Триангуляционный лазерный дальномер Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 608.4

ТРИАНГУЛЯЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

Максим Николаевич Бондарь

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, аспирант кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]

Анастасия Дмитриевна Лаптева

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, студентка кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники, тел. (383)346-08-77, e-mail: [email protected]

Степан Александрович Буднов

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, аспирант кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]

В работе рассматривается лазерный дальномер, в основу которого положен активный триангуляционный метод измерения расстояния с "базой на дальномере". Метод заключается в решении задачи треугольника по известной базе - стороне треугольника и измеренному углу между сторонами треугольника, образованными оптическими осями лазерного излучателя и фотоприемника.

Ключевые слова: лазерный дальномер, триангуляция, лазер, линейный фоточувствительный прибор, микроконтроллер.

TRIANGULAR LASER RANGEFINDER

Maxim N. Bondar

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, graduate student, Department of Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]

Anastasia D. Lapteva

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, student, Department of Semiconductor Devices and Microelectronics, tel. (383)346-08-77, e-mail: [email protected]

Stepan A. Budnov

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marksa Prospekt, graduate student, Department of Autonomous Information and Control Systems, tel. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]

In this paper, considered a laser range finder based on an active triangulation method for measuring distances with a «base on a rangefinder». The essence of the method is the solution of the triangle task from the known base - the side of the triangle and the measured angle between the sides of the triangle formed by the optical axes of the laser emitter and the photodetector.

Key words: laser rangefinder, triangulation, laser, linear photosensitive device, microcontroller.

Высокоточное позиционирование объектов путем измерения расстояния между двумя объектами необходимо в строительстве, геодезии, военном деле, навигации и т. п. При этом растут требования к точности, предельной измеряемой дальности, темпу измерений, массе и габаритам аппаратуры. Аналог [1], выполненный на основе «подручных» компонентов, не обеспечивает указанные противоречивые параметры.

Известные дальномеры с фазовым или импульсным методом измерения расстояния обеспечивают заданные дальность и точность измерения, но отличаются высокой стоимостью электронных и оптических компонентов.

Триангуляционный (или параллаксный) метод измерения реализуется рационально для целого ряда применений с достаточными показателями по точности и дальности.

Суть данного метода заключается в решении задачи треуголь ника по известной базе - стороне треугольника и измеренному углу между сторонами треугольника, образованными оптическими осями лазерного излучателя и фотоприемного устройства.

Дальномер состоит из лазерного модуля поз. 1 и светосильного объектива поз. 2, в фокальной плоскости которого установлен линейный фоточувствительный прибор (ЛФП) поз. 3.

Рис. 1. Состав дальномера

Дальномер на основе метода триангуляции работает следующим образом. Лазерный модуль формирует оптическое пятно на предмете, до которог о измеряется дальность. Объектив (диаметр 50 мм) формирует на ЛФП ( формат 1024 элемента) изображение этого пятна, положение которого в пределах линейки элементов зависит от измеряемой дальности. Юстировка оптических осей показана на рис. 2.

Так как оптические оси лазерного пучка и дальномера параллельны и смещены друг относительно друга на постоянное расстояние, то изображение пятна на ЛФП смещено относительно оптической оси объектива, и величина этого сме-

щения зависит от измеряемой дальности до предмета. Смещение ЛФП относительно оптической оси приемного объектива определяет рабочий диапазон измерений по дальности.

Рис. 2. Принцип измерения расстояния

Так как при изменении расстояния до экрана изменяется положение плоскости изображения относительно фокальной плоскости объектива, то изменяется и размер пятна на ЛФП, поэтому отсчет положения пятна ведется по расположению его центра тяжести.

Структурная схема лазерного дальномера (ЛД) показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема лазерного триангуляционного дальномера

После прихода команды на запуск, контроллер запускает излучатель и начинает процесс измерения. Оптическое излучение, отражённое от объекта, посту-

пает на ЛФП, после чего микроконтроллер обрабатывает с него сигналы , вычисляет координаты центра тяжести пятна, производит необходимые вычисления и преобразования, и передаёт соответствующее значение дальности на внешнее устройство.

В результате проведённой работы бы разработан лазерный дальномер на основе триангуляционного метода измерения.

Основные параметры ЛД приведены в таблице.

Таблица

Параметры ЛД

Наименование параметра, характеристика Значение параметра

Диапазон измерения, м 1...12

Время готовности к работе, мин. <0.5

Погрешность измерения, не более, мм ±10

Обмен информацией, тип интерфейса RS-422

Диапазон рабочих температур, °С -60 ... +60

Напряжение питания, В 4.12

Эпюры напряжений сигналов на выходе ЛФП приведены на рис. 4.

Рис. 4. Эпюры напряжений сигналов на выходе ЛФП:

а) 3.75 м; 6)5.82 м; в) 6,76 м; г) 9.08 м

Выводы: разработан лазерный дальномер двойного назначения, использующий триангуляционный метод измерения расстояния, с заданной точностью при минимальных габаритных размерах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лазерные приборы и методы измерения дальности / В. Б. Бокшанский, Д. А. Бонда-ренко, М. В. Вязовых, И. В. Животовский, А. А. Сахаров, В. П. Семенков. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 92 с.

2. T. Danko. "Webcam Based DIY Laser Rangefrnder", 2009 // https://sites.google. com/site/todddanko/home/webcam_laser_ranger

© М. Н. Бондарь, А. Д. Лаптева, С. А. Буднов, 2017