Дальномер лазерный: изготовление своими руками

Дальномер лазерный: изготовление своими руками

Этот прибор, который до сих пор считается уникальным, смог найти применение практически во всех сферах человеческой жизни. Сегодня лазерный дальномер можно увидеть в руках геологов и геодезистов.

Иными словами, в тех областях человеческой деятельности, где необходимо замерить расстояние с особой точностью. Поэтому высокую популярность завоевали лазерные рулетки, отличающиеся высокой точностью, повышенной надежностью и вполне доступной ценой.

Вполне естественно звучит вопрос, можно ли сделать дальномер лазерный своими руками.

Обратите внимание

Измерения лазерным дальномером делаются на основе световых потоков, носителем сигнала является электромагнитное излучение, окрашенное в соответствующий оттенок. В большинстве случаев за основу берется красный свет.

Согласно законам физики, скорость света намного превышает скорость звука, поэтому и время измерения одинакового расстояния будет отличаться.

Основные причины для монтажа лазерного дальномера

Пользоваться механической рулеткой не всегда удобно. Порой она не дает положительного эффекта. В последние 10 лет все большее предпочтение отдается электронным дальномерам. К этой группе приборов, которые измеряют расстояние при помощи электроники, относятся:

  • лазерный дальномер;
  • ультразвуковой дальномер.

Все эти приборы функционируют по принципу бесконтактного метода. Такой дальномер своими руками сегодня создают отечественные мастера. Приборы работают не хуже тех, которые были выпущены в заводских условиях.

Лазерный дальномер, сделанный своими руками, состоит из нескольких частей:

  • плата;
  • микроконтроллер;
  • усилитель лазерного сигнала;
  • лазер;
  • фотоприемник;
  • фильтр.

Довольно сложно получить такой сигнал, имеющий частоту 10 МГц. Простой контроллер здесь не подходит. Для этого лучше использовать меандр, у которого имеется нужная частота.

Когда усиливается сигнал, приходящий из фотоприемника, удаляются ненужные гармоники специальным полосовым фильтром, который функционирует на частоте 10 МГц.

На выходе появляется сигнал, сильно напоминающий синусоидальный.

Сборка: практические рекомендации

Чтобы изготовить дальномер своими руками можно за основу взять схему лазерной связи. В данном случае передача данных происходит очень быстро, скорость равна 10 Мбит. Такая величина соответствует имеющейся частоте модуляции.

Для такого лазерного устройства берется самый простой усилитель мощности. Он состоит из одной микросхемы 74HC04, которая собрана из шести инверторов. Подача тока ограничивается специальными резисторами. Однако умельцы могут заменить резисторы более надежными деталями.

Пусконаладочная плата становится источником 5-вольтового напряжения. Таким образом усилитель получает питание. Чтобы убрать наводки сигнала на другую часть электрической схемы, усилительный корпус делается стальным, каждый провод экранируется.

В качестве лазера выступает привод, установленный в DVD-приставках. Такое устройство имеет вполне достаточную мощность для функционирования на частоте, достигающей 10 МГц.

В состав приемника входит:

В состав усилителя входит полевой транзистор, специальная микросхема. Когда увеличивается расстояние, происходит падение освещенности фотодиода. Поэтому необходимо иметь мощное усиление. Собираемая схема позволяет достичь 4000 единиц.

Когда увеличивается частота, начинают уменьшаться сигналы фотодиода. Усилитель подобной конструкции является главной и сильно уязвимой частью. Его настройка требует очень высокой точности. Желательно отрегулировать коэффициент усиления таким образом, чтобы получать максимальные значения. Самым простым способом будет подача на транзистор 3 В. Можно установить обыкновенную батарейку.

Чтобы приемник начал работать, необходимо подать 12 В. Для этого устанавливается специальный блок питания.

У такого усилителя высокая чувствительность к любым наводкам, поэтому его нужно обязательно экранировать. Можно для этого воспользоваться корпусом оптического датчика. Экранирование фотодиода можно сделать из обычной фольги.

Важно

Описанная выше система позволит создать самодельный лазерный дальномер в бытовых условиях.

Источник: https://tools.adstores.ru/article/dalnomer-lazernyy-izgotovlenie-svoimi-rukami

Лазерный дальномер из web камеры

В продаже, есть большое количество, дешёвых, датчиков – дальномеров, в их числе ультразвуковые и инфракрасные. Все эти устройства работают хорошо, но из – за значительного веса, не подходят для летающих роботов. Миниатюрный робот вертолет, например, может нести около 100г полезной нагрузки.

Это даёт возможность использовать, для поиска препятствий и предотвращения столкновений с ними, машинное зрение, используя веб-камеры (или другие миниатюрные, беспроводные камеры с подключением к компьютеру через USB).

А еще лучше, установить две камеры, что обеспечит роботу, стерео зрение, таким образом, благодаря информации о глубине изображения, улучшится обход препятствий. Недостатком этой идеи, является, добавление веса второй камеры.

В этой статье описывается, как маленькая лазерная указка, вместе с одной web камерой, может обеспечить моно машинное зрение, с большим диапазоном информации.

Этот проект основан на статье найденной здесь.

Принцип работы

Смотрите рисунок ниже. Лазерная точка проектируется на возможное препятствие, лежащие в поле зрения камеры, расстояние до этого препятствия может быть легко вычислено. Математика здесь очень простая, обработку данных лучше всего производить в компьютерных приложениях.

Итак, вот как это работает. Лазерный луч проецируется на объект в поле зрения камеры. Этот луч должен быть идеально параллелен оптической оси камеры. Лазерная точка захватывается   вместе с остальной сценой. Простой алгоритм ищет на изображении яркие пиксели.

Предполагая, что точка лазера является яркой на фоне более тёмной обстановки (я использовал обычную лазерную указку купленную в магазине за доллар), изначально положение точки в кадре не известно.

Затем нам нужно рассчитать дальность до объекта, основываясь на том, где вдоль оси Y находится лазерная точка, чем ближе она к центру изображения, тем дальше находится объект.

Как мы видим из рисунка выше, расстояние (D) может быть рассчитано по формуле:

Конечно, для решения этого уравнения, вы должны знать, h- фиксированное расстояние между лазерной указкой и камерой. Знаменатель высчитывается так:

Соединив два предыдущих уравнения, мы получим:

Итак, количество пикселей от центра плоскости изображения до лазерной точки может быть просто рассчитано с картинки. А как насчет других параметров в этом уравнении? Для их получения мы должны выполнить калибровку.

Совет

Для калибровки системы, мы будем собирать серию измерений, где нам известно, дальность до цели, а также количество пикселей центра изображения до точки лазера. Эти данные записываем в таблицу ниже:

Данные калибровки
пикселов от центра фактический D (см)
103 29
81 45
65 58
55 71
49 90
45 109
41 127
39 159
37 189
35 218

Используя следующее уравнение, мы можем вычислить угол наклона в зависимости от значения h, а также фактическое расстояние до каждой точки.

Теперь у нас есть расчётные значения, мы можем придумать отношения, что позволяет нам рассчитывать, дальность, зная количеством пикселей от центра изображения. Я использовал линейную зависимость.

Зная калибровочные данные, я подсчитал:

Используя калибровочные данные и данные предварительного расчёта, я подсчитал процент ошибки:

Фактические и расчётные данные
пикселов от центра действительный D (см) расчётный D (см) Ошибка(%)
103 29,84 29 2,88
81 41,46 45 -7,87
65 57,55 58 -0,78
55 75,81 71 6,77
49 93,57 90 3,96
45 110,85 109 1,70
41 135,94 127 7,04
39 153,27 159 -3,60
37 175,66 189 -7,06
35 205,70 218 -5,64

Компоненты

Для сборки дальномера требуется не так много деталей. Для соединения лазерной указки и камеры я вырезал раму – основание из картона.

Собранный дальномер выглядит следующим образом:

Программное обеспечение

Я написал программу обработчик на двух языках: Visual C + + и Visual Basic. Вы, вероятно, подумаете, что программа на Visual Basic проще, чем на VC + + в плане кода, но во всём есть компромисс.

Код на VC + + можно собрать бесплатно (при условии, что у вас есть Visual Studio), в то время как код VB требует приобретение программных пакетов сторонних производителей (в дополнение к Visual Studio).

Visual basic

Написанная мною программа на  Visual Basic доступна в нижней части страницы под именем vb_laser_ranger.zip    

Чтобы этот код работал, необходимо установить на вашем компьютере VideoOCX -компонент ActiveX

Скриншоты из этой программы можно увидеть ниже:

Visual C++

Полный код этого проекта доступен в виде пакета с именем LaserRange.zip в нижней части страницы.  

Обратите внимание, чтобы запустить исполняемый файл, вам необходимо иметь на компьютере qcsdk и qc543 драйвера.

Обратите внимание

Ниже приведены два примера лазерного дальномера. Обратите внимание, что во втором примере мы видим две лазерные точки. Это “рассеянный свет” вызванный внутренними отражениями в камере. Отражённая в камере точка теряет интенсивность, и не вмешивается в алгоритм определения ярких пикселей на изображении.

Дальнейшая работа

Одним из конкретных улучшения, которые могут быть внесены в этот дальномер, является проекция горизонтальной лазерной линии, вместо точки. Таким образом, мы сможем вычислять расстояние до цели, для каждого ряда пикселов на изображении.

В будущем

Я получал большое количество писем от людей, которые пытались дублировать этот дальномер. Пожалуйста, имейте в виду, что этот проект впервые был сделан до 2004 года (старыми методами). Если вы будите повторять эту работу, то лучше использовать для захвата и обработки изображения с камеры, библиотеку компьютерного зрения OpenCV.

Оригинал статьи

Прикрепленные файлы:

  • LaserRange.zip (2006 Кб)
  • tripodDlg.cpp (15 Кб)
  • Коды программ.rar (31 Кб)

Источник: http://cxem.net/comp/comp127.php

Электронный / лазерный дальномер

Благодаря развитию технологий, требования к качеству выполнения строительных работ постоянно повышаются. Это заставляет совершенствоваться и находить все новые и новые способы ускорения и упрощения работы.

Так, для достижения одного из таких требований – особой точности измерений – и были созданы специализированные приборы.

Одним из таких современных устройств является электронный дальномер – геодезический прибор, чьим основным предназначением является измерение больших линейных расстояний для строительства. При этом даже при измерении больших расстояний потери в точности отсутствуют.

Лазерный дальномер, применение

Лазерный дальномер незаменим в случае необходимости измерения расстояния в малодоступных или же вовсе не доступных для обычных линеек, метров или рулеток местах. Также он пригодится и при измерении больших расстояний, что значительно облегчает выполняемые работы и повышает тем самым производительность труда.

Одним из самых популярных видов дальномеров в настоящее время является лазерный, так называемая лазерная рулетка. Она представляет собой прибор, состоящий из детектора излучения и импульсивного лазера.

При измерении времени, которое луч затратит на путь до отражателя и назад (в случае обладания данными о скорости света), этим устройством вы сможете рассчитать дистанцию между отражающим объектом и непосредственно лазером.

Помимо основной своей функции, дальномер способен облегчить обработку полученных при измерении результатов, что удобно для работы и экономит немало времени. Широкое применение он получил в инженерной геодезии, ведь данный прибор просто незаменим при строительстве гидротехнических сооружений, линий электропередач и путей сообщения.

В военном деле или же астрономических исследованиях он поможет определить расстояние до цели. Купить лазерный дальномер рекомендуется тем, для кого важна быстрая и, главное, точная фокусировка. Пригодится это устройство и в охотничье-стрелковых целях, туризме, сельском хозяйстве, навигации и, безусловно, купить дальномер необходимо каждому работнику строительной отрасли.

Важно

Грустно, когда на ремонт квартиры приходится использовать такой долгожданный отпуск. Однако если поторопиться, то, качество работ, скорее всего, будет не на высоте. К счастью, все не так плохо.

Главное, чтобы под рукой оказался нужный инструмент, и тогда вам не будут страшны никакие погрешности или ошибки. Поэтому первое, что поможет ускорить работы, – это избавление от безнадежно устаревших линеек и рулеток.

Гораздо более эффективным будет купить лазерную рулетку. К тому же цена на нее вполне доступна.

Измерение расстояния

Как и привычные всем линейки, электронная рулетка способна с высокой точностью измерять расстояние прямым способом. В таком режиме данное устройство генерирует лазерный луч, который улавливает специальная линза с чувствительным элементом.

При этом оно автоматически рассчитает время, которое понадобилось лучу для движения по заданному ему маршруту, и с высокой точностью определит дистанцию. А максимальное расстояние, которое способен измерить этот прибор, как правило, определяется его оптикой и мощностью лазерного светодиода.

Среди лазерных дальномеров-рулеток, представленных сегодня на рынке, имеются модели с дальностью «видения» от 20 и вплоть до 250 м. Стоит отметить, что функция эта является базовой и присутствует в любой из моделей независимо от стоимости.

Однако более дорогие из них оснащены и иными функциями, с помощью которых вы сможете определить площадь или объем поверхности (помещения), а также расстояние в малодоступных местах.

Измерение площади

Практически все дальномеры оснащены функцией автоматического расчета площади стен, пола, потолка либо иной поверхности. Принцип же работы данной функции достаточно прост. Следует лишь нажать специальную кнопку, отвечающую за обмер площади, после чего измерить стороны.

Совет

При этом результаты ваших измерений незамедлительно будут выведены на экран, а под ними можно будет увидеть значение площади, рассчитанное путем умножения сторон.

Данная возможность будет полезна в случае необходимости расчета количества строительных материалов с высокой точностью (к примеру, обоев или штукатурки для ремонта).

Измерение объема

Для активации этого режима вам также нужно нажать специальную клавишу, и прибор самостоятельно измерит для вас объем, например, шкафа. Данная функция может быть интересна не только строителям, но и установщикам кондиционеров, ведь их мощность определяется по объему расходуемого воздуха.

Помимо названных, некоторые дальномеры оснащены и уникальными функциями измерения сторон с помощью теоремы Пифагора или по функции трапеции. С точностью узнать величину любых углов поможет дальномер угломер, а определить магнитный азимут цели – дальномер азимут.

Работайте быстро и измеряйте точно с помощью дальномеров от «EFT-DISTO»!

Источник: http://www.eft-disto.ru/index.php?articles_id=31&route=information/articles

Как и какую выбрать, как пользоваться лазерной рулеткой – дальномером

Рулетками эти приборы названы по аналогии с измерительными лентами. На профессиональном языке их называют безотражательными лазерными дальномерами, которые представляют собой довольно сложные технические устройства.

Основные узлы прибора — небольшой по габаритам лазер, вычислительное устройство, жидкокристаллический дисплей и клавиатура для управления режимами работы.

В качестве элементов питания используются две или четыре батарейки типа АА, что обеспечивает выполнение 3-10 тыс. измерений.

Не просто дальномер

Набор дополнительных элементов, которыми оснащена рулетка, определяется целями и задачами прибора. Инструменты для профессионального использования оборудованы встроенной памятью для хранения результатов измерений. Объем памяти разный — от 15 до 1 тыс. значений.

Ряд моделей имеют интерфейс для подсоединения к компьютеру. С помощью кабелей можно переносить все данные из памяти дальномеров и затем обрабатывать их на ПК.

Читайте также:  Как производится заточка концевых фрез?

Известные производители рулеток разработали специальное программное обеспечение, используя которое, можно создать на компьютере трехмерную модель измеренного помещения.

Некоторые дальномеры оснащены уровнем горизонтирования и оптическим визиром для наведения лазерного луча в нужную точку на удаленном объекте. Корпус лазерных рулеток термостойкий, влаго- и пылеизолированный.

Жидкокристаллический дисплей большинства моделей оборудован подсветкой для работы в темноте. Некоторые дальномеры имеют функции предупреждения о разрядке батареи и автоматического выключения прибора через 5 мин. после прекращения эксплуатации.

Рулетки предназначены для измерения расстояний в довольно широком диапазоне: ближняя граница составляет 0,2-0,3 м, а дальняя — 100-200 м. Точность измерения при такой дальности очень высокая: у моделей попроще — ±3 мм, а у профессиональных — ±1,5 мм. Для одного замера надо от 0,5 до 4 сек. Габариты и вес приборов достаточно малы, что позволяет управляться с ними одной рукой.

Ведущие производители лазерных рулеток предлагают потребителям множество дополнительных аксессуаров и принадлежностей, таких как чехол, ремешок для крепления на руку, короткие алюминиевые штативы, отражатели лазерного сигнала для увеличения дальность действия, телескопические прицелы-насадки, интерфейсные кабели, оптические визиры и т. д.

Используем лазерный дальномер на практике

У всего есть свои достоинства и недостатки. Начнем с достоинств. Во-первых, эти рулетки обеспечивают более высокую точность и надежность, чем традиционные измерительные технологии.

Во-вторых, процесс измерения значительно ускоряется и упрощается: контакт с объектом не нужен, достаточно навести на него луч лазера и нажать на кнопку измерений.

Такой способ работы позволяет производить замеры в труднодоступных или опасных местах.

Обратите внимание

Что касается недостатков, основной из них заключается в том, что технические возможности лазерных рулеток в яркий солнечный день снижаются. Вместо декларированных изготовителем 100-200 м, как показывает практика, можно измерить максимум 30-50 м.

Это связано с тем, что спектры солнечного излучения и лазерного сигнала пересекаются и отраженный сигнал ослабевает. Кроме того, дальность работы определяется поглощающей способностью поверхности предмета, расстояние до которого измеряется.

Чтобы получить паспортную дальность, надо использовать специальные светоотражатели, которые продаются не в комплекте с лазерной рулеткой, а отдельно.

Двукратный оптический визир малой мощности, как правило, не обеспечивает максимальной дальности работы. Выносной визир с четырех- или семикратным увеличением, позволяющим работать на полной дальности, стоит чуть меньше рулетки.

Простота лазерных рулеток в использовании, о которой твердят изготовители, несколько преувеличена.

Дополнительные функции лазерной рулетки – дальномера

Дальномер может не только вычислять площадь и объем, но и выполнять дополнительные функции:

  • определять высоту и ширину здания по двум наклонным и одному перпендикулярному расстоянию, а также высоту и ширину различных элементов на фасадах зданий;
  • находить высоту и длину по двум измерениям, устанавливать кратчайшее расстояние при слежении (перпендикуляр к поверхности);
  • определять максимальное расстояние (диагональ помещения), среднее значение из восьми измерений с максимальной точностью, на какую способен прибор;
  • вычислять площадь треугольника по стороне и высоте, по трем измеренным сторонам;
  • рассчитывать тупой угол треугольника по трем сторонам;
  • вычислять площадь круга;
  • рассчитывать площадь стены с наклонным потолком (крышей дома);
  • определять угол наклона потолка (ската крыши), длину ската крыши.

Популярные марки и производители лазерных дальномеров – рулеток

  • Laserliner
  • Leica
  • Bosh
  • Hilti
  • Staley
  • Disto
  • Skill

Еще немного о лазерных приборах:

Снаружи дома следует использовать профессиональные лазерные нивелиры. Их радиус действия достигает 300 м, что позволяет контролировать разработку фундамента и наружных инженерных сетей. Приборы оборудованы системой дистанционного управления. Чтобы не тратить крупную сумму на дорогую измерительную технику, можно взять нивелир в аренду в специализированной фирме.

Чтобы измерительные устройства служили долго, нужно выполнять простые правила:

  • Использовать лазерные уровни, нивелиры и рулетки по назначению и обязательно в так как это рекомендовано производителем иинструмента.
  • Не допускать переувлажнения, переохлаждения и перегрева приборов (использовать только в оговоренном производителем диапазоне температуры и влажности).
  • Хранить приборы и инструменты в чехлах.
  • Беречь от царапин, падений, ударов и других негативных воздействий.
  • Использовать только фирменные комплектующие и аксессуары.

Лазерные нивелиры не нуждаются в предварительной выверке с помощью пузырьковых ватерпасов. Такие приборы оснащены функцией самонивелирования. Готовить к работе их нужно в строгом соответствии с инструкцией производителя. Приборы закрепляются на стене или другой конструкции, а также устанавливаются на штатив.

Перед началом штукатурных работ с помощью стандартного строительного уровня проверяют вертикальность блочной перегородки…

КАК ВЫБРАТЬ ДАЛЬНОМЕР – ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР

Как выбрать дальномер? ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР Выпуск 6

Лазерный дальномер – советы профессионалов

Любая работа, будь то строительство большого дома или изготовление ящика для инструмента, начинается с замеров и разметки. Мелочей здесь не бывает. От точности и аккуратности при выполнении этих работ зависят качество и долговечность окончательного результата. Поэтому измерительный инструмент всегда является одной из важнейших составляющих арсенала каждого мастера.

С давних пор для измерения базовых расстояний применяли линейку или шнур, разделённый на соответствующие отрезки.

Важно

Современная рулетка — это подобное шнуру приспособление, в котором используется металлическая или пластиковая лента с нанесённой шкалой.

Довольно удобный и достаточно точный измерительный инструмент, если измеряемые величины не очень большие. Кроме того, в большинстве случаев для проведения замеров не обойтись без помощника.

1. ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

Совсем другое дело, когда в распоряжении мастера имеется лазерный дальномер — точный прибор, который часто называют лазерной рулеткой. Измерения производятся за считаные секунды и с весьма высокой точностью.

Кроме того, многие измерительные приборы оснащены функциями, позволяющими выполнять дополнительные расчёты прямо на объекте. Современный строительный лазерный дальномер представляет собой довольно компактный прибор, который легко помещается в кармане одежды.

Он несложен в использовании в условиях домашнего ремонта или при строительстве.

Корпус прибора изготавливается из ударопрочного пластика и имеет удобные формы для удержания его в ладони. Кроме того, в дальномере предусмотрена серьёзная противо-пылевая защита, а также специальные амортизирующие накладки, предохраняющие прибор от поломок при случайном падении.

Внутри корпуса располагается генератор светового импульса, система передачи и приёма сигнала, микропроцессор, запрограммированный на измерение расстояний и выполнение различный расчётных функций. Изучать внутреннее устройство прибора вряд ли целесообразно. поэтому перейдём к изучению внешних элементов управления.

На торце прибора расположено основное рабочее окошко излучателя импульса и фотоприёмник. В некоторых моделях там же располагается миникамера оптического визира. На лицевой стороне находится дисплей, на котором отображаются текущие настройки прибора и результаты измерений.

Рядом с дисплеем располагаются кнопки управления. Самой большой, естественно, является кнопка пуска, то есть выполнения непосредственно замера. Кроме неё прибор может быть оснащён рядом полезных функций,знать о которых можно, внимательно прочитав инструкцию по эксплуатации.

Для наиболее точной наводки прибора на цель могут быть предусмотрены дополнительные возможности. Некоторые модели имеют оптический визир, подобный тому, что мы привыкли видеть на фотоаппаратах и видеокамерах. Визир может быть как съёмным, так и встроенным. Может отличаться и степень приближения объекта измерения. Например.

Совет

в приборах профессионального класса, рассчитанных на дальние измерения. степень приближения доходит до 12 крат, а в более простых моделях визиры с 6-8-кратным приближением.

Некоторые модели способны выводить изображение с определяемым расстоянием на дисплей, при этом имеется прицельное перекрестье позволяющее направить луч прибора прибора, как правило, расположен отсек точно в нужное место.

На тыльной стороне многих приборов может быть расположена откидная скобка или штырь, что позволяет производить замеры из труднодоступных точек. К примеру, чтобы измерить диагональ комнаты, можно упереть прибор в угол между двумя стенами. На многих моделях присутствует резьбовая втулка, что даёт возможность зафиксировать прибор на штативе.

Довольно часто на корпусе прибора можно найти пузырьковый уровень, позволяющий расположить дальномер строго горизонтально или вертикально. Некоторые устройства имеют слот для карты памяти и порт для подключения прибора к компьютеру.

В нижней части для батарей или встроенный аккумулятор, а так же разъём для подключения зарядного устройства.

В комплект могут входить чехол, ремни, специальные мишени, позволяющие проводить замер длины там, где она по каким-либо причинам ещё не задана.

В магазинах лазерные дальномеры представлены очень широко. Выбор велик, производителей множество. Чтобы не столкнуться с ограниченностью возможностей прибора, но при этом не переплатить лишнего, в первую очередь нужно разобраться с областью применения лазерного дальномера.

Обратите внимание

Разумеется, при выполнении масштабных строительных работ, при разметке участков и привязке различных объектов, имеет смысл обратить внимание на профессиональные приборы, имеющие максимальную дальность измерений.

Если же предстоит работа по внутреннему ремонту квартиры, то максимальная дальность вовсе не требуется.

А вот точность измерений имеет значение всегда. Особенно если речь идёт о точной подгонке мебели или сантехнической разводке, где ошибка в миллиметр может стоить очень дорого. Чем ниже погрешность измерения, тем лучше.

Высокоточными дальномерами можно назвать приборы, отклонение показателей которых не превышает 1,5 мм. Большинство доступных лазерных дальномеров имеют погрешность до 3 мм.

А вот если этот показатель больше, то стоит задуматься о целесообразности приобретения такого прибора.

Лазерный дальномер. Сравнение. Тесты. Как пользоваться.

Большинство доступных дальномеров оснащается лазерами второго класса с красным свечением.

Цвет, разумеется, не влияет на точность измерений, но вот при ярком освещении точка становится малозаметной. Кроме того, попадание луча в глаз на близком расстоянии может привести к ожогу роговицы.

Зелёный луч более заметен на ярком солнце и не несёт никакой опасности для зрения. Надо сказать, что дальномеры с таким лазером стоят дороже и встречаются реже.

    5. УДОБСТВО И ЗАЩИТА

Обязательно оцените прочность корпуса прибора. Класс защищённости должен быть не ниже ip44, и чем выше это значение, тем лучше. Наличие эластичных противоударных накладок поможет уберечь прибор от поломки. если он вдруг будет выронен из рук.

Прибор в ударопрочном корпусе, как правило, не теряет своей работоспособности при падении на жёсткое покрытие с высоты до двух метров. Конечно же, это не говорит о том. что устройство можно ронять.

Именно поэтому многие из них оснащаются ремешками, зажимами и разного рода чехлами.

Важно

Немаловажным параметром прибора является диапазон его рабочих температур. Иными словами, лазерный дальномер должен одинаково хорошо работать как в июльскую жару, так и в январский мороз. Такой параметр обязательно должен быть указан в паспорте изделия и в руководстве по эксплуатации.

Было бы неплохо, если бы прибором можно было управлять в мороз, не снимая перчаток. То есть кнопки управления должны быть достаточно большими. Ещё одна тонкость: резина может затвердеть на морозе, поэтому лучше обратить внимание на прибор с силиконовыми кнопками.

Важным моментом является наличие оптики, избавленной от запотевания.

Дальномер должен быть удобным. Не постесняйтесь взять его и оценить, как он располагается в руке, насколько удобно нажимать кнопку пуска в различных положениях.

Небольшой вес и компактность могут, как ни странно, сыграть плохую шутку во время замеров — такой прибор очень чутко реагирует на малейшее подрагивание рук. Но и чрезмерно большой прибор также будет очень неудобен.

Если предполагается большое количество измерений из одной базовой точки, нелишней будет возможность установки дальномера на стационарный штатив.

Обратите внимание на источники питания, их размер и количество. Если в приборе установлен встроенный аккумулятор, в комплекте должно быть соответствующее зарядное устройство.

Для максимального сохранения источников питании во многих моделях предусмотрено автоматическое отключение прибора при простое.

Длительность такой паузы может быть разной, на некоторых дальномерах этот параметр можно установить самостоятельно, используя предварительные настройки. Очень удобно, если на дисплее имеется индикатор заряда батареи.

6. ИЗМЕРЯЕМ И ВЫЧИСЛЯЕМ

В простейших дальномерах измерение осуществляется лишь от одной точки. Как правило, это тыльная или фронтальная торцевая поверхность прибора. При измерении он прикладывается этой поверхностью к точке? от которой следует произвести замер, а потом нажимается кнопка пуска.

В профессиональных лазерных дальномерах предусмотрена возможность замера от нескольких точек по выбору. К примеру, от тыльной или фронтальной поверхности корпуса, места крепления прибора к штативу, от откидной скобы или штыря.

В некоторых моделях при открывании дополнительного упора такое переключение выполняется автоматически.

Совет

Современные лазерные дальномеры позволяют не только осуществлять замеры. но и производить ряд необходимых расчётов исходя из полученных значений. Такой прибор может быстро и точно посчитать объём помещения или его площадь.

Встроенная функция «Пифагор» позволяет определить длину стороны треугольника, измерить которую обычным способом затруднительно или вовсе не представляется возможным.

К примеру, можно определить высоту конструкции, измерив из одной точки расстояние до его основании и до верхней точки. Удобной является функция разделения расстояния на отрезки равной длины — это позволяет точно расположить. например, столбы ограждения.

 7. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПЦИИ

Чтобы точность измерений не зависела от качества поверхности, до которой определяется расстояние, лучше иметь штатную мишень. Обычно она двусторонняя, с контрастной окраской обеих сторон. Кроме того, в комплект могут входить специальные очки со светофильтрами. Если в комплекте они отсутствуют, их можно приобрести отдельно.

8. ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Ну и наконец, важным моментом при выборе лазерного дальномера является марка изделия. К непререкаемым авторитетам можно отнести приборы таких производителей, как Leica. Bosch, DeWalt, Makita, AEG.

Нелишним будет напомнить, что при выборе изделия необходимо уточнить условия гарантии и наличие фирменных сервисных центров, поэтому инструменты такого класса всё-таки лучше приобретать в надёжных специализированных магазинах. Там можно получить грамотную консультацию, оформить гарантийный талон, сделать отметку о дате приобретения и месте покупки.

Техника безопасности

Казалось бы, лазерный дальномер — очень простой прибор, работа с которым не может нанести вред человеку.

Это так, если соблюдать определённые правила работы с ним. Не направляйте луч прибора на лица людей, на животных, особенно в глаза, и никогда не заглядывайте в излучатель! Лазер способен повредить сетчатку глаза. Старайтесь беречь прибор от воздействия воды и прямых солнечных лучей и по возможности не работайте в дождь и при ярком солнце.

Читайте также:  Популярные схемы и инструкции по сборке сварочных аппаратов

Источник: http://kak-svoimi-rukami.com/2010/08/kak-kakuyu-vybrat-i-kak-polzovatsya-lazernoj-ruletkoj-dalnomerom/

Самодельный фазовый лазерный дальномер

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:

Обратите внимание

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.

Важно

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 гетеродинным мотодом, 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.

Совет

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.

Обратите внимание

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.

Важно

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.

Совет

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

Источник: https://www.pvsm.ru/stm32/55994

Самодельный сканирующий лазерный дальномер

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.

Читайте также:  Классификация дисковых пил: как выбрать циркулярную пилу

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.

Обратите внимание

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.

Важно

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):

Совет

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.

Обратите внимание

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.

Важно

Также триангуляционные дальномеры требуют проведения калибровки, о чем я писал ранее:

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:

РасстояниеРазброс
1 м

Источник: https://habr.com/post/393685/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector