光電子課程設(shè)計(jì)_基于三角測(cè)量法的激光測(cè)距

1、光電子課程設(shè)計(jì)：基于三角測(cè)量法的激光測(cè)距摘要：本文先對(duì)激光測(cè)距的種類及原理進(jìn)行介紹，其次分析不同種類的優(yōu)缺點(diǎn)。確定制作測(cè)距儀器的制作方向。分析測(cè)量當(dāng)中不同元器件存在的問題，尋找有效的解決方案，重點(diǎn)研究攝像頭成像時(shí)存在誤差的形成原因。根據(jù)研究得到的數(shù)據(jù)，對(duì)PC客戶端的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。利用程序盡可能減少由于硬件產(chǎn)生的誤差。重點(diǎn)是設(shè)計(jì)出能確定光點(diǎn)的定位算法，通過對(duì)攝像頭的定標(biāo)、激光定位，達(dá)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量誤差在10%以內(nèi)。最后，提出對(duì)作品進(jìn)行優(yōu)化和系統(tǒng)功能提升計(jì)劃關(guān)鍵詞：短距離、低成本、三角測(cè)量法ABSTRACT: In this paper, the principle of laser r

2、anging species and introduced first, followed by analysis of the advantages and disadvantages of different types. Production rangefinder to determine the direction of the production. Analytical measurements among different components of the problems, to find effective solutions to the causes errors

3、in the presence of the camera focused on imaging. According to data obtained from studies on the client PC programming adjustments. The use of procedures to minimize errors due to hardware-generated. Focuses the light spot can be determined to design the location algorithm, through the camera calibr

4、ation, laser positioning, to the experimental data and the actual measurement error is within 10%. Finally, the work in optimizing system functionality and Enhancement ProgrammeKEY WORDS: Short distance、Low cost 、Triangle measurement目錄1、前言1.1激光測(cè)距1.2激光測(cè)距儀1.3三角測(cè)量法激光測(cè)距簡(jiǎn)介1.4設(shè)計(jì)目標(biāo)2、測(cè)距方案2.1幾種常用的測(cè)距方法2.1.1手持

5、激光測(cè)距儀2.1.2望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀2.2測(cè)距方案選定2.3三角測(cè)量法3、硬件模塊設(shè)計(jì)3.1激光發(fā)射模塊設(shè)計(jì)3.2信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)3.2.1攝像頭定標(biāo)3.3激光出射角4、PC程序設(shè)計(jì)4.1攝像頭調(diào)用4.2光點(diǎn)定位5、結(jié)論前言1.1激光測(cè)距激光測(cè)距（laser distance measuring）是以激光器作為光源進(jìn)行測(cè)距激光測(cè)距技術(shù)是一種集合了光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等的高新技術(shù)。而根據(jù)激光工作的方式分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。激光測(cè)距主要應(yīng)用在遠(yuǎn)距離或者非接觸情況下，如建筑橋梁、隧道挖掘等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.2激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀在

6、工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。激光測(cè)距儀主要分為手持激光測(cè)距儀、望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀和相位式激光測(cè)距儀。早期，激光測(cè)距儀廣泛用于地形測(cè)量，戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)量，坦克，飛機(jī)，艦艇和火炮對(duì)目標(biāo)的測(cè)距，測(cè)量云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈以及人造衛(wèi)星的高度等。它是提高高坦克、飛機(jī)、艦艇和火炮精度的重要技術(shù)裝備。后來由于激光測(cè)距儀價(jià)格不斷下調(diào)，工業(yè)上也逐漸開始使用激光測(cè)距儀，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控、礦山、港口等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外已有不少公司有對(duì)激光測(cè)距儀進(jìn)行研發(fā)，并且都能達(dá)到較高的精度，但價(jià)格較高，且短距離測(cè)量不準(zhǔn)確。并且長(zhǎng)距離的激光測(cè)距儀

7、都會(huì)存在盲區(qū)，則當(dāng)測(cè)量距離少于15米時(shí)，測(cè)量不準(zhǔn)確。1.3三角測(cè)量法激光測(cè)距簡(jiǎn)介激光測(cè)距并不只依賴單一的技術(shù)。面對(duì)不同的測(cè)量環(huán)境，可以有不同的測(cè)量方案。例如，測(cè)量遠(yuǎn)距離的地形測(cè)量、礦石挖掘測(cè)量等，可以應(yīng)用脈沖激光測(cè)量。而本項(xiàng)目則提出一個(gè)新的測(cè)量理念運(yùn)用到短距離的測(cè)量情況。三角測(cè)量法激光測(cè)距是將激光打到待測(cè)物體上時(shí)，利用攝像頭接收畫面，通過對(duì)感光位置的計(jì)量，測(cè)出空間距離。1.4設(shè)計(jì)目標(biāo)本作品的測(cè)量精準(zhǔn)度與攝像頭像素成正比。而本設(shè)計(jì)的主要目的是運(yùn)用低成本元器件制作出短距離激光測(cè)距儀。由于選有低成本元件，因此硬件的誤差會(huì)存在明顯。我們可以通過程序優(yōu)化、攝像頭標(biāo)定、利用數(shù)據(jù)改良等方式盡量減少誤差。測(cè)距

8、方案實(shí)現(xiàn)測(cè)距的方式有多種，面對(duì)不同的測(cè)距情況可以選擇不同的測(cè)距方案。而且實(shí)現(xiàn)各種方案的成本和復(fù)雜度有較大的區(qū)別。這些因素將對(duì)最終掃描方案的選取產(chǎn)生決定性影響。2.1幾種常用的測(cè)距方法下面將會(huì)對(duì)不同的測(cè)距方法進(jìn)行分析，主要關(guān)注不同的測(cè)距方法生產(chǎn)是的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本。2.1.1手持激光測(cè)距儀手持式激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激 激光測(cè)距儀光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。由于手持式激光測(cè)距儀是主要對(duì)激光出射和接收之間的時(shí)間差，所以，對(duì)元器件的精度要求較高，成本自然也會(huì)上

9、升。2.1.2望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀這類測(cè)距儀精度相對(duì)較低，一般在1米左右，有的光學(xué)放大倍率可以達(dá)到69倍，測(cè)量距離比較遠(yuǎn)，一般在600-3000米左右。主要應(yīng)用范圍為野外建筑，環(huán)境勘察，建立機(jī)戰(zhàn)，等需要野外長(zhǎng)距離測(cè)量的情況。望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距，主要針對(duì)遠(yuǎn)距離勘測(cè)。短距離勘測(cè)則誤差較大。2.2測(cè)距方案選定分析了上述測(cè)距方案，都不符合本次測(cè)距的要求。實(shí)際上，除了現(xiàn)在普遍的利用脈沖激光測(cè)距和相位激光測(cè)距，還有一種基于幾何角度進(jìn)行的三角測(cè)量法。本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是實(shí)現(xiàn)短距離、低成本測(cè)距。因此，我們選定了三角測(cè)量法激光測(cè)距。2.3三角測(cè)量法三角測(cè)量法，實(shí)際就是利用相似三角形的類比，通過兩個(gè)確定的已知量和一個(gè)

10、可以變化需要計(jì)算的可變量，求出待測(cè)量。根據(jù)上圖，我可以得到公式：z：待測(cè)距離b：攝像頭與激光之間的距離f：攝像頭焦距x：CCD板上的距離硬件模塊設(shè)計(jì)3.1激光發(fā)射模塊設(shè)計(jì)在理想狀態(tài)下，希望攝像頭采集的圖像中，只包含激光頭射出的點(diǎn)光源，其他部分為黑色，沒任何雜光。這樣的圖片利于程序快速、準(zhǔn)確地找到激光位置。現(xiàn)在，有多種方案可以減少畫面中環(huán)境光的影響。如增大激光器的功率，在攝像頭前加裝濾光片。實(shí)際中，周圍環(huán)境的光為主要干擾，特別可見光為主。因此，我們可以采用發(fā)射紅外波段的激光作為光源。但，由于大功率紅外光激光器的成本較高，我們采用了650nm的紅光激光器作為光源。3.2信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)照射在物體上

11、的光信號(hào)需要用攝像頭來采集，一般測(cè)量用的攝像頭會(huì)比較貴。本次實(shí)驗(yàn)選用普通的電腦USB攝像頭，感光元件尺寸為640*480像素，再將650nm的紅光高透濾光片套在攝像頭前，接收模塊基本完成。3.2.1攝像頭定標(biāo)由于每個(gè)攝像頭生產(chǎn)時(shí)，都不能保證感光元件（CCD板）水平、豎直地對(duì)準(zhǔn)攝像頭的透鏡，并且，還有CCD板的正中心也不一定與透鏡正中心對(duì)準(zhǔn)。因此，攝像頭的定標(biāo)顯得尤為重要，并且能很大一步減少誤差。如圖是定標(biāo)后的結(jié)果定標(biāo)后的攝像頭，能盡最大可能保持接收時(shí)，攝像頭時(shí)水平、豎直接收畫面。通過查閱資料，得到的單個(gè)像素點(diǎn)的尺寸為6um。3.3激光出射角本實(shí)驗(yàn)，需要激光出射是保證出射角為90°，所

12、以也要對(duì)出射角進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)激光出射角也定好后，整個(gè)作品基本完成，剩下的是對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程如下：PC程序設(shè)計(jì)4.1攝像頭調(diào)用在主程序開始時(shí)，利用OpenCV調(diào)用攝像頭出來。模塊代碼如下：HWND MyWin;/ 設(shè)置系統(tǒng)屬性cvcamSetProperty(0, CVCAM_PROP_ENABLE, CVCAMTRUE);/Enable視訊 /0:欲設(shè)置屬性的攝像頭序號(hào)； 第二個(gè)參數(shù)是屬性名字；/第三個(gè)參數(shù)是指向設(shè)置值的指針cvcamSetProperty(0, CVCAM_PROP_RENDER, CVCAMTRUE); /啟用視訊/ MyWin 是窗口 HWND 的類型MyWin =

13、 (HWND) cvGetWindowHandle("cvcam window"); cvcamSetProperty(0, CVCAM_PROP_WINDOW, &MyWin); / Selects a window cvcamSetProperty(0,CVCAM_RNDWIDTH,&width);cvcamSetProperty(0,CVCAM_RNDHEIGHT,&height); /video rendering/回調(diào)函數(shù)將處理每一幀cvcamSetProperty(0, CVCAM_PROP_CALLBACK, callback);4.2

14、光點(diǎn)定位光點(diǎn)定位是整個(gè)模塊的核心，光點(diǎn)定位的準(zhǔn)直會(huì)直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)程序如下：cvcamGetProperty(1,"raw_image",&img); int height = img->height;int width = img->width;int step = img->widthStep;int channels = img->nChannels;uchar* data = (uchar *)img->imageData;int x,y;int Real_x=0,Real_y=0;int i=0,j=280;int

15、sum_x=0;int max_light_intensity=250;/人為設(shè)定的感光強(qiáng)度f(wàn)or( x=0;x<img->width;x+)for(y=1;y<img->height;y+)/從左往右進(jìn)行列掃描if(datay*step+x*channels+2>max_light_intensity)sum_x=sum_x+x;i+; if(i>0)Real_x=sum_x/i;/實(shí)際像素點(diǎn)在X軸上的位置Real_x=Real_x-j;printf("符合光強(qiáng)的像素點(diǎn)有%d個(gè)n",i);/像素點(diǎn)多少，越多證明像素點(diǎn)越大，精確度越差double L=100*3.85/(Real_x*6);printf("測(cè)得距離為:");printf("L=%2.8f米",L);結(jié)論：本次實(shí)驗(yàn)，主要是解決攝像頭與激光出射角的定標(biāo)。但由于是人為確定，并且激