к сожалению, я так и не смог заставить его качественно работать.

Видео работы дальномера:

Более подробное видео построения карты при помощи hector_slam:

Исходные коды программы контроллера

P. S. Также у меня есть проект более простого лидара.

как пользоваться измерительным оптическим устройством

Очень часто, выполняя ремонт в квартире или при постройке садового домика, необходимо измерить расстояние до чего-либо. Самый простой и неточный способ — это шаг человека. Куда вернее произвести замер с помощью измерительной ленты или линейки. Так и делалось на протяжении многих столетий. Однако наука не стоит на месте и её достижения очень часто приходят на помощь и в домашних делах. В этом случае выручит лазерная рулетка, которая обеспечит и высокое качество данных.

История создания лазерного инструмента

В XX столетии свершилось одно из значимых открытий науки — изобретение лазера. Это произошло одновременно в России и США. Учёные Прохоров и Басов с российской стороны и Таунсон с американской были удостоены Нобелевской премии. Исследования продолжались и далее. Первыми начали применять новинку военные. А также в войсках заметили, что с помощью такого устройства возможно измерение расстояний.

Вскоре появились бинокли с лазерным дальномером. Поначалу это были громоздкие приборы. Однако с течением времени конструкторы привели их к современному виду.

Постепенно сугубо военные технологии начинают поступать в гражданские сферы. Так произошло и со световыми аппаратами. Сейчас они обнаруживаются на каждом шагу. Компактное, лёгкое (вес около 200 граммов) устройство приобретается в любом хозяйственном и строительном магазине, его можно обнаружить в кармане рабочего на стройплощадке или в мастерской. Цены колеблются в зависимости от технической начинки изделия. По популярности с ним может сравниться ультразвуковая рулетка, но точности, подобной лазерной, у неё нет.

Основные компоненты и характеристики

Лазерная рулетка, или дальномер, среди всего бытового измерительного инструмента отличается наивысшей точностью. Её погрешность не превышает 1−1,5 миллиметра на 30 метров, применяется в любых закрытых местах. Устройство рулетки вид инструмента не отличается разнообразием. Основная характеристика — дальность измерения. Для домашней работы производят рулетки до 60 метров дистанции. Профессиональные дальномеры рассчитаны на удаление до 260 метров.

Кроме расстояния до цели, важен такой показатель, как длина волны. Дорогостоящие аппараты оборудованы лазером с этим параметром 630−650 нанометров, что обеспечивает хорошую точность показаний. А также важна мощность прибора, которая составляет около 1 милливатта. Это показатель красного спектра излучения, опасного для сетчатки глаза. Такая мощность преимущественно у бытовых моделей, профессиональные используют рулетки безопасного зелёного спектра.

Любой оптический инструмент имеет следующие части:

1. Корпус. На материал его изготовления необходимо обратить особое внимание перед тем, как выбрать рулетку. Работа по строительству и ремонту связана с перемещением в стеснённых и неудобных условиях. Падения инструмента и удары по нему случаются регулярно. Это плохо сказывается на устройстве измерителя. Поэтому желательно, чтобы он был сделан из ударостойких материалов. Хорошо, если корпус будет прорезиненным, что обеспечит герметичность в предохранении от воды и пыли. Качественная конструкция удорожает изделие.
2. Лазерный луч проходит к объекту измерения через глазок — излучатель. На его качестве экономить не следует.
3. Дорогие профессиональные модели имеют специальное прицельное приспособление — визир. Оно оптически приближает объект, что повышает качество измерения.
4. Для производства вычислений необходимо программное обеспечение. С его помощью не придётся вручную подсчитывать площади поверхностей, высоты сооружений. Соответственно, стоимость прибора с большим числом определяемых параметров выше. Для домашних работ многие виды расчётов не очень нужны, а вот специалистам дорогая и многозадачная модель будет кстати.
5. Устройство отображения информации должно отражать максимальное число параметров. Поэтому чем больше дисплей рулетки и количество строк на экране, тем лучше. Прибор с четырьмя строками способен показать большинство необходимых характеристик.
6. Для работы ночью или в помещениях, не оборудованных осветительными приборами, нужна подсветка дисплея.
7. Для устойчивости и точности измерений модели для профессионалов комплектуются штативом.
8. Точное расположение по горизонтали и вертикали обеспечивает уровень, или ватерпас.

Работа с оптической рулеткой

Работа таких приборов основывается на свойстве отражения луча от предмета, до которого измеряется дистанция. По такому способу функционируют металлодетекторы. Имеется два способа замера:

• Существует принцип работы лазерной рулетки, основанный на свойствах импульса. Луч достигает объекта измерения, а встроенный счётчик отсчитывает время на прохождение этого расстояния и обратно. Это время нужно поделить на скорость света, равную скорости луча. По таблице рассчитывается расстояние.
• Более распространённые и удобные инструменты работают на синусоидном законе. Это означает, что процессор сравнивает графики фаз луча, поданного на предмет и вернувшегося обратно. Этот метод называется фазным.

Основные и дополнительные функции

Приобретая инструмент, будущий владелец располагает несколькими способностями, которые имеет каждый дальномер. Независимо от модели, такие устройства выполняют следующие расчёты:

• Объём, площадь, диагональ.
• Простейшие математические действия.
• Углы и размеры скатов и наклонных поверхностей.
• Сохранение в памяти результатов замеров.

Кроме стандартных операций, имеются и дополнительные. Они зависят от возможностей микропроцессора и, соответственно, цены. За отдельную плату доступны:

• Цветной экран.
• Электронный термометр.
• Визир.
• Передача данных через Bluetooth.
• Индикатор остатка заряда элементов питания.
• Расчёт специальных инженерных формул.
• Местоположение прибора — трекинг.

Правила работы

Основным преимуществом такого измерительного устройства является простота использования и скорость вычислений. Наибольшую эффективность он покажет в условиях умеренных температур, неяркого света и малой запылённости. При ярком свете для работы потребуется использование защитных очков. Для точности измерений необходима знать, как работает лазерная рулетка:

• Измерения лучше проводить с жёстко зафиксированным прибором. Желательно воспользоваться штативом. Это позволит избежать дрожания рук.
• Включить устройство.
• С помощью специальной кнопки func закрепить начало отсчёта.
• Определить, в каких единицах отразится информация.
• Убедится в правильности выбора.
• Избегать попадания луча в глаза.

Оптический дальномер представляет собой устройство, требующее внимательного и бережного отношения. Срок его эксплуатации можно продлить. Для этого выполняются такие правила:

• Использовать прибор только в целях, указанных в инструкции.
• Соблюдать условия хранения: чистое, сухое место при умеренной влажности и температуре.
• Избегать царапин, ударов, встрясок.
• Если с прибором не работают, он должен находиться в чехле.
• Не вскрывать и не ремонтировать аппарат самостоятельно.

Достоинства и недостатки прибора

Кроме отмеченных скорости и удобства измерений, есть ещё свойства, которые ценятся в лазерных рулетках. С ней можно производить замеры без посторонней помощи: настроить в нужном направлении и с измерительной планкой подойти к необходимой точке. Все дополнительные обмеривания производятся несколькими касаниями кнопок. Для вычислений не нужно дополнительно приобретать устройства.

Однако есть вещи, где такой прибор недостаточно эффективен. Это малые расстояния, которые проще измерить старыми способами. Ну и цена, которая в несколько раз превышает стоимость обычной рулетки.

Примеры моделей разных производителей

Для домашнего применения не стоит покупать излишне продвинутые измерительные лазерные рулетки. Как выбрать достойный инструмент, не потратив лишних средств, можно рассмотреть на примере наиболее популярных моделей:

1. Bosch DLE имеет несколько модификаций с похожими характеристиками. Расстояние до объекта — максимум 40 метров. Погрешность 1,5 миллиметра и диапазон температур от -10 до + 50 градусов. У них нет дополнительных функций и для домашнего применения будут неплохи. Отсутствие подсветки ограничивает возможности прибора светлыми помещениями.
2. Leica DISTO D2 работает на расстоянии до 100 метров и имеет дополнительные функции. Может передавать данные по Bluetooth, обладает небольшими размерами и питается от двух батареек. Точность измерения — 1,5 миллиметра. Всё это помещено в ударопрочный и пылезащищённый корпус. Недостатком является цена и работа исключительно с IOS.
3. MAKITA LD 060P довольно популярна среди покупателей. Имеет неплохой функционал и доступную цену. К достоинствам можно отнести большой экран и крупные символы на нём. Технические характеристики ничем особым не выделяются, но в последнее время попадаются бракованные изделия.
4. Agatec Agatape подходит даже для работы на небольшой строительной площадке. Дальность до 60 метров, из дополнительных функций отмечается наличие секундомера.

Для частых измерительных операций выбрать инструмент лучше, чем лазерная рулетка, трудно. При верном выборе использование прибора не разочарует и результат не подведёт.

Строительные лазерные дальномеры (рулетки): виды, функционал, характеристики

Если в распоряжении строителя есть точный и компактный прибор — дальномер цифровой, выполнение измерительных манипуляций занимает несколько секунд. При этом точность полученных данных будет 100%. Современные устройства подобного типа имеют дополнительные функции — позволяют в полевых условиях произвести необходимые замеры и расчеты, выполнить вычисления, переслать данные на планшет или телефон. В продаже имеется большой ассортимент приборов, которые различаются по своей функциональности и характеристикам.

Что такое дальномер и как он работает

Лазерные линейки – оптические устройства, позволяющие быстро измерить расстояние до объекта. Цифровой дальномер работает по принципу генерации светового импульса и анализа периода их отражения от противоположной поверхности. После того, как устройство получает данные, рассчитывается дистанция, которую преодолел луч лазера.
Если человек занимается строительством или монтажными работами, то лучше купить профессиональный лазерный дальномер со всеми необходимыми опциями по цене от производителя. С лазерными дальномерами работать намного проще, он не требует специальных навыков от оператора и может самостоятельно вывести вычисления на экран прибора.

Виды лазерных дальномеров

Существует две подкатегории дальномеров, различные по принципу работы:
Активные – объектив направляется на точку, и производится звуковой либо световой луч. Достигнув противоположной поверхности он отражается. Электронный дальномер улавливает волну и самостоятельно рассчитывает дистанцию на основе временного промежутка, который был потрачен на передвижение сигнала.
Пассивные – работают по геометрическим законам и не посылают никаких сигналов. Измерение расстояний основано на определении высоты h равнобедренного треугольника ABC, например, по определенной заранее стороне AB = l (базе) и противоположному острому углу b. При небольших углах b – формула h = l/ b (2.1). При этом первая величина является постоянной, а вторая переменной.
К активным приборам относится электронная рулетка дальномер – они делятся на два вида, которые различны по принципу осуществления замеров.

Импульсные

Прибор генерирует луч, который отражаясь, попадает на детектор. Расстояние до объекта рассчитывается по следующей формуле: время прохождение луча умножается на скорость света и делят на 2.
Дальнометрия, как и гидролокация работает по трем принципам:

• Первый принцип – формируются электромагнитные волны оптического диапазона, которые отражаются, если на пути встречается какое-либо препятствие. Объект обнаруживается благодаря контрасту падающего излучение от фона и объекта.
• Второй принцип – импульсный лазерный дальномер работает на основе оптической локации, которая использует направленное излучение. Расстояние до объекта определяется путем направления энергии в область его предполагаемого нахождения. Чем тоньше пучок энергии, тем точнее будет рассчитано направление.
• Третий принцип – использование электромагнитных колебаний, которые излучаются с неизменной скоростью. Удаленность объекта, определяется, посредством длинны распространения волн определенной траектории. Особенность данного метода заключается в том, что для расчета расстояния используются короткие импульсы – строительный лазерный дальномер обладает этими функциями, что делает его востребованным у профессионалов.

Фазовые

Данный тип измерительных лазерных приборов основан на сравнении фаз отправленного и возвращенного сигнала. Лазерный длиномер отличается не только доступной стоимостью, но и повышенной точностью замеров. Большинство ручных строительных измерительных устройств являются фазовыми.
Стоит отметить, что такие дальномеры могут выдавать ошибку на долю модуляции длины фазы, поэтому они более точные по сравнению с импульсными приборами. А за счет того, что у устройства нет сверхточного таймера его стоимость доступна широкому кругу потребителей. Однако дальность работы зависит от мощности, которая необходима для длительной подсветки.
Мощностью луча управляет ручной дальномер, при этом не изменяя длину волны. Моделирующий сигнал не превышает частоты 500 МГц. Если говорить простым языком, то из устройства отправляется сигнал в одной фазе, а возвращается в другой.

Характеристики устройств

При применении измерительного устройства в помещении, оно может снимать различные показатели: от стены к стене либо от потолка до пола, он имеет следующие характеристики:

1. Измерительный диапазон – 0.05-60 или 0.05-200 м. в зависимости от модельного ряда, последнее значение имеют новые современные устройства.
2. Погрешность зависит от класса модели. Например, точность простого бытового дальномера составляет ±2 мм, а профессионального ± 0.5 мм.
3. Вес, в зависимости от конкретной модели может быть от 0.1 до 0.3 кг.
4. Мощность и длина луча— обычно она достигает 635-650 нанометров, при мощности — 1 мВт. этот лазер относится ко 2 классу и используется практически во всех приборах бытового назначения. Стоит такая аппаратура недорого.  Лучи с меньшей мощностью, чем 1 мВт относятся к 1 классу и применяются в профессиональных лазерных рулетках и относятся к более высокому ценовому сегменту.

Помимо этого, портативный дальномер имеет дополнительные свойства:
Кроме простого замера длины, базируемого на импульсном излучении и приема отражения луча от противоположной плоскости, он может осуществлять измерения, построенные на геометрических вычислениях.
Может определять площадь здания с помощью аксиомы Пифагора, даже если помещение не поддается прямым замерам.
Некоторые модели способны измерить высоту объекта по двум параметрам, сделанным из 1 точки.
Большинство измерительных приборов могут рассчитывать объем объекта по результатам 3-х измерений: длины, ширины и высоты.
Есть возможность выполнить промеры из нескольких позиций: измерить ширину дверной конструкции от задней стенки устройства, определение от кромки опорного штифта, при определении параметров от угла до труднодоступных объектов.
Некоторые лазерные рулетки производят вычитание либо сложение результатов замеров. Они могут функционировать в режиме дискретных и непрерывных измерений. При этом устройство может перемещать луч приближать и удалять его пока не найдет нужного расстояния.

Дополнительные возможности

У каждого устройства есть определенные опции, самое большее их количество имеет профессиональный лазерный дальномер:
Измерение площади и объема – дальномер способен вычислить эти параметры по различным формулам. Часто для этого достаточно сделать замеры всего с двух точек, устройство самостоятельно делает расчет и выводит результат на дисплей.

• Функция маляра – применяется для точного расчета отделочного материала. Замеряют длину всех стен в комнате и высоту – прибор выдает точное значение, которое потом применяется для расчетов.
• Максимальное/минимальное расстояние – лазерный дальномер с визиром может точно определить данные параметры, при этом 1 значение целесообразно при измерении диагонали, а 2 – при высчитывании перпендикуляра относительно стены в помещении.
• Оптический визир – это дополнение, которое позволяет видеть точку луча, направленного на поверхность. Может быть выполнен в виде цифрового дисплея.
• Функции измерения трапеции – дальномер сам рассчитает длину одной стороны, если предварительно промерить три стороны, которые расположены под прямым углом по отношению друг к другу. Результат выводится на дисплей.
• Треккинг – программа, позволяющая выполнять расчеты во время движения устройства.
• Угломер – прибор, который способен определить угол наклона. Функция необходима, если приходится часто работать с различными наклонными поверхностями, например при обустройстве перил лестниц.

Есть еще несколько особенностей, о которых стоит упомянуть, они скорее конструкционные. Современные профессиональные устройства позволяют определить точку отсчета. Можно отрегулировать аппаратуру на работу от верхней/нижней части корпуса, складной стойки или от разъема штифта. Отлично подходит для измерения диагонали.
Также стоит отметить, такое устройство, как лазерный дальномер с блютузом – это аппарат, который можно использовать со специальными программами. Им управляют с планшета или телефона удаленно, и составлять полный план помещения. Кроме этого числовые значения можно добавлять на фотографии объекта и составлять чертежи.
Лазерные дальномеры помимо функционала, обладают большим перечнем дополнительных опций, которые используют в различных строительных сферах. Выбрать устройство по своим требованиям на рынке не составит труда. Покупая лазерный дальномер обратите внимание на функциональность аппарата, его дополнительные возможности, мощность аккумулятора и процессора. Покупая лазерную линейку для дома, можно остановиться на недорогих бытовых моделях с минимальным набором опций. Профессиональным строителям, которые часто применяют в своей работе измерительные приборы, лучше купить современный дальномер с максимальной функциональностью.

Сохраните эту страницу в своей соц. сети и вернитесь к ней в удобное время.