Принцип действия лазерный дальномер: Принцип работы лазерных дальномеров

Принцип работы лазерных дальномеров

Измерение дальности охотничьим лазерным дальномером.

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

L = ct/2,

— где L — расстояние до обьекта,
— с — скорость распространения излучения,
— 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 импульс, тем лучше.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.

Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру,то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.

Наиболее популярные модели лазерных дальномеров для охоты среди наших покупателей:

Использование лазерных дальномеров в военных целях.

Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961г., а сейчас лазерные дальномеры используются в наземной военной техники (артиллерийские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят в армиях ряда стран.

Первый лазерный дальномер XM-23 прошел испытание во Вьетнаме и был принят на вооружение в армии США. Он был рассчитан на использование передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем являлся лазер с выходной мощностью 2.5Вт и длительностью импульса 30нс. В конструкции дальномера широко использовались интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного отсчета азимута и угла места цели. Питание дальномера осуществлялось от батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24В, обеспечивающий 100 измерений дальности без подзарядки.

Один из первых серийных моделей — шведский дальномер, предназначенный для использования в системах управления бортовой корабельной и береговой артиллерии. Конструкция дальномера отличалось особой прочностью, что позволяло применять его в сложных условиях. Дальномер можно было сопрягать при необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режимом работы дальномера предусматривалось либо измерения через каждые 2с в течение 20с, либо через каждые 4 с в течение длительного времени.

С начала 70-х годов на зарубежных танках устанавливаются лазерные дальномеры. Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала зарубежных разработчиков вооружения. Это объясняется тем, что на танке можно ввести дальномер в систему управления огнем танка, чем повысить его боевые качества. По сравнению с оптическими они имеют ряд преимуществ: высокое быстродействие, автоматизированный процесс ввода измеренной дальности в прицельные устройства, высокую точность измерения, малые размеры, вес и т. д. Для этого в США был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка М60А. Он не отличался по схеме от лазерного артиллерийского дальномера на рубине, однако помимо выдачи данных о дальности на цифровое табло имел устройство, обеспечивающее ввод дальности в счетно-решающее устройство системы управления огнем танка. При этом измерение дальности могло производиться как наводчиком пушки так и командиром танка. Режим работы дальномера — 15 измерений в минуту в течение одного часа.

Лазерные дальномеры, установленные на современных танках, позволяют измерять дальность до цели в пределах от 200 м до 8 000 м (на американских и французских танках) и от 200 до 10 000 м (на английских и западногерманских танках) с точностью до 10 м. Большинство активных элементов лазерных дальномеров, устанавливаемых в настоящее время на танках и БМП западного производства, созданы на основе кристалла граната с примесью неодима (активный элемент — кристалл иттриево-алюминиевого граната Y3A15O3, в который в качестве активных центров введены ионы неодима Ш3+). Эти лазеры генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм. Имеются также лазерные дальномеры в которых активным элементом служит кристалл розового рубина. Здесь основой является кристалл окиси алюминия А12О3, а активными элементами ионы хрома Сг3*. Лазеры на рубине генерируют излучение на длине волны 0,69 мкм.

В последнее время на зарубежных боевых машинах начали применяться лазерные дальномеры на углекислом газе. В СО2-лазере в газоразрядной трубке находится смесь, состоящая из углекислого газа (СО2), молекулярного азота (N,) и различных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т. д. Активные центры — молекулы СО2. Преимущество лазера на двуокиси углерода заключается в том, что его излучение (длина волны 10,6 мкм) относительно безопасно для зрения и обеспечивает лучшее проникновение через дым и туман. Кроме того, лазер постоянного излучения, работающий на этой длине волны, может использоваться для подсветки цели при работе с тепловизионным прицелом.

Бурное развитие микроэлектроники обеспечило уменьшение массо-габаритных показатели лазерных дальномеров, что позволило создать портативные дальномеры. Весьма удачным оказался норвежский лазерный дальномер LP-4. Он имел в качестве модулятора добротности оптико- механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр оптической системы составляет 70 мм. Приемником служит портативный фотодиод. Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующий по установке оператора от 200 до 3000 м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель и приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется до ~25 градусов. Аккумулятор обеспечивал 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1кг. Дальномер был закуплен Канадой, Швецией, Данией, Италией, Австралией.

Портативные лазерные дальномеры были разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийских наблюдателей. Один из таких дальномеров выполнен в виде бинокля. Источник излучения и приемник смонтированы в общем корпусе с монокулярным оптическим визиром шестикратного увеличения, в поле зрения которого имеется световое табло из светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем. В лазере в качестве источника излучения используется алюминиево-иттриевый гранат, с модулятором добротности на ниобате лития. Это обеспечивает пиковую мощность в 1.5 МВт. В приемной части используется сдвоенный лавинный фотодетектор с широкополосным малошумящим усилителем, что позволяет детектировать короткие импульсы с малой мощностью. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов исключаются с помощью схемы стробирования по дальности. Источник питания — малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки. Электронные блоки дальномера выполнены на интегральных схемах, что позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2кг.

Следующий этап военного применения лазерных дальномеров — их интеграция с индивидуальным стрелковым оружием пехотинца.

Примеров может служить штурмовая винтовка F2000 (Бельгия). Вместо прицела на F2000 может устанавливаться специальный модуль управления огнем, включающий в себя лазерный дальномер и баллистический вычислитель. Основываясь на данных о дальности до цели, вычислитель выставляет прицельную марку прицела как для стрельбы из самого автомата, так и из подствольного гранатомета (если он установлен). 

Американская система OICW (Objective Individual Combat Weapon — объективное индивидуальное боевое оружие) является попыткой резко повысить эффективность вооружения пехотинца. В настоящее время разработка находится на стадии создания прототипов. Начало производства планируется на 2008 год, поступление на вооружение — на 2009 год. По текущим планам, на каждое отделение пехоты будет приходится по 4 OICW. OICW представляет собой модульную конструкцию, состоящую из трех основных модулей: модуля «KE» (Kinetic Energy), представляющего собой слегка модернизированную винтовку Хеклер-Кох G36; Модуля «HE» (High Explosive), представляющего из себя самозарядный 20мм гранатомет с магазинным питанием, устанавливаемый сверху на модуль «КЕ» и использующий для стрельбы общий с модулем «КЕ» спусковой крючок; и, наконец, модуль управления огнем, включающий в себя дневной/ночной телевизионный прицелы, лазерный дальномер и баллистический вычислитель, который автоматически выставляет в объективе прицельную марку в соответствии с дальностью до цели, а также используется для программирования дистанционных взрывателей 20мм гранат. Перед выстрелом по данным с лазерного дальномера взрыватель гранаты программируется на подрыв в воздухе на заданной дальности, чем обеспечивается поражение укрытых целей осколками сверху или сбоку. Определение дальности для дистанционного подрыва осуществляется путем подсчета оборотов, совершенных гранатой в полете.

             На OPTICTOWN.RU Вы можете купить дальномер для охоты с бесплатной доставкой по России, позвонив по тел. +7 (905) 288-51-68.

Как работает лазерная рулетка: реверс-инжиниринг / Хабр

Ранее в своей статье я рассказывал о том, как устроены фазовые лазерные дальномеры. Теперь пришло время разобраться с тем, как работают бытовые лазерные рулетки. Разобраться — это не просто заглянуть, что же там внутри, а полностью восстановить всю схему и написать собственную программу для микроконтроллера.

Принцип работы лазерных рулеток

Большинство лазерных рулеток используют фазовый, а не импульсный (времяпролетный, TOF) метод измерения расстояния.

Для целостности этой статьи процитирую часть теории из своей предыдущей статьи:

В фазовом методе, в отличие от импульсного, 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 10 МГц, 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.

Как я уже упоминал выше, для повышения точности нужно повышать частоту модуляции излучения лазера. Однако измерить разность фаз двух высокочастотных сигналов достаточно сложно. Поэтому в фазовых дальномерах часто применяют гетеродинное преобразование сигналов. Структурная схема такого дальномера показана ниже. Рассматриваемая мной лазерная рулетка устроена именно так.

В состав дальномера входят два высокочастотных генератора, формирующие два сигнала, близких по частоте. Сигнал с одного из них подается на лазер, сигнал от другого (гетеродина) перемножается с сигналом, принятым фотоприемником. Получившийся сигнал подается на фильтр, пропускающий только низкие частоты (LPF), так что на выходе фильтра остается только сигнал разностной частоты. Этот сигнал имеет очень маленькую амплитуду, и его приходится усиливать, прежде чем подавать на микроконтроллер. Стоит заметить, что сделать низкочастотный усилитель с большим коэффициентом усиления намного проще, чем высокочастотный, что также является преимуществом гетеродинной схемы.

Поскольку в фазовом дальномере измеряется именно разность фаз сигналов, то в конструкции нужен еще один сигнал — опорный. Его получают перемножением сигналов от обоих генераторов. Оба получившихся низкочастотных сигнала обрабатываются микроконтроллером дальномера, который вычисляет разность фаз между ними.

Отдельно стоит упомянуть, что в большинстве лазерных дальномеров в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (APD). Они обладают собственным внутренним усилением сигнала, что уменьшает требования к усилительным узлам дальномера. Коэффициент усиления таких фотодиодов нелинейно зависит от питающего напряжения. Таким образом, если модулировать напряжение питания APD сигналом гетеродина, то смешивание (перемножение) сигналов происходит прямо в самом фотодиоде. Это позволяет упростить конструкцию дальномера, и уменьшить влияние шумов.

В тоже время, у лавинных фотодиодов много недостатков. К ним можно отнести:

• Напряжение питания должно быть достаточно высоким — сотня вольт и выше.
• Сильная зависимость параметров от температуры.
• Достаточно высокая стоимость (по сравнению с другими фотодиодами).

Реверс-инжиниринг лазерной рулетки

В качестве подопытного образца я использовал набор «50M DIY Rangefinder», найденный на просторах Aliexpress (справа приведена фотография включенной рулетки). Насколько я понял, этот набор — внутренности лазерной рулетки «X-40» (сейчас ее можно найти в продаже за 20$). Этот набор я выбрал только потому, что на его фотографиях было видно электронику устройства. По имеющейся у меня информации, схемотехника этой рулетки очень близка к схемотехнике рулетки U-NIT UT390B+, и другим китайским лазерным рулеткам и модулям лазерных дальномеров.

Во время испытаний я смог проверить работу рулетки только на расстоянии в 10 м. Работала она при этом с большим трудом, время измерения было больше 5 секунд. Подозреваю, что даже расстояние в 20 метров она измерить бы уже не смогла, не говоря о заявленных производителем 50 м.

Что же представляет из себя конструкция такой рулетки?

Как видно из фотографий, она достаточно проста. Конструктивно рулетка состоит из блока лазерного дальномера, индикатора и платы с кнопками. Очевидно, что самое интересное — это блок дальномера. Вот так он выглядит вблизи:

С верхней стороны платы расположены две основные микросхемы дальномера — микроконтроллер STM32F100C8T6 и сдвоенный PLL генератор Si5351. Эта микросхема способна формировать два сигнала с частотами до 200 МГц. Именно она формирует сигнал для модуляции лазера и сигнал гетеродина. Также на этой стороне платы расположен смеситель и фильтр опорного (REF) сигнала и часть деталей узла высоковольтного источника напряжения для APD (вверху фотографии).

Так выглядит нижняя сторона блока дальномера:

Из фотографии может быть не понятно, но на самом деле здесь видно две печатные платы — вторая очень маленькая и закреплена вертикально. На этой фотографии хорошо видно выводы лазерного диода, маленький динамик (он постоянно пищал при работе, так что позже я его выпаял). Кроме того, здесь находятся компоненты, формирующие питающие напряжения рулетки.

На маленькой платке расположен лавинный фотодиод со встроенным интерференционным светофильтром и усилитель принятого сигнала. Вот так выглядит эта плата сбоку:

На фотографии справа показан вид лавинного фотодиода через линзу-объектив рулетки.

Следующий этап — восстановление схемы рулетки. Плата довольно маленькая и не очень сложная, хотя и многослойная, так что процесс восстановления схемы занял не очень много времени.
Фото платы с подписанными компонентами:

В одном из китайских интернет-магазинов мне удалось найти картинку с изображением печатной платы модуля лазерного дальномера (версия 511F), которая была очень близка по конструкции с моей платой (версия 512A). Разрешение картинки довольно низкое, зато на ней видно расположение проводников и переходных отверстий под микросхемами. В дальнейшем я подписал на ней номера компонентов и выделил проводники:

К сожалению, по маркировке части SMD компонентов не удалось определить их названия. Номиналы большинства конденсаторов нельзя определить без выпаивания их из платы. Номиналы резисторов я измерял мультиметром, так что они могут быть определены неточно.

В результате исследования у меня получилась вот такая структурная схема рулетки:

Электрическую схему я разбил на несколько листов:

Схема 1. Микроконтроллер, узел питания и некоторое простые цепи.

Здесь все достаточно просто — тут показаны микроконтроллер STM32, некоторые элементы его обвязки, динамик, клавиатура, некоторые ФНЧ фильтры. Здесь же показан повышающий DC-DC преобразователь напряжения (микросхема DA1), формирующий напряжение питания рулетки.

Рулетка рассчитана на работу от 2 батареек, напряжение которых может меняться в процессе работы. Указанный преобразователь формирует из входного напряжения VBAT постоянное напряжение 3.5 В (несколько необычное значение). Для включения и выключения питания рулетки используется узел, собранный на транзисторной сборке DA2. При нажатии кнопки S1 он включает DC-DC, после чего микроконтроллер сигналом по линии «MCU_power» начинает удерживать DC-DC включенным.

Во время одного из измерений я случайно сжег микросхему этого DC-DC преобразователя (щуп мультиметра соскочил, и замкнул ее ножки). Так как я не смог определить название микросхемы, мне пришлось выпаять ее, и подавать на рулетку напряжение 3.5 В от внешнего источника напряжения.

Снизу на краю платы есть 8 прямоугольных площадок, которые могут использоваться как отладочные или тестовые. Я отметил их на схеме «PMx». Из схемы видно, что все они подключены к выводам микроконтроллера. Среди них есть линии UART. Родная прошивка не ведет никакой активности на этих линиях, линия TX, судя по осциллографу, сконфигурирована на вход.
Также на краю платы есть 6 отверстий-контактов. На схеме они отмечены «Px». На них выведены линии питания рулетки и линии программирования STM32.

Схема 2. Узел PLL генератора, и узел управления лазерным диодом.

Микросхема PLL генератора Si5351 формирует прямоугольный сигнал, поэтому, чтобы убрать лишние гармоники, сигналы с выхода PLL подаются на два одинаковых полосовых фильтра. Тут же показан смеситель сигналов, собранный на диоде D1 — сигнал с него используется в качестве опорного при измерении разности фаз.

Как можно видеть из схемы, один из сигналов c PLL («LASER_signal») выводится на лазерный диод D3 без каких-либо преобразований. С другой стороны, яркость лазера (которая определяется величиной тока, текущим через него) стабилизируется при помощи аналогового узла, собранного на микросхеме DA3 и окружающих ее компонентах. Реальный уровень яркости лазера этот узел получает от встроенного в лазер фотодиода (он не показан на схеме). При помощи линии «laser_power» микроконтроллер может полностью отключить лазер, а при помощи линии «line10», соединенной с ЦАП микроконтроллера — регулировать яркость лазера. Исследование осциллографом показало, что рулетка постоянно удерживает на этой линии значение 1.4 В, и оно не меняется ни при каких условиях.

Схема 3. Узел питания APD и усилитель сигнала с APD.

Слева здесь показан линейный источник напряжения, формирующий питающее напряжение для усилителя фотодиода (DA5). Эта микросхема формирует напряжение 3.3 В, так что напряжение на ее входе должно быть выше 3.3 В. Насколько я понимаю, именно это служит причиной того, что остальная часть схемы питается от 3.5 В.

Ниже показан повышающий DC-DC преобразователь, собранный на микросхеме DA4, формирующий высокое напряжение (> 80 В) для лавинного фотодиода. Микроконтроллер может изменять величину этого напряжения при помощи линии «MCU_APD_CTRL», соединенной с ЦАП контроллера. Название микросхемы DA4 мне не удалось установить, так что пришлось экспериментально определять, как зависит напряжение на APD от уровня управляющего сигнала. Эта зависимость получается какая-то странная, с ростом величины управляющего сигнала, выходное напряжение падает. В дальнейших экспериментах я использовал несколько константных значений ЦАП, для которых я знал соответствующие им выходные напряжения.

Справа на схеме 3 показана схема маленькой печатной платы. Линиями M1-M8 показаны контактные площадки, соединяющие обе платы. Диод D6 — это лавинный фотодиод (APD). Он никак не промаркирован, так что определить его название и характеристики невозможно. Могу лишь сказать, что он имеет корпус LCC3.

На катод APD по линии M8 подается высокое постоянное напряжение. Также можно видеть, что через конденсатор C41 по линии «APD_modul» к нему подмешивается высокочастотный сигнал от PLL. Таким образом, на APD смешиваются оптический сигнал и сигнал «APD_modul», имеющие разные частоты. В результате этого на выходе APD появляется низкочастотный сигнал, который выделяется полосовым фильтром (компоненты C55, R41, R42, R44, C58, C59).

Далее низкочастотный сигнал усиливается операционным усилителем DA6B (SGM8542). Сигнал с выхода DA6B передается на АЦП микроконтроллера по линии M2. Также этот сигнал дополнительно усиливается транзистором T6 и передается на микроконтроллер по линии M1.
Такое ступенчатое усиление нужно из-за того, что уровень входного сигнала меняется в очень широких пределах.

Кроме того, рядом с APD установлен терморезистор R58, позволяющий определить температуру APD. Как я уже говорил, параметры APD сильно зависят от температуры, и терморезистор нужен для программной компенсации этой зависимости. В процессе работы APD нагревается, и даже это изменяет его характеристики. К примеру, при комнатной температуре из-за собственного нагрева усиление фотодиода падает более чем в 2 раза.

В случае, когда уровня принимаемого сигнала не хватает, микроконтроллер повышает напряжение на APD, таким образом увеличивая усиление. Во время проверки работы рулетки с родной прошивкой я обнаружил, что там есть только два уровня выходного напряжения — 80 и 93 В. Однако в то время я не догадался, что эти уровни могу зависеть от температуры APD, и не проверил, меняются ли в рулетке какие-либо управляющие сигналы при нагреве.

На фотографиях платы видно, что на ней есть контрольные площадки. Я отметил их на схеме и плате: «TPx». Среди них можно выделить:

• TP3, TP4 — низкочастотный сигнал с усилителя фотодиода. Именно этот сигнал несет информацию о расстоянии до объекта. При помощи осциллографа можно увидеть, что сигнал имеет частоту 5 кГц, и содержит постоянную составляющую.
• TP1 — опорный сигнал. Также имеет частоту 5 кГц и содержит постоянную составляющую. Амплитуда этого сигнала довольно мала — около 100 мВ.
• TP5 — высокое напряжение питания лавинного фотодиода.

Программирование

Прежде чем пытаться сделать что-то с родной прошивкой контроллера, я решил снять логическим анализатором обмен между STM32 и PLL, который происходит по I2C шине. Для этого я припаял провода к подтягивающим резисторам шины:

Мне без проблем удалось перехватить обмен между упомянутыми микросхемами и декодировать данные в передаваемых посылках:

Анализ результатов показал, что контроллер всегда только записывает информацию в PLL, и ничего не считывает. При хорошем уровне сигнала один цикл измерений занимает около 0.4 секунд, при плохом уровне сигнала измерения идут значительно дольше.

Видно, что микроконтроллер передает в PLL достаточно крупные посылки с периодом около 5 мс.
Поскольку данных было много, для их анализа я написал специальную программу на Python. Программа определяла и подсчитывала посылки, определяла размер посылок, время между ними. Кроме того, программа выводила названия регистров PLL, в которые производится запись передаваемых байтов.

Как оказалось, каждые 5 мс STM32 полностью перезаписывает основные регистры PLL (длина пакета 51 байт), в результате чего PLL меняет обе частоты. Никакой инициализации PLL рулетка не проводит — то есть пакеты передаваемых данных несут полную конфигурацию PLL. При хорошем уровне сигнала цикл измерений состоит из 64 передач данных.

Далее я добавил в программу расчет частоты по данным, передаваемым в пакетах. Выяснилось, что в процессе измерений рулетка использует четыре частоты модуляции лазера:

• 162.0 MHz
• 189.0 MHz
• 192.75 MHz
• 193.5 MHz

Частота гетеродина (второй выход PLL) при этом всегда имеет частоту, на 5 кГц меньшую, чем частота модуляции лазера.

Судя по всему, 4 цикла переключения частот (по 5 мс каждый) позволяют обеспечить однократное определение расстояния. Таким образом, проведя 64 цикла, рулетка выполняет 16 измерений расстояния, после чего усредняет и фильтрует результаты, за счет чего повышается точность измерения.

Далее я приступил к написанию своей программы для микроконтроллера рулетки.

После подключения программатора к рулетке компьютер не обнаружил ее микроконтроллер. Насколько я понимаю, это значит, что в родной прошивке интерфейс SWD отключен программно. Эту проблему я обошел, подключив к рулетке линию программатора NRST и выбрав в настройках ST-LINK Utility режим «Connect under reset». После этого компьютер обнаружил контроллер, но, как и ожидалось, родная прошивка была защищена от чтения. Для того, чтобы записать в контроллер свою программу, Flash-память контроллера пришлось стереть.

Первым делом в своей программе я реализовал включение питания аналоговой части дальномера, включение лазера и установку его тока, включение напряжения питания APD. После того, как я убедился, что все напряжения в норме, можно было экспериментировать с PLL. Для теста я просто реализовал запись в PLL тех данных, которые я ранее получил с рулетки.

В результате после запуска своей программы я обнаружил, что на контрольных точках появился сигнал с частотой 5 кГц, амплитуда которого явно зависела от типа объекта, на которые светил лазер. Это значило, что вся аналоговая электроника работает правильно.

После этого я добавил в программу захват аналогового сигнала при помощи АЦП. Стоит отметить, что для измерения разности фаз сигналов микроконтроллер должен захватывать уровни основного и опорного сигналов одновременно или с постоянной задержкой. В STM32F100 последний вариант можно реализовать, используя режим сканирования АЦП. Данные от АЦП при этом логично захватывать в память при помощи DMA, а для того, чтобы данные захватывались с заданной частотой дискретизации, запуск преобразования АЦП должен производиться по сигналу от одного из таймеров.

В результате экспериментов я остановился на следующих параметрах захвата:

— Частота дискретизации АЦП — 50 кГц,
— Количество выборок — 250.
— Суммарное время захвата сигнала — 5 мс.
— Захваченные данные программа контроллера передает на ПК по UART.

Для обработки захваченных данных я написал на C# небольшую программу:

График синего цвета — принятый сигнал, график оранжевого цвета — опорный сигнал (его амплитуда на этом графике увеличена в 20 раз).

На графике снизу показан результат FFT преобразования принятого сигнала.

Используя FFT, можно определить фазу сигнала — нужно рассчитать фазовый спектр сигнала, и выбрать из него значение фазы в точке, соответствующей 5кГц. Отмечу, что я пробовал выводить фазовый спектр на экран, но он выглядит шумоподобным, так что я от этого отказался.

В то же время в действительности на микроконтроллер поступают два сигнала — основной и опорный. Это значит, что нужно вычислить при помощи FFT фазу каждого из сигналов на частоте 5 кГц, а затем вычесть из одного результата другой. Результат — искомая разность фаз, которая и используется для расчета расстояния. Моя программа выводит это значение под графиком спектра.

Очевидно, что использование FFT — не самый подходящий метод определения фазы сигнала на единственной частоте. Вместо его я решил использовать алгоритм Гёрцеля. Процитирую Википедию:

Алгоритм Гёрцеля (англ. Goertzel algorithm) — это специальная реализация дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в форме рекурсивного фильтра.… В отличие от быстрого преобразования Фурье, вычисляющего все частотные компоненты ДПФ, алгоритм Гёрцеля позволяет эффективно вычислить значение одного частотного компонента.

Этот алгоритм очень прост в реализации. Как и FFT, он может возвращать комплексный результат, благодаря чему можно рассчитать фазу сигнала. В случае использования этого алгоритма также нужно рассчитать фазы основного и опорного сигналов, после чего вычислить их разность.
Эта же программа для ПК позволяет вычислять разность фаз и амплитуду сигнала при помощи алгоритма Герцеля. Результаты экспериментов показали, что при хорошем уровне сигнала точность измерения разности фаз может доходить до 0.4 градусов (СКЗ по 20 измерениям).

На следующем этапе я написал программу для микроконтроллера, которая сама рассчитывала разность фаз сигналов для трех разных частот модуляции (при помощи алгоритма Герцеля), и передавала результат на ПК. Почему использовались именно три частоты — я объясню позднее. За счет того, что расчеты производятся на самом микроконтроллере, нет необходимости передавать большой объем данных по UART, что значительно увеличивает скорость измерений.

Для ПК была написана программа, которая позволяла захватывать принимаемые данные и логировать их.

Именно на этом этапе я заметил сильное влияние температуры лавинного фотодиода на результаты измерения разности фаз. Кроме того, я заметил, что амплитуда принимаемого светового сигнала также влияет на результат. Кроме того, при изменении напряжения питания APD вышеуказанные зависимости явно изменяются.

Честно говоря, в процессе исследований я понял, что задача определения влияния сразу нескольких факторов (напряжения питания, амплитуды светового сигнала, температуры) на разность фаз достаточно сложна, и, в идеале, требует большого и длительного исследования. Для такого исследования нужна климатическая камера для имитации различных рабочих температур и набор светофильтров для исследования влияния уровня сигнала на результат. Нужно сделать специальный стенд, способный автоматически изменять уровень светового сигнала. Исследования осложняются тем, что при уменьшении температуры растет усиление APD, причем до такой степени, что APD входит в режим насыщения — сигнал на его выходе превращается из синусоидального в прямоугольный или вообще исчезает.

Такого оборудования у меня не было, так что пришлось ограничится более простыми средствами. Я проводил исследования работы дальномера только при двух рабочих напряжениях лавинного фотодиода (Uapd) в 82 В и 98 В. Все исследования шли при частоте модуляции лазера 160 МГц.

В своих исследованиях я считал, что изменения амплитуды светового сигнала и температуры независимо друг от друга влияют на результаты измерения разности фаз.

Для изменения амплитуды принимаемого светового сигнала я использовал специальный подвижный столик с прикрепленной заслонкой, которая могла перекрывать линзу-объектив фотодиода:

С изменением температуры все было сложней. В первую очередь, как я уже упоминал ранее, у APD был заметный эффект саморазогрева, который хорошо отслеживался термодатчиком. Для охлаждения рулетки я накрыл ее коробом из пенопласта с установленным в нем вентилятором, и установил сверху емкость с холодной водой. Кроме того, я пробовал охлаждать рулетку на балконе (там было около 10 °C). Судя по уровню сигнала с термодатчика, оба метода давали примерно одинаковую температуру APD. С нагревом все проще — я нагревал рулетку потоком горячего воздуха. Для этого я использовал резистор, прикрепленный к кулеру — так можно было регулировать температуру воздуха.

У меня не было никакой информации об установленном в рулетке терморезисторе, так что я нигде не пересчитывал результаты преобразования АЦП в градусы. При увеличении температуры уровень напряжения на АЦП падал.

В результате получились такие результаты:

• При увеличении Uapd (то есть с ростом усиления) заметно возрастает чувствительность APD к изменениям температуры и изменению уровня сигнала.
• При уменьшении амплитуды светового сигнала появляется небольшой сдвиг фазы — примерно +2 градуса при изменении амплитуды от максимальной до минимальной.
• При охлаждении APD появляется положительный сдвиг фазы.

Для напряжения 98 В получилась такая зависимость фазового сдвига от температуры (в единицах АЦП):

Можно видеть, что при изменении температуры (примерно от 15 до 40 градусов) разность фаз изменяется более чем на 30 градусов.

Для напряжения 82 В эта зависимость получилась практически линейной (по крайней мере, в том диапазоне температур, где я проводил измерения).

В результате, я получил два графика для двух Uapd, которые показывали связь между температурой и фазовым сдвигом. По этим графикам я определил две математические функции, которые использовал в микроконтроллере для коррекции значения разности фаз. Таким образом, я смог избавиться от влияния изменения внешних факторов на правильность измерений.

Следующий этап — определение расстояния до объекта по трем полученным разностям фаз. Для начала, я решил сделать это на ПК.

В чем тут проблема? Как я уже упоминал ранее, если частота модуляции достаточно высокая, то на определенном расстоянии от дальномера при попытке определить расстояние возникает неоднозначность. В таком случае для точного определения расстояния до объекта нужно знать не только разность фаз, но и число целых фаз сигнала (N), которые укладываются в этом расстоянии.

Расстояние в результате определяется формулой:

Из анализа работы заводской программы рулетки видно, что частоты модуляции лежат в диапазоне 160-195 МГц. Вполне вероятно, что схемотехника рулетки не позволит модулировать излучение лазера с меньшей частотой (я это не проверял). Это значит, что метод определения расстояния до объекта по разности фаз в рулетке должен быть сложнее, чем простое переключение между высокой и низкой частотами модуляции.

Стоит заметить, что из-за того, что частоты модуляции разные, то число целых фаз сигнала в одних случаях может иметь общее значение N, а в других — нет (N1, N2 …).

Мне известны только два варианта решения этой задачи.

Первый вариант — простой перебор значений N и соответствующих им расстояний для каждой используемой частоты модуляции.

В ходе такого перебора ищутся такие значения N, которые дают наиболее совпадающие друг с другом расстояния (полного совпадения можно не получить из-за ошибок при измерении разности фаз).

Недостаток этого метода — он требует производить много операций и достаточно чувствителен к ошибками измерения фаз.

Второй вариант — использование эффекта биений сигналов, имеющих близкие частоты модуляции.
Пусть в дальномере используются две частоты модуляции сигнала с длинами волн и , имеющие достаточно близкие значения.

Можно предположить, что на дистанции до объекта количество целых периодов N1 и N2 равны между собой и равны некому значению N.

В таком случае получается такая система уравнений:

Из нее можно вывести значение N:

Получив значение N, можно вычислить расстояние до объекта.

Максимальное расстояние, на котором выполняется вышеупомянутое утверждение, определяется формулой:

Из этой формулы видно, что чем ближе друг к другу длины волн сигналов, тем больше максимальное расстояние.

В то же время, даже на указанной дистанции в некоторых случаях это утверждение (N1=N2) выполнятся не будет.

Приведу простой пример.

Пусть и .
В таком случае .

Но если при этом путь, который проходит свет, равен 1.53м, то получается что для первой длины волны N1 = 0, а для второй N2 = 1.

В результате расчета величина N получается отрицательной.

Бороться c этим эффектом можно, используя знание, что
.
В таком случае можно модифицировать систему уравнений:

Используя эту систему уравнений, можно найти N1.

Применение этого метода имеет определенную особенность — чем ближе друг друг к другу длины волн сигналов модуляции, тем больше влияние ошибок измерения разности фаз на результат. Из-за наличия таких ошибок значение N может вычисляться недостаточно точно, но, по крайней мере, оно оказывается близким к реальной величине.

При определении реального расстояния до объекта приходится производить калибровку нуля. Делается она достаточно просто — на определенном расстоянии от рулетки, которое будет принято за «0», устанавливается хорошо отражающий свет объект. После этого программа должна сохранить измеренные значения разности фаз для каждой из частот модуляции. В дальнейшей работе нужно вычитать эти значения из соответствующих значений разностей фаз.

В своем алгоритме определения расстояния я решил использовать три частоты модуляции: 162.5 МГц, 191.5 МГц, 193.5 МГц — по результатам экспериментов, это было наиболее подходящее количество частот.

Мой алгоритм определения расстояния состоит из трех этапов:

1. Проверка, не попали ли разности фаз в зону «нулевого» расстояния. В области, близкой к нулю калибровки, из-за ошибок измерения значение разности фаз может «прыгать» — от 0 градусов до 359 градусов, что приводит к большим ошибками при измерении расстояния. Поэтому, при обнаружении, что все три разности фаз одновременно получились близкими к нулю, можно считать, что измеряемое расстояние близко к нулевому значению, и за счет этого отказаться от вычисления величин N.
2. Предварительное вычисление расстояния по биениям сигналов с частотами 191.5 МГц и 193.5 МГц. Эти частоты выбраны близкими, за счет чего зона определенности получается достаточно большой: , но и результат вычислений сильно подвержен влиянию ошибок измерений. При низком уровне принимаемого сигнала ошибка может составлять несколько метров (несколько длин волн).
3. Вычисление расстояния методом перебора по разностям фаз сигналов с частотами 162.5 МГц и 191.5 МГц.

   Поскольку на предыдущем этапе уже определено приблизительное расстояние, то диапазон перебираемых значений N можно ограничить. За счет этого уменьшается сложность перебора и отбрасываются возможные ошибочные результаты.

В результате у меня получилась вот такая программа для ПК:

Эта программа позволяет отображать данные, передаваемые рулеткой — амплитуду сигнала, напряжение APD, температуру в единицах АЦП, значения разности фаз сигналов для трех частот и вычисленное по ним расстояние до объекта.

Калибровка нуля производится в самой программе при нажатии кнопки «ZERO».

Для автономно работающего лазерного дальномера важно, чтобы усиление сигнала можно было менять, так как при изменении расстояния и коэффициента отражения уровень сигнала может очень сильно меняться. У себя в программе микроконтроллера я реализовал изменение усиления за счет переключения между двумя напряжениями питания APD — 82 В и 98 В. При переключении напряжения уровень усиления менялся примерно в 10 раз.

Я не стал реализовывать переключение между двумя каналами АЦП — «MCU_signal_high», «MCU_signal_low» — программа микроконтроллера всегда использует сигнал только с канала «MCU_signal_high».

Следующий этап — окончательный, заключается в переносе алгоритма расчета расстояния на микроконтроллер. Благодаря тому, что алгоритм был уже проверен на ПК, это не составило особого труда. Кроме того, в программу микроконтроллера пришлось добавить возможность производить калибровку нуля. Данные этой калибровки микроконтроллер сохраняет во Flash памяти.

Я реализовал два различных варианта прошивки микроконтроллера, отличающихся принципом захвата сигналов. В одной из них, более простой, микроконтроллер во время захвата данных от АЦП ничего не делает. Вторая прошивка — более сложная, в ней данные от АЦП одновременно записываются в один из массивов при помощи DMA, и в то же время при помощи алгоритма Герцеля обрабатываются уже захваченные ранее данные. За счет этого скорость измерений повышается практически в 2 раза по сравнению с простой версией прошивки.

Результат вычислений микроконтроллер отправляет по UART на компьютер.

Для удобства анализа результатов я написал еще одну маленькую программу для ПК:

Результаты

В результате мне удалось точно выяснить, как устроена электроника лазерной рулетки, и написать собственную Open source прошивку для нее.

Для меня в процессе написания прошивки наиболее важным было добиться максимальной скорости измерений. К сожалению, повышение скорости измерений заметно сказывается на точности измерений, так что требуется искать компромисс. К примеру, код, приведенный в конце этой статьи, обеспечивает 60 измерений в секунду, и точность при этом составляет около 5-10 мм.

Если уменьшить количество захватываемых значений сигнала, можно повысить скорость измерений. Я получал и 100 измерений в секунду, но при этом влияние шумов значительно увеличивалось.

Конечно же, внешние условия, такие как расстояние до объекта и коэффициент отражения поверхности сильно влияют на отношение сигнал-шум, а следовательно, и на точность измерений. К сожалению, при слишком низком уровне светового сигнал даже увеличение усиления APD не сильно помогает — с ростом усиления растет и уровень шумов.

В ходе экспериментов я заметил, что внешняя засветка лавинного фотодиода тоже значительно увеличивает уровень помех. В модуле, который был у меня, вся электроника открыта, так что для уменьшения помех его приходится накрывать чем-нибудь непрозрачным.

Еще одна замеченная особенность — из-за того, что оптические оси лазера и объектива фотодиода не совпадают, на близких расстояниях (<0.7 м) уровень сигнала значительно падает.

В принципе, уже в таком виде электронику рулетки можно использовать в каком-нибудь проекте, например, в качестве датчика расстояния для робота.

Видео, показывающее работу рулетки:

Напоследок: какие рулетки еще можно встретить?

Здесь я хочу рассказать о конструкциях других лазерных рулеток, о которых можно найти информацию в сети.

• В первую очередь стоит отметить проект реверс-инжиниринга лазерной рулетки BOSCH DLE50.

  Особенность этой рулетки — в ней в качестве PLL генератора используется заказная микросхема CF325, на которую в интернете нет никакой документации, что заметно усложняет процесс реверс-инжиниринга. Эта ситуация (заказные микросхемы без документации) очень часто встречается в лазерных рулетках, но, похоже, сейчас ситуация начинает меняться — заказные микросхемы начинают заменятся «универсальными».

  Используемый в этой рулетке микроконтроллер — ATmega169P.

  Еще одна особенность этой рулетки — использование механического узла, управляемого электромагнитом, который позволяет создавать «оптическое короткое замыкание», то есть перенаправляет свет от лазера к фотодиоду по известному пути. За счет того, что длина пути света и коэффициент отражения при этом известны, микроконтроллер может производить различные калибровки (по амплитуде и фазе). Во время работы этого узла лазерная рулетка достаточно громко щелкает.

  Вот здесь можно посмотреть фотографии электроники этой рулетки.

• Достаточно много что известно про лазерную рулетку UT390B.

  Некий энтузиаст смог произвести реверс-инжиниринг протокола отладочного UART интерфейса этой рулетки, и научился управлять ее работой. Есть даже библиотека для Arduino.

  На русском про устройство этой рулетки можно почитать здесь.

  Как видно из фотографий, электроника этой рулетки достаточно проста, и похожа на ту, что описана в этой статье.

  Используемый в этой рулетке микроконтроллер — STM32F103C8. Микросхема PLL: CKEL925 (на нее есть документация).

• А вот протокол новой версии рулетки UT390B+ никто пока выяснить не смог. Схемотехника этой рулетки отличается от ее старой версии.

  Она еще ближе к схемотехнике моей рулетки — здесь используется микроконтроллер STM32F030CBT6 и PLL Si5351.

  Если приглядеться к фотографиям, можно заметить, что в рулетке установлены два лазера.
  Судя по всему, два лазера в рулетке сейчас — не редкость. Вот в этом описании устройства еще одной рулетки упоминается, что один из лазеров имеет видимое излучение, и служит только для «целеуказания», а второй лазер — инфракрасный, и используется для измерения расстояния. Интересно, что при этом и лазер, и фотодиод используют одну линзу.

• Еще одна рулетка с неизвестным протоколом — BOSCH PLR 15.

  Энтузиасты уже пытались разобраться с ее протоколом, но пока в этом никто не преуспел.

  Раньше я тоже пробовал выяснить, как работает эта рулетка, и даже частично восстановил схему этой рулетки.

  Используемый в этой рулетке микроконтроллер — STM32F051R6. А вот других микросхем высокой степени интеграции в ней просто нет!

  Зато фотоприемник здесь использован очень необычный, я никогда не встречал даже упоминаний таких устройств:

  Судя по всему, он представляет собой систему на кристалле, и содержит два фотодиода (измерительный и опорный каналы), усилители фотодиодов, цифровую управляющую электронику и АЦП. Сигнал модуляции лазера идет тоже с него. Сам фотоприемник соединен с микроконтроллером через SPI.

  Я пробовал перехватывать данные, которые идут по SPI — там присутствуют команды от контроллера датчику и пакеты информации от датчика контроллеру.

  Если обработать эти пакеты в Excel — то явно видны синусоиды (то есть используется фазовый способ измерения расстояния). Это значит, что обработкой сигнала в этой рулетке занимается микроконтроллер.

  Однако информации по SPI идет очень много, частоты, на которых идут измерения, установить не удалось, так что даже считать с рулетки расстояние — достаточно проблематичная задача.
  Кое-какая информация по аналогичной рулетке Bosch GLM 20 собрана здесь.

• Различные китайские модули.

  В последнее время в китайских интернет-магазинах появилось большое количество модулей лазерных дальномеров (из можно найти по запросу «laser ranging module» и аналогичных ему).
  Среди них можно найти и модули, которые выглядят абсолютно так же, как и мой, но продаются они в два раза дороже (40$). Похоже, что это все те же внутренности лазерных рулеток, но с модифицированной прошивкой. Интересно, что среди различных конструкций мне несколько раз попадались дальномеры с двумя одинаковыми микросхемами PLL (судя по всему, эти микросхемы — не заказные).
  

→ Файлы проекта
→ Инструкция по подключению модуля лазерного дальномера к Arduino

Лазерный дальномер — рулетка, линейка для работы в помещениях и на местности

Существует множество способов измерения расстояний – шагами, линейкой, рулеткой и пр. ХХ век добавил в средства измерений такой прибор, как лазерный дальномер. Его широко применяют военные, геодезисты  для съемки местности. Лазерный дальномер был использован для замера расстояния до земного спутника – Луны.

Использование лазерного дальномера

В наши дни дальномеры, уровни, использующие лазер в своей работе, можно встретить у любой строительной бригады, занимающейся возведением зданий, и внутренней отделкой внутренней.

Принцип работы

Лазерные измерительные приборы используют в своей работе два принципа – импульсный и фазовый.

Первый дальномер состоит из двух компонент – лазера и детектора. Замерив время, которое лазерный луч затратить на движение по пути от источника до отражающего объекта, можно вычислить точное расстояние между ними. Эти устройства применяют для работы на больших расстояниях. Технология работы заключается в следующем, лазер генерирует мощный импульс и отключается. Такое свойство позволяет его скрытно использовать. Это свойство и является решающим фактором, определяющим использования этого прибора военными.

Второй тип, фазовый, работает по следующему принципу. Лазер на некоторое время включает и направляет луч на удаленный объект, у него (луча) разная моделированная частота и по изменению фазы рассчитывают расстояние до объекта. Фазовые измерительные расстояния не имеют приборов для замера отражаемого сигнала. Эти приборы эффективны на расстояниях до 1 километра и поэтому их применяют для бытовых нужд или в качестве прицельных устройств для стрелкового оружия.

Схема действия лазерного дальномера

Лазерный дальномер, применяемый в быту и на строительстве, по сути, является смесью калькулятора и рулетки. Между тем такой прибор обладает рядом неоспоримых достоинств:

1. 1. это устройство предоставляет возможность выполнения измерения линейных размеров (длина, высота, ширина), при этом встроенный калькулятор автоматически рассчитает периметр. Кроме того, счетное устройство поможет определить объем помещения;
   2. дальномер оснащен возможностью хранения полученных данных во внутренней памяти. Их можно использовать для проведения расчетов;

1. прибор позволяет измерять расстояние на удаленных расстояниях при чьей-либо помощи, кстати, замеры можно выполнять и на закрытых и на открытых площадках, в разных погодных условиях.

Особенности

При работе с лазерным дальномером целесообразно учитывать некоторые особенности работы с этим устройством.

Дальномеры имеют возможность выполнять измерения на разных расстояниях и с определенной погрешностью. Так, предельное расстояние может лежать в диапазоне от 60 до 200 метров, при погрешности в 5 см. Эти данные указываются в паспорте на изделие. Большая часть моделей дальномеров работает в пределах от – 10 до + 50 градусов.

При эксплуатации прибора на улице, необходимо помнить о том, что не последнюю роль играют погодные условия. Эффективность работы может быть снижена как в плохую, так и в солнечную погоду.

Ключевые особенности

При выполнении замеров необходимо устранить препятствия, которые могут возникнуть между прибором и объектом, это, может быть, листва, стекло и пр.

Практика использования лазерных приборов измерения привела к появлению определенных правил работы. Например, результат измерений будет искажен, если луч будет направлен на поверхность с высокой отражающей поверхностью (зеркало, фольга). Результат будет не совсем верный, если луч будет направлен на объект с низкой отражательной способностью (толь).

Для получения предельно точных результатов используют специальное приспособление ,обладающее отражательной поверхностью.

Во время эксплуатации необходимо постоянно следить за состоянием аккумуляторов или батареек. Слабые источники тока также отрицательно влияют результаты измерений.

При проведении измерений целесообразно использовать штатив. В таком случае точность замера будет повышена.

Порядок работы с лазерной рулеткой

Использование лазерного дальномера на практике это довольно простая задача. Для выполнения измерения достаточно установить его в исходную точку, направить на объект, до которого необходимо выполнить замер и активировать прибор. При этом надо помнить то, что для повышения точности целесообразно использовать штатив, особенно это актуально при измерении больших величин.

Порядок работы с лазерной рулеткой

То есть, проводить выполнения замеров, может, даже один человек без привлечения, помощников.

Правила пользования

При работе с такими устройствами необходимо соблюдать определенные правила. Так, категорически недопустимо направлять лазерный луч в сторону человека. Его попадание в глаза может привести к непоправимым последствиям, вплоть до потери зрения.

Проведение измерений при ярком солнце может быть затруднено из-за сложностей с видимостью лазерного маркера. В таком случае необходимо использовать специальные очки, через которые сразу будет его видно.

Лазерная съемка на местности

Во время выполнения измерения на улице, особенно на большие расстояния, необходимо применять пластину, которую называют визир.

Устройство компактного лазерного строительного дальномера

Несмотря на внешнюю простоту, лазерная линейка – это сложный инженерный прибор. Устройство лазерного дальномера состоит из следующих узлов:

Схема работы лазерного дальномера

1. Излучатель – он генерирует луч и отправляет его в нужную точку.
2. Отражатель – он необходим для приема, отраженного от объекта луча.
3. Микропроцессор, для выполнения необходимых расчетов.
4. Предустановленная программа необходимая для обработки полученных при замерах данных.
5. Прицел, позволяющий направить луч в необходимое место.
6. Уровень, с помощью которого прибор можно строго выставить в горизонтальной или вертикальной плоскости.

Дополнительные функции

Применяемая в составе лазерных дальномеров микроэлектроника позволяет не только выполнять прямые замеры. Многие устройства подобного типа обладают некоторыми дополнительными функции, к которым можно отнести:

1. 1. Функция непрерывного измерения. При работе в обычном режиме дальномер при нажатии кнопки на пульте фиксирует результат и выводит его на монитор. Но, довольно часто, возникает необходимость в проведении постоянного измерения расстояния, например, от стены до будущей перегородки. Для этого прибор переводят в режим непрерывного измерения. В таком режиме работы, устройство с некоторой частотой самостоятельно выполняет замер и показывает их результаты на монитор. Измерение проходит в реальном режиме времени.

1. 1. Определение наибольшего и наименьшего расстояния. Эта функция полезна при определении диагонали в комнате. Дело в том, что выполнить ее замер не так и просто при направлении лазерного луча можно промахнуться и в результате будут получены неточные результаты. После установки на приборе минимального расстояния, он будет фиксировать только те замеры, которые больше установленной.

Лазерные дальномеры для работы в помещениях или на небольших дистанциях

Все дальномеры, можно условно разделить на две большие группы. Одни применяют для внутренних работы, другие для внешних. Диапазон измерений, дальномеров, которые предназначены для внутренних измерений как правило, не превышает 100 метров.

Лазерный дальномер для работы в помещениях

Для таких работ могут быть использованы дальномеры, которые используют оба принципа действия.

Лазерные дальномеры для работы на местности

Лазерные дальномеры, которые применяют для работы на улице, позволяют показать результат при работе на 300 и более метров.

Лазерные дальномеры для работы на местности

Они оснащаются необходимыми приспособлениями, позволяющими выполнять измерения на таком расстоянии.

На что смотреть при выборе лазерного дальномера

На рынке представлено множество моделей лазерных дальномеров и зачастую потребитель может просто запутаться в обилии предложении. Поэтому потребитель, делая выбор лазерного дальномера, может руководствоваться определенными критериями, среди которых есть такие:

1. 1. Для работ внутри помещения достаточно прибора, который может выполнять замеры углов, и иметь функции, например, расчет периметра. Рулетки этого класса имеют небольшой диапазон измерений примерно в пределах 100 метров.
   2. Для работ на открытых пространствах применяют более дорогие модели. Они оснащены большим набором функций, в частности, может выполнять замер минимального и максимального измерения. Кроме того, их оснащают визирами, средствами подключения к компьютеру.

1. 1. Для работ на улице должны использоваться приборы, выполненные в защищенных корпусах и иметь кейсы, предназначенные для транспортировки.
   2. Разумеется, не последнюю роль играет стоимость изделия. Так, устройства, предназначенные для работы внутри помещений, стоит несколько дешевле, чем те, которые предназначены для работ на открытых пространствах.

1. Конечно, нельзя обойти вопрос, а какая компания произвела продукцию. Стабильным спросом пользуются приборы, произведенные в компании Makita, Bosch, Hilti и некоторых других. Кстати, при покупке такого прибора, целесообразно уточнить наличие документов, подтверждающих качество и безопасность этих устройств. Дело в том, что популярность таких приборов, привела к тому, что на рынке существует большое количество приборов низкого качества изготовления.

Принцип работы цифрового дальномера и его особенности

Дальномеры — это приборы для установления расстояния между объектами. Приборы применяются геодезистами и повышения резкости фотографий, а также в системах бомбометания и прицельных приспособлениях. Принцип работы заключается в измерении времени, затрачиваемого сигналом на прохождение расстояния до определённого объекта и в обратную сторону. Скорость, с которой распространяется сигнал, в частности звук или свет, известна по умолчанию. Есть пассивные дальномеры, которые работают по принципу вычисления высоты равнобедренных треугольников, которые противолежат острым углам. Исследователь имеет одну постоянную величину и переменную, которую надо измерить.

Принцип работы лазерных дальномеров

Наиболее распространены цифровые лазерные дальномеры с разным уровнем мощности. Дальность действия прибора определяется яркостью излучателя и может варьироваться в пределах 20 – 150 метров. Устройство может измерять расстояние до конкретных точек, от которых отражается тончайший лазерный пучок. Это особенно актуально при получении детальной информации о расстоянии до объектов с рельефной поверхностью, таких как скалы. Есть более мощные приборы, способные измерять расстояние на несколько сотен метров, которые надо обязательно закреплять на штатив, поскольку малейшая дрожь рук приведёт к увеличению погрешности и получению неточных данных. Есть ряд факторов, также влияющих на точность проводимых измерений:

1. Потеря чувствительности при ярком солнце.
2. Увеличение погрешности во время тумана.

Принцип работы ультразвуковых приборов

Ультразвуковые дальномеры оснащаются передатчиком, испускающим импульс на частоте 40 кГц. Происходит распространение звуковых волн, которые достигая объекта, отражаются от него. Специальный приёмник улавливает отражённый сигнал, микроконтроллер определяет время задержки, которое прошло с момента отправки сигнала и до получения отражённого звука.

Внимание! Солнечный свет, а также цвет материала, из которого сделана поверхность исследуемого объекта, никак не влияют на точность показаний прибора.

Проблемы при исследовании возникают, если поверхность сделана из мягкого материала, например, шерсти, ткани.

Особенности лазерных цифровых дальномеров

Если нужно измерить расстояние в пределах 0 – 120 метров, то покупают лазерные приборы RangeLiner DAL-120C. Погрешность устройства всего 2 мм при разрешении 1 мм. Прибор оснащён лазером второго класса, мощность которого составляет 1 мВт при длине волн 635 нм. Характерно, что можно проводить измерения не только от задней, но и от передней стенки прибора. Допускается проведение разовых и серийных исследований, последние актуальны, когда речь идёт о поверхностях с разой удалённостью от точки отправления сигнала.

Особенности ультразвуковых цифровых дальномеров

Меньший диапазон измерений ультразвуковых устройств, таких как RangeLiner RMU-20, способных определить расстояние в диапазоне 3 – 18 метров при погрешности 0.5% с разрешением 5 мм. Характерная особенность устройства заключается в возможности измерять высоту кабельных линий с шестью проводами одновременно. Аппарат работает с британской и метрической системой. Функционал позволяет в автоматическом режиме компенсировать температуру для повышения точности измерений. Предусмотрен механизм энергосбережения, заключающийся в автоматическом отключении устройства в случае двухминутного бездействия. Предусмотрена подсветка дисплея, упрощающая считывание результата в условиях недостаточной видимости. Управление осуществляется клавиатурой, позволяющей задавать нужные параметры для проведения исследований.

Применяя дальномеры всех типов, надо следовать ряду рекомендаций:

• исключить факторы, которые негативно влияют на точность работы устройства;
• выполнить калибровку аппарата после длительного простоя;
• предотвратить возникновение вибраций при проведении исследований.

Правильный выбор и учёт всех особенностей прибора позволит оперативно проводить нужные измерения и получать данные с минимальными отклонениями.

Лазерная рулетка: принцип работы, устройство, возможности, выбор

Читайте в этой публикации:
Лазерная рулетка: устройство и принцип работы
Как выбрать лазерную рулетку: возможности решают все
Как выбрать лазерный дальномер: на что обратить внимание

Семь раз отмерь – один отрежь. Так гласит народная мудрость, позволяющая выполнять работы по изготовлению чего-либо точно и без погрешностей. Именно для этого и был создан такой измерительный инструмент, как рулетка – за время своего существования она претерпела ряд значительных изменений. В старину она представляла собой обычную палку-мерялку, в век механики она приобрела вид скрученной ленты, а в наш век электроники она представляет собой небольшой приборчик, работающий по принципу отражения сфокусированного светового потока (лазерного луча). Лазерная рулетка отличается высокой точностью и широкими возможностями, о которых пойдет разговор в данной статье. Вместе с сайтом stroisovety.org мы разберемся с устройством и принципом работы данного измерительного инструмента, изучим его возможности и критерии выбора.

Как выбрать лазерную рулетку фото

Лазерная рулетка: устройство и принцип работы

Принцип работы лазерного дальномера (рулетки) довольно простой и основан он на способности твердых тел отражать сигналы различного типа – практически так же работает и масса других подобных приборов. Например, эхолот или металлоискатель – разница между ними заключается только в типе используемого излучения. В случае с дальномером используется сконцентрированный световой поток, именуемый лазерным лучом. Специальный излучатель рулетки выпускает луч, который отражается от твердого тела и возвращается назад – отражение улавливает приемник и на основе задержки во времени между выпущенным и принятым сигналом рассчитывается расстояние. Погрешность при этом, в зависимости от расстояния до цели, может составлять максимум 1мм.

Как устроена такая рулетка? Стандартно она представляет собой набор следующих компонентов.

1. Корпус. В большинстве случаев пластиковый, с противоскользящими и противоударными вставками. Как правило, защищает само устройство от проникновения пыли и влаги.
2. Лазерный излучатель – в серьезных профессиональных инструментах дополняется оптикой с защитой от запотевания.
3. Приемник (он же оптический фильтр). Служит для приема отраженного сигнала. Также оборудуется защищающей от запотевания оптикой.
4. Преобразователь сигнала. Конвертирует световой сигнал в цифровой сигнал.
5. Дисплей для вывода данных измерения. Как правило, черно-белый, жидкокристаллический.
6. Блок управления – рабочая плата, запрограммированная в особый режим работы. Именно она отвечает за все расчеты и вообще полностью за адекватную работу лазерного дальномера.

   Лазерные дальномеры рулетки фото

Кроме всего прочего, строительный лазерный дальномер укомплектовывается и различными вспомогательными приспособлениями – например, профессиональные модели измерителя комплектуются оптическим прицелом, без которого не обойтись в процессе измерений на большие расстояния. К слову говоря, профессиональные модели лазерной рулетки могут работать на расстоянии до 250м – зрительно (без оптики) правильно определить наводку луча человек физически не в состоянии. Также зачастую применяется штатив, различные пузырьковые уровни и многое другое. В общем, по итогу профессиональное оборудование данного типа может представлять собой полноценный измерительный комплекс.

Как выбрать лазерную рулетку: возможности решают все

Современная измерительная лазерная рулетка может многое, но самое важное из того, что она может делать, это производить точные измерения на определенном расстоянии. Именно на определенном, так как у каждого инструмента имеется свой предел – так называемая дальнобойность. В зависимости от нее, рулетки данного типа разделяются на бытовые и профессиональные – первые способны производить измерения на расстояниях максимум до 60мм, а дальнобойность вторых достигает 250м. Мало того, и тот и другой класс лазерных измерителей расстояний имеет свои ограничения – рулетки производятся с определенной дальностью. Самая «короткая» из них работает на расстоянии до 18м. Дальше они могут иметь различия в дальнобойности с шагом в 10м – чем больше у рулетки этот показатель, тем ее стоимость выше.

Это не единственная возможность инструмента данного типа. Кроме этого, электронная лазерная рулетка может делать и следующие вещи.

1. Сохранять в памяти сделанные измерения и посредством средств коммуникации передавать их на компьютер – в большинстве случаев здесь используется проводное соединение.
2. Производить расчеты площади, объема и даже периметра – складывать их или вычислять разницу. В большинстве случаев касательно строительства именно к этому и сводятся все производимые измерения.
3. Производить косвенные вычисления, используя теорему Пифагора. Довольно важная функция в процессе измерений объектов, к которым нет прямого доступа. К примеру, стоя перед зданием и направляя луч рулетки в его стену, измеритель достаточно легко, а главное с высокой точностью, может определить его высоту.
4. Вычисление диагоналей – функция именуется «Поиск максимального расстояния». А измерение диагоналей – это лишь ее приятное приложение.
5. Серьезные дальномеры могут оборудоваться даже автоматическим режимом работы, при котором замерщику приходится только ходить и устанавливать специальные мишени в необходимых местах.

   Лазерная рулетка фото

Как ни странно, это еще далеко не все возможности современных лазерных дальномеров – по большому счету, они могут быть дополнены любыми вычислительными программами, которые в быту и в некоторых сферах строительства могут оказаться лишними. Именно по этой причине и существует стандартная комплектация, включающая в себя описанные выше возможности инструмента. Следует понимать, что чем больше возможностей имеет лазерная строительная рулетка, тем больше денег придется выложить за инструмент.

Как выбрать лазерный дальномер: на что обратить внимание

По большому счету, критериев выбора лазерной рулетки не так уж и много – как говорится, их можно сосчитать на пальцах одной руки.

1. Необходимая дальнобойность. Переплачивать деньги и приобретать рулетку с максимальной дальностью инструментов смысла нет никакого. Если инструмент приобретается для бытового использования дома, то можно останавливать выбор на минимальной дальности. Также измерения на большие расстояния не производятся и в процессе выполнения квартирного ремонта – здесь, конечно, можно взять небольшой запас в пределах десяти-двадцати метров максимум.
2. Точность измерений. Она зависит от двух факторов – от заводских установок и качества самой рулетки. К примеру, китайская продукция данного типа стоимостью до 20$ не то что точно измерять не умеет, а противоречит сама себе – одно и то же расстояние при каждом измерении показывает разным. Здесь следует быть очень осторожным при выборе.
3. Функционал. Выбор здесь большой, и человеку придется определиться с самыми важными вещами – как и говорилось выше, наличие определенной функции в инструменте влечет за собой повышение его стоимости. Для бытовых нужд и в процессе ремонта квартир и домов вполне нормально обходиться базовыми комплектациями (это измерение и вычисление площади, периметра и объема).

   Электронная лазерная рулетка фото

Это что касается основных моментов выбора, кроме которых существуют и другие, так сказать, не менее важные. К примеру, если планируете часто пользоваться измерителем, то не лишним будет обратить свое внимание на эргономичный дизайн дальномера – как минимум он должен быть удобным в эксплуатации. Если измерения производятся на строительных объектах, то наличие мягкого резинового буфера лишним не окажется – защищенная от ударов при падении рулетка прослужит намного дольше. Естественно, производитель, от которого в полной мере зависит качество продукции – лучше отдать предпочтение дальномеру от известного производителя. Особенно если вы приобретаете его для ежедневного использования.

И в заключение темы о том, как выбирается лазерная рулетка, скажу несколько слов по поводу дополнительной комплектации – в некоторых ситуациях без нее не обойтись. Речь идет как минимум о штативе с возможностью установки площадки в уровень горизонта – на больших расстояниях отклонение от мишени даже на десяток сантиметров влечет за собой большую погрешность. Также на точность измерений оказывает влияние и дрожание руки. В общем, до 60 метров вполне реально обойтись без штатива, а вот при измерениях на большие расстояния он нужен обязательно.

Автор статьи Александр Куликов

Принципы измерения расстояний лазерными (квантовыми) дальномерами

Принципы измерения расстояний лазерными (квантовыми) дальномерами

Научная библиотека 24.04.2018 , by Press

С.В. Смолич, А.Г. Верхотуров. // ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДЕЗИЯ. 2009

Лазерные дальномеры (лазерные рулетки) — современные электронно-оптические приборы, используемые для определения дальности до любого предмета на местности. Погрешность измерений зависит от конструкции прибора и может колебаться от метра до одного миллиметра.

В зависимости от модели прибора, дальномеры могут производить вычисления объемов и площадей помещений, а так же иметь различный набор сервисных функций.
Принцип работы большинства лазерных дальномеров основан на измерении разности фаз отраженного от предмета, до которого измеряется расстояние, лазерного импульса и излученного

Метод измерения разности фаз работает по принципу наложения на несущую частоту модулированного сигнала. Прибор измеряет постоянное смещение фазы, несмотря на неизбежные изменения в излучаемом и принимаемом сигнале. В результате сравнения фаз опорного и получаемого сигнала определяется только величина сдвига фазы, а целое число циклов остается неизвестным и не позволяет сразу получить расстояние. Эта неоднозначность разрешается путем многократных измерений модуляции волны, в результате чего определяется уникальное целое число циклов. Как только целое число циклов определено, то расстояние до цели может быть вычислено очень точно.

Для вычисления расстояний в импульсном методе определяется точное время прохождения импульса до цели и обратно. Импульсный лазер генерирует множество коротких импульсов в инфракрасной области спектра, которые направляются через зрительную трубу к цели. Эти импульсы отражаются от цели и возвращаются к инструменту, где при помощи электроники определяется точное время прохождения каждого импульса. Скорость прохождения света сквозь среду может быть точно определена. Поэтому, зная время прохождения, можно вычислить расстояние между целью и инструментом. Каждый импульс — это однократное измерение расстояния, но поскольку каждую секунду могут быть посланы тысячи таких импульсов, то с помощью усреднения результатов достаточно быстро достигается высокая точность измерений. На рис. 3.7. показано распределение измерений с помощью импульсного дальномера.

В ходе измерения делается около 20 000 лазерных импульсов в секунду. Затем они усредняются для получения более точного значения расстояния.

Точность обычных импульсных дальномеров обычно несколько ниже, чем у фазовых (до 10 мм).
Лазерная рулетка — это компактный прибор. Он прост в использовании; имеет противоударный, пыле- и влагозащитный корпус для работы в любых условиях. Лазерные дальномеры помогают производить замеры в неудобных местах и из углов помещений. Прибор может оснащаться большим количеством дополнительных аксессуаров и принадлежностей, таких как алюминиевые штативы, отражатели, интерфейсные кабели, оптические визиры и т.д.

Максимальная дальность определения расстояния индивидуальна для каждой модели лазерного дальномера.
Лазерный дальномер часто называют лазерной рулеткой, потому что он заменил традиционную рулетку во многих отраслях бизнеса и производства. Вычисление площади и объема, сложение и вычитание — эти функции лазерного инструмента стали привычными. Более совершенные модели оснащены такими функциями, как замер угла наклона, вертикального, горизонтального или наклонного расстояния и т.п. Лазерная линейка, измеритель лазерный, измеритель расстояния и дальности — это все синонимы, которые часто используют люди для описания функций лазерного дальномера. Законодателем мод в этом сегменте много лет является швейцарская компания Leica Geosystems, которая выпускает дальномеры как под своим именем, так и для известнейших торговых марок.

Лазерные дальномеры имеют дальность действия, которая в большей мере зависит от окружающего освещения и отражающей способности визируемой поверхности. Измерения в помещениях обычно не вызывает проблем. Труднее под открытым небом: при слепящем солнечном свете крошечную лазерную точку трудно рассмотреть обычно уже на расстоянии 10 м. Повышают распознаваемость красные очки, улучшающие видимость лазерного луча. С другой стороны, отраженный сигнал может быть настолько слабым, что его уже нельзя будет обработать с нужной степенью точности. В этом случае вместо результата измерений лазерные дальномеры выдают сигнал ошибки.

При измерении больших расстояний до 500 м в яркий солнечный день лучше применять импульсные дальномеры с инфракрасным излучателем. Они обычно снабжены оптическими визирами, т.к. излучаемые ими импульсы находятся в невидимой для человеческого глаза части спектра. Однако точность измерения такими дальномерами существенно ниже и составляет 0,1 -0,5 м. На рис. 3.8. представлен дальномер, снабженный двумя лазерными излучателями и использующий оба способа измерения расстояний — импульсный и фазовый.

Источник: https://texts.news/geodeziya_1561/printsipyi-izmereniya-rasstoyaniy-lazernyimi-67987.html

Поделиться ссылкой:

• Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
• Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)

Похожие записи

« Предыдущая статья Лазеры и гель на водной основе обеспечат алтарю из Римини светлое будущее

Следующая статья » Лазерные ловушки сталкивают атомы натрия и цезия между собой

Ошибки и поверка лазерного дальномера

Главная » Статьи и полезные материалы » Бинокли, зрительные трубы и дальномеры » Статьи о биноклях и зрительных трубах » Принцип работы лазерного дальномера

Все лазерные дальномеры работают по одной схеме. Внутри прибора расположен излучатель, который по нажатию кнопки испускает лазерный луч. Этот луч преодолевает расстояние до объекта, отражается от него и возвращается обратно во встроенный приемник дальномера. Прибор фиксирует время, которое понадобилось лучу на возвращение, и по специальной формуле высчитывает расстояние. Таков принцип работы любого лазерного дальномера.

В зависимости от модели можно проводить измерения на разном удалении от объекта. Например, дальность действия простой лазерной рулетки обычно не превышает 50 метров, а профессиональный дальномер для охоты может эффективно работать и на расстоянии свыше 1000 метров. Погрешность лазерного дальномера тоже во многом зависит от расстояния и класса прибора. Чем расстояние больше, тем погрешность выше. На малых же расстояниях погрешность может быть крайне малой.

Но если погрешность – это нормированная величина, которая указана в технических характеристиках, то ошибки лазерного дальномера – уже отдельная история, которую нельзя игнорировать. Если прибор стал показывать значения вне допустимой погрешности или выполнять неправильные расчеты по формулам, стоит его поверить. И желательно это делать не самостоятельно, а в сертифицированном метрологическом центре.

Поверка лазерного дальномера позволит уточнить рабочие характеристики прибора и покажет, можно ли продолжать его использовать или следует провести ремонт. Если дальномер не подлежит ремонту, приобрести новый можно в нашем интернет-магазине в этом разделе.

4glaza.ru
Октябрь 2020

Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru.

Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.

---

Смотрите также

Другие статьи о биноклях, монокулярах и зрительных трубах:

• Обзор бинокля Levenhuk Sherman 10×50 в блоге masterok.livejournal.com
• Обзор зрительной трубы Levenhuk Blaze 70 PLUS на сайте prophotos.ru
• Видео! Монокуляр Bresser Topas 10×25: видеообзор серии компактных монокуляров (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Видеообзор монокуляра ночного видения Bresser National Geographic 5×50 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Видеообзор биноклей Levenhuk: Karma PLUS 8×25, Karma PLUS 10×25, Sherman PRO 10×42 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Как выбрать бинокль: практические советы для охотника, рыболова и туриста (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Видеообзор водозащищенного бинокля Levenhuk Karma PRO 10×50 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Бинокль Levenhuk Atom 10–30×50: видеообзор и сравнение с Veber Omega БПЦ 8–20×50 WP (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Бинокль для кладоискателя: сравнение Levenhuk Atom 7×35, Levenhuk Karma PLUS 8×32 и Bresser Travel 8×22 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Бинокли для охоты: сравнение Levenhuk Atom 10×50 с БПЦ2 12х45 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Бинокли Bresser Travel 10×32 и Levenhuk Atom 7×50: сравнение двух моделей (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Как выбрать бинокль: советы и решения (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Обзор монокуляра Levenhuk Wise PLUS 10×42 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Обзор бинокля Bresser Hunter 8×40 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Обзор яркой серии биноклей Levenhuk Rainbow 8×25 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
• Видео! Монокуляры Levenhuk Wise PLUS: видеообзор серии монокуляров (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
• Видео! Видеообзор Дмитрия Пучкова на сайте oper.ru: «В цепких лапах 80: бинокль Levenhuk Vegas 8×32» (на сайте Oper.ru)
• Видео! Что такое зрительная труба и как ее изобрели (канал GetAClassRus, Youtube.ru)
• Театральные бинокли: история появления и современные технологии
• Обзор биноклей Levenhuk серии Energy PLUS
• Приятное с Полезным. Тест биноклей Nikon Action 12х50 CF и Nikon Action 10-22х50 CF
• Лазерный меч твоей винтовки
• Дальномер вам в помощь!
• Бинокль для понедельника. Бинокли Nikon со стабилизацией изображения StabilEyes 14×40 / 12×32 / 16×32
• Ваша светлость. Охотничьи бинокли Никон
• Почувствуй себя микадо, почувствуй себя императором
• Лазерный дальномер Nikon LRF 1000A S
• Ваша светлость. Бинокли и дальномеры Nikon
• Зрительная труба Nikon Fieldscope ED 82 WP с окуляром 75X82 WIDE DS
• Как выбрать бинокль
• Как ухаживать за биноклем
• Как работает бинокль
• Типы биноклей
• Выбираем футляр для бинокля
• Как сделать бинокль своими руками
• Бинокли Второй мировой войны
• Бинокль с тепловизором
• Адаптер для бинокля: на штативе смотреть удобнее!
• Можно ли брать бинокль на стадион?
• Гражданские и военные бинокли СССР
• Бинокли Сваровски: цены, особенности, репутация
• Сравнение биноклей: изучаем рейтинги или оцениваем самостоятельно?
• Расшифровка цифр на бинокле
• Характеристики биноклей: как выбрать идеальный оптический прибор
• Походный бинокль: какой лучше для охоты, путешествий и прогулок?
• Отечественные бинокли: Россия и производство оптической техники
• Фокус бинокля: как настроить правильно?
• Японские бинокли: отзывы, цены, особенности
• Юстировка бинокля своими руками
• Цифровой бинокль-фотоаппарат: купить или не купить?
• Наглазники для бинокля: купить с выдвижными или со складывающимися?
• Что такое инфракрасный бинокль?
• Тактический бинокль – стоит ли его покупать?
• Бинокли белорусского производства
• Бинокль: схема устройства
• Бинокли со стабилизацией изображения: цена и особенности
• Бинокль переменной кратности: купить или нет?
• Бинокль с лазерным дальномером
• Самый дальнобойный бинокль, который выпускали в СССР
• Как выбрать профессиональный бинокль
• Лучшие бинокли мира
• Бинокль с камерой
• Бинокль с автофокусом: купить или нет?
• Мощный бинокль с зумом
• Что делать, если бинокль двоит?
• Как сделать бинокль из бумаги
• Что такое призматический бинокль?
• Зачем нужна призма Аббе?
• На что влияет диаметр выходного зрачка в бинокле?
• Просветление объективов оптических систем
• Цифры на бинокле – зачем нужны и о чем говорят
• Окулярная насадка «Турист»
• Бинокль призменный: Yukon и другие
• Бинокль «Фотон-7»
• Зрительная труба Галилея: принцип действия
• Диаметр входного зрачка
• Лучшие светосильные объективы
• Где найти обзоры биноклей Veber?
• Где найти обзоры зрительной трубы Veber?
• Знакомьтесь – зрительная труба Veber MAK1000х90!
• История создания бинокля
• Способы определения дальности до цели
• Определение расстояний биноклем
• Рубиновое покрытие
• Поле зрения биноклей
• Какие выбрать стекла бинокля
• Чем занять детей дома?
• Чем заняться на карантине дома?
• Чем заняться школьникам на карантине?
• Обзор зрительных труб: как выбрать?
• О чем говорят характеристики зрительной трубы?
• Какие бывают объективы зрительных труб?
• Бинокль с ночным видением и дальномером: цена и возможности
• Бинокль ночного видения своими руками
• Военные бинокли ночного видения
• Что такое глобус политический с подсветкой?
• Какой глобус купить ребенку – физический или политический?
• Кто изобрел подзорную трубу?
• Все об интерактивном глобусе Oregon Scientific SG18
• Зачем нужен датчик лазерного дальномера?
• Прибор ночного видения: отзывы владельцев
• Прибор ночного видения: характеристики и возможности
• Как проводить измерения лазерным дальномером?
• Как включить прибор ночного видения?
• Как сделать очки ночного видения?
• Основное о выборе монокуляра
• Как пользоваться лазерным дальномером?
• Как работает тепловизор?
• Делаем домашний планетарий своими руками
• Какой купить металлоискатель для поиска монет?
• Какой фонарик лучше купить?
• Встроенный автомобильный GPS-навигатор
• Выбираем фонарик для охоты, рыбалки и похода
• Самый мощный монокуляр: увеличение
• Тепловизионный монокуляр для охоты
• Монокуляры с большой кратностью
• Обзор лучших монокуляров
• Хороший недорогой монокуляр
• Как выбрать призменный монокуляр
• Монокуляр с дальномером для охоты
• Очки ночного видения для охоты
• Очки ночного видения для детей
• Инфракрасные очки ночного видения
• Лазерный дальномер: описание прибора
• Делаем лазерный дальномер своими руками
• Принцип работы лазерного дальномера
• Существует ли рейтинг GPS-навигаторов?
• Где посмотреть рейтинг лазерных дальномеров?
• Рейтинг монокуляров: как правильно подготовиться к покупке прибора
• Устройство прибора ночного видения
• Цифровой GPS-компас: купить или не нужно?
• Что лучше – бинокль или монокуляр?

Принципы измерения, используемые лазерными датчиками и сканерами

---

МЕТОДЫ ВКЛЮЧАЮТ ТРИАНГУЛЯЦИЮ И ВРЕМЯ ПОЛЕТА

Метод, используемый для измерения расстояния, зависит от точности и дальности, необходимых для устройства. Принципы измерения включают триангуляцию, времяпролетные измерения, времяпролетные системы импульсного типа и системы с модулированным лучом.

Для расстояний в несколько дюймов с высокими требованиями к точности «триангуляционные» датчики измеряют местоположение пятна в поле зрения детектирующего элемента. Датчики времени полета определяют диапазон времени, за которое свет проходит от датчика к цели и возвращается. Для измерения очень больших расстояний (до многих миль) используются «времяпролетные» лазерные дальномеры с использованием импульсных лазерных лучей. Системы с модулированным лучом используют время, необходимое свету, чтобы добраться до цели и обратно, но время одного прохода туда и обратно не измеряется напрямую. Вместо этого мощность лазера быстро меняется, чтобы генерировать сигнал, который меняется со временем.

лазерный триангуляционный датчик и ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ТРИАНГУЛЯЦИИ

Одним из методов точного измерения расстояния до целей является использование лазерного триангуляционного датчика. Они названы так потому, что корпус датчика, излучаемый лазер и отраженный лазерный свет образуют треугольник.

Лазерный луч излучается инструментом и отражается от поверхности цели к собирающей линзе. Эта линза обычно расположена рядом с лазерным излучателем.Объектив фокусирует изображение пятна на камере с линейной матрицей (матрица CMOS). Камера просматривает диапазон измерения под углом, который варьируется от 45 до 65 градусов в центре диапазона измерения, в зависимости от конкретной модели. Затем положение изображения пятна на пикселях камеры обрабатывается для определения расстояния до цели. Камера интегрирует падающий на нее свет, поэтому более длительное время выдержки обеспечивает большую чувствительность к слабым отражениям. Луч просматривается с одной стороны, так что видимое местоположение пятна меняется в зависимости от расстояния до цели.

Один из наших триангуляционных датчиков перемещения запатентован, и многое можно узнать, прочитав патент (USPTO 6 624 899).

Триангуляционные устройства идеально подходят для измерения расстояний в несколько дюймов с высокой точностью. Устройства триангуляции могут быть построены в любом масштабе, но точность быстро падает с увеличением дальности. Глубина резкости (от минимального до максимального измеряемого расстояния) обычно ограничена, поскольку триангуляционные датчики не могут измерять относительно своей базовой линии расстояние между излучателем и детектором.

Уровень экспозиции и мощности лазера обычно регулируется для оптимизации точности измерений силы сигнала и уровня внешней освещенности. Данные диапазона могут быть внутренне усреднены по множественным воздействиям перед передачей, если частота дискретизации установлена ​​надлежащим образом.

Для получения дополнительной информации посетите нашу страницу о лазерных триангуляционных датчиках , а для получения дополнительных сведений о триангуляции вы можете узнать больше о триангуляции на FierceElectronics.com.

ВРЕМЯ ПОЛЕТА

Системы с модулированным лучом также используют время, необходимое свету, чтобы добраться до цели и обратно, но время одного полета туда и обратно напрямую не измеряется. Вместо этого мощность лазера быстро меняется, чтобы генерировать сигнал, который меняется со временем. Временная задержка косвенно измеряется путем сравнения сигнала от лазера с задержанным сигналом, возвращающимся от цели. Одним из распространенных примеров этого подхода является «измерение фазы», ​​при котором выходной сигнал лазера обычно синусоидален, а фаза исходящего сигнала сравнивается с фазой отраженного света.

Точность измерения фазы ограничена частотой модуляции и способностью определять разность фаз между сигналами. Некоторые дальномеры с модулированным лучом работают по принципу преобразования диапазона в частоту, что дает несколько преимуществ по сравнению с измерением фазы. В этих случаях лазерный свет, отраженный от цели, собирается линзой и фокусируется на фотодиоде внутри прибора. Результирующий сигнал усиливается до ограниченного уровня, инвертируется и используется непосредственно для модуляции лазерного диода.Свет от лазера коллимируется и излучается из центра передней поверхности датчика. Эта конфигурация образует осциллятор, в котором лазер сам включается и выключается по собственному сигналу. Время, которое требуется свету, чтобы добраться до цели и вернуться, плюс время, необходимое для усиления сигнала, определяет период колебаний или скорость, с которой лазер включается и выключается. Затем этот сигнал делится и синхронизируется внутренними часами для измерения дальности. Измерение в некоторой степени нелинейно и зависит от мощности сигнала и температуры, поэтому для устранения этих эффектов в датчике можно выполнить процесс калибровки.

Датчики с модулированным лучом обычно используются в приложениях средней дальности, для расстояний от нескольких дюймов до нескольких десятков футов от не взаимодействующих целей. При использовании совместных целей, таких как отражатели, дальность действия может быть увеличена до нескольких сотен или тысяч футов.

Узнайте больше о патенте Acuity на приборы для измерения времени полета с модулированным лучом, прочитав патент США 5,309,212.

CONFOCAL CHROMATIC

Самый точный и надежный датчик расстояния Acuity использует уникальный принцип измерения — конфокальное хроматическое зондирование.В отличие от наших датчиков времени пролета и триангуляции, которые используют лазеры, конфокальные датчики CCS Prima используют источник белого света для точного измерения расстояния до поверхностей. Некоторые модели имеют точность до 20 нанометров. Кроме того, эта технология позволяет измерять и профилировать прозрачные материалы, такие как стекло, линзы, жидкости и т. Д.

Суть нашего принципа конфокальной хроматической визуализации заключается в точном обнаружении цветов света, который отражается от поверхностей цели.Белый свет фокусируется на поверхность цели с помощью многолинзовой оптической системы. Эти линзы рассеивают свет на монохроматические ступени (цвета) вдоль оси измерения. Определенное расстояние до цели назначается длине волны каждого цвета при заводской калибровке. Для измерения используется только длина волны, точно сфокусированная на цели. Этот свет, отраженный от поверхности цели, передается от зонда через конфокальную апертуру на спектрометр, который обнаруживает и обрабатывает спектральные изменения и вычисляет расстояния.Эти измерения расстояния передаются с высокой скоростью по протоколу связи Ethernet.

Конфокальный датчик

Как работает лазерный дальномер? Краткое объяснение (с иллюстрациями)

Последнее обновление 16 февраля 2021 г.

Есть много инструментов, которые мы используем и считаем само собой разумеющимся тот факт, что они работают, не задумываясь о , как они работают. Хотя это нормально для большинства инструментов, некоторые инструменты, такие как лазерный дальномер, будут работать лучше, если вы поймете, как они работают.

На первый взгляд все просто; наведите дальномер на цель и выполните измерение. Но как это чтение попадает на ваш экран? Если вы понимаете, как дальномеры производят свои измерения, вы можете начать выяснять, почему разные модели могут давать разные показания в определенных ситуациях.

Но когда вы делаете важный удар в гольфе или собираетесь отступить и позволить стреле лететь с большой выгодой, вам не нужны расхождения в ваших измерениях.Знание того, как работает ваш дальномер, может гарантировать, что вы выберете правильный дальномер для вашего использования и настроите его так, чтобы он давал вам необходимую информацию.

Как работает лазерный дальномер: основы

Основы лазерного дальномера просты. Сначала дальномер испускает лазерный луч. Этот лазерный луч попадает на поверхность, на которую направлен дальномер, и отражается обратно в дальномер. Внутри устройства датчик приемника обнаруживает луч, а сверхскоростные часы измеряют, сколько времени потребовалось для отражения лазерного луча.

Лазерный луч движется со скоростью света. Программное обеспечение дальномера умножит скорость лазерного луча на время, необходимое для отражения от поверхности, чтобы вычислить расстояние до поверхности цели.

Теоретически все довольно просто. Но чем ближе вы смотрите, все становится сложнее.

Оптика

Когда мы начинаем обсуждение лазерных дальномеров, имеет смысл начать с оптики. Они не измеряют, но по-прежнему важны для процесса.Если вы не можете найти цель, вы не можете ее измерить, а хорошая оптика — это то, что позволяет вам найти цель.

Оптика дальномера будет иметь установленный уровень увеличения, чаще всего от 5x до 10x. Более высокое увеличение обычно позволяет увидеть более детальное изображение, и вы можете пропустить некоторые вещи с более низким уровнем увеличения.

Когда цель окажется в поле зрения и отцентрируется на дальномере, пора провести измерение. Нажмите кнопку, и дальномер направит лазерный луч на вашу цель, начав процесс измерения.

Лазеры дальномерные

Лазер — это, по сути, рулетка дальномера. Он достигает поверхности и отражается обратно к датчику, поэтому программное обеспечение может определить, как далеко прошел лазер. Но есть много различий между лазерами, установленными в разных дальномерах, которые могут существенно повлиять на работу каждого устройства.

На самом деле, ваш дальномер посылает не один лазер. На самом деле это серия лазерных лучей, позволяющая программному обеспечению выполнять несколько измерений в быстрой последовательности.Но эти лучи не просто отражаются от всего, что вас окружает. Все они заключены в луче лазера.

Изображение предоставлено: Эндрю «FastLizard4» Адамс, Flickr

Представьте, что вы измеряете расстояние до оленя в поле, но на полпути вниз по холму вы находитесь на дереве с большой веткой, закрывающей вам обзор. Лазер может частично достичь оленя, даже если он частично заблокирован веткой. Поскольку дальномер отправил несколько импульсов, он будет снимать измерения как с ветки, так и с оленя.

Что такое расходимость луча?

Пример с оленем может быть трудно представить, если вы визуализируете лазер из дальномера, похожий на лазерную указку. Лазерная указка имеет небольшой и плотный лазерный луч. Луч вашего дальномера не такой плотный и продолжает расширяться по пути к цели.

Расходимость луча — это мера того, насколько разнесен этот луч. То, что начинается всего в нескольких миллиметрах в исходной точке лазера, может оказаться областью в несколько футов в поперечнике к тому времени, когда он достигнет цели на расстоянии 1000 ярдов.При измерении такой большой площади легко увидеть, как можно измерить все виды других предметов, которые не входят в вашу цель.

Изображение предоставлено: Antrakt2, Shutterstock

К сожалению, эти другие элементы могут привести к неточным измерениям дальномером. Кисть между вами и целью, холмы на заднем плане, другие объекты в пределах видимости и даже земля позади вашей цели — все это может помешать точному измерению вашей цели.

С другой стороны, луч с малой расходимостью может быть труднее прицелиться.Это особенно актуально, когда вы держите его в руке и пытаетесь измерить цель на большом расстоянии. Тем не менее, чем плотнее луч, тем точнее будут ваши измерения.

Независимо от того, насколько велико расхождение луча, у дальномера есть проблемы, с которыми приходится иметь дело. Прямо сейчас проводится множество различных измерений. Но как он решает, какое измерение вам показать? Это сводится к тому, что, возможно, является самой важной частью любого лазерного дальномера — программным обеспечением.

ЧТЕНИЕ ПО ТЕМЕ: 5 различных применений дальномера

Программное обеспечение дальномера

Программное обеспечение, управляющее вашим дальномером, определяет, как он будет использовать информацию, собранную с помощью лазера, для измерения. После того, как все измерения были выполнены для множества отправленных лазерных лучей, дальномер отобразит эти измерения на графике, чтобы он мог видеть, где расположены кластеры измерений.

Эти кластеры будут располагаться вокруг самых больших объектов в пределах окна расходимости луча.Итак, если мы вернемся к примеру с оленем и деревом, у вас будет группа измерений вокруг ветви дерева и еще одна группа измерений на расстоянии, на котором стоит олень.

Затем программа определит, какой из этих кластеров будет представлен вам в качестве окончательного измерения.

Как программа интерпретирует данные

Существует пять основных способов, которыми программное обеспечение может интерпретировать серии измерений, выполненных с помощью лазеров.Дальномер выберет одно показание из серии измерений и выдаст его вам в качестве окончательного измерения.

Ближайший кластер

Здесь программа использует ближайший к вам кластер измерений в качестве окончательного измерения. В нашем примере с оленями и деревом это будет означать, что устройство покажет вам размер ветки дерева, а не оленя.

Ближайшие чтения

Большинство дальномеров старого образца работают с максимально близким показанием.Они возьмут самое близкое измерение и представят его вам как диапазон. Это означает, что все, что находится между вами и вашей целью, может быть ошибочно показано вам как расстояние до вашей цели.

Самый концентрированный кластер

Здесь программа будет искать самый большой кластер схожих показаний. Необязательно, чтобы все они были одного и того же измерения, но все они должны быть близки. Это требует, чтобы программное обеспечение анализировало все точки данных, а не только самые близкие.

Наиболее концентрированное чтение

Аналогичен наиболее концентрированному кластеру, но более точен. Программа выполнит единичное измерение с наиболее идентичными показаниями и представит его как окончательное расстояние.

Наибольшее значение

Противоположность ближайшему чтению. Дальномер, использующий самые дальние показания, покажет вам самое дальнее измерение в качестве окончательного показания. Это может быть полезно, когда между вами и вашей целью много разногласий.

Системы избирательного наведения

Как видите, то, как ваше программное обеспечение интерпретирует сделанные измерения, может иметь огромное значение для того, насколько точным будет ваше окончательное измерение. Каждый метод интерпретации данных может быть полезен в определенных ситуациях или практически бесполезен в других. Независимо от того, какой из них использует ваш дальномер, будут ситуации, когда он будет менее оптимальным.

Изображение предоставлено: Олимпик, Shutterstock

Но что, если бы вы могли изменить способ использования данных дальномером для каждой ситуации, в которой вы оказались? Поприветствуйте системы избирательного наведения.Это позволяет вам решить, как вы хотите, чтобы программное обеспечение вашего дальномера интерпретировало выполняемые измерения.

Это довольно новая технология, и она доступна не для всех моделей. Если вы хотите попробовать дальномер с этой полезной функцией, попробуйте дальномер Bushnell Fusion 1-Mile. Он позволяет вам выбирать между тремя различными программными режимами, которые он называет режимами автоматического сканирования, BullsEye и Brush.

Другие факторы, которые следует учитывать

Мы рассмотрели все основы работы лазерных дальномеров.Но есть и другие факторы, которые следует учитывать при выборе одного из них.

Как далеко вы планируете дальность? Если вы знаете, что собираетесь использовать его только на более близких расстояниях в 200–300 ярдов, то, возможно, вам не нужно уделять этому большое внимание. С другой стороны, если вы хотите отстреливать оленя на расстоянии 1000 ярдов, вам нужно убедиться, что у вас есть дальномер, который может точно измерять на этом расстоянии.

Что произойдет, если вы измеряете спуск с холма, а ваша цель находится не под тем же углом, что и вы? В этом случае вам потребуется компенсация диапазона углов.Это интеллектуальный алгоритм в программном обеспечении дальномера, который автоматически вычисляет разницу углов и компенсирует ее при измерении, чтобы вы могли гарантировать точные показания.

Когда лазерные лучи отражаются обратно в дальномер, все они собираются оптикой приемника, которая фокусирует их и отправляет на датчик. Размер апертуры оптики приемника определяет, сколько данных может собрать дальномер. Чем больше апертура, тем больше данных, что позволяет устройству получать более точные измерения на больших расстояниях.

В конце концов, мы бы все купили лучший товар, соответствующий нашим потребностям, если бы деньги не были решающим фактором. Но в этом мире деньги всегда играют важную роль.

Если вам нужен первоклассный дальномер без компромиссов и с невероятной точностью в любой ситуации, вы можете приобрести Vectronix Vector 23. Конечно, он обойдется вам в 24000 долларов, поэтому все, кому нужен дальномер, этого не делают. не покупаю.

Но не волнуйтесь, эта модель во много десятков раз дороже большинства приличных дальномеров.Вы можете найти приличное устройство всего за несколько сотен, но, вероятно, вы пойдете на некоторые компромиссы. Более дешевые модели часто имеют некачественные линзы, которые могут затруднить поиск цели в оптике. У них также может быть неэффективное программное обеспечение или небольшая апертура, которая не собирает много данных.

За отметку в 1000 долларов вы получите высокопроизводительный дальномер с множеством полезных функций, обеспечивающих точные измерения в большинстве ситуаций.

Наш любимый дальномер в 2021 году

Лазерный дальномер Vortex Optics Ranger 1800

• Дальномер Ranger 1800 прост в использовании, отличается чистым, освещенным дисплеем и высокой точностью…
• В основном режиме HCD отображается расстояние с угловой компенсацией, которое идеально подходит для большинства …

Заключение

Хотя все лазерные дальномеры выполняют одну и ту же базовую функцию, расхождения в том, как они проводят измерения, могут привести к совершенно разным характеристикам моделей.

Все начинается с отражения лазерных лучей от целевой поверхности, которую вы хотите измерить. Часы записывают, сколько времени потребовалось лучам, чтобы вернуться к устройству, а программное обеспечение интерпретирует данные, чтобы предоставить вам измерение.

Но качество луча и то, как программа интерпретирует данные, может означать разницу между дальностью до оленя, на которого вы нацеливаетесь, и ошибочным измерением ответвления между вами и вашей целью.

---

Заголовок и изображение предоставлено: PRESSLAB, Shutterstock

Как работают лазерные дальномеры?

Лазерный дальномер работает, измеряя время, за которое импульс лазерного света отражается от цели и возвращается отправителю.Это известно как принцип «времени полета», а метод известен как измерение «времени полета» или «пульса».

Принцип работы

Лазерный дальномер излучает лазерный импульс на цель. Затем импульс отражается от цели и возвращается к передающему устройству (в данном случае — лазерному дальномеру). Этот принцип «времени полета» основан на том факте, что лазерный свет распространяется с довольно постоянной скоростью через атмосферу Земли. Внутри счетчика простой компьютер быстро вычисляет расстояние до цели.Этот метод расчета расстояния позволяет измерить расстояние от Земли до Луны с точностью до нескольких сантиметров. Лазерные дальномеры также могут называться «дальномеры» или «лазерные дальномеры».

Расчет расстояния

Расстояние между измерителем и целью определяется как D = ct / 2, где c равно скорости света, а t равно количеству времени на обход между измерителем и целью. Учитывая высокую скорость, с которой распространяется импульс и его фокус, этот грубый расчет очень точен на расстояниях в футы или мили, но теряет точность на гораздо более близких или более дальних расстояниях.

Почему именно лазеры?

Лазеры — это сфокусированные интенсивные лучи света, обычно одной частоты. Они очень полезны для измерения расстояний, потому что они перемещаются через атмосферу с довольно постоянной скоростью и преодолевают гораздо большие расстояния, прежде чем расхождение (ослабление и распространение луча света) снижает эффективность измерителя. Лазерный свет также с меньшей вероятностью рассеивается, как белый свет, а это означает, что лазерный свет может распространяться на гораздо большее расстояние без потери интенсивности.По сравнению с обычным белым светом, лазерный импульс сохраняет большую часть своей первоначальной интенсивности при отражении от цели, что очень важно при расчете расстояния до объекта.

Рекомендации

Точность лазерного дальномера зависит от исходного импульса, возвращаемого на передающее устройство. Несмотря на то, что лазерные лучи очень узкие и имеют высокую энергию, они подвержены тем же атмосферным искажениям, которые влияют на обычный белый свет. Эти атмосферные искажения могут затруднить получение точного определения расстояния до объекта вблизи зелени или на больших расстояниях более 1 км в пустынной местности.Кроме того, разные материалы в большей или меньшей степени отражают свет. Материал, который имеет тенденцию поглощать или рассеивать свет (диффузия), снижает вероятность того, что исходный лазерный импульс может быть отражен обратно для расчета. В случаях, когда цель имеет диффузное отражение, следует использовать лазерный дальномер, использующий «метод фазового сдвига».

Приемная оптика

Для обеспечения надежности в лазерных дальномерах используется метод минимизации фонового света. Слишком много фонового света может помешать измерению, когда датчик ошибочно принимает некоторую часть фонового света за отраженный лазерный импульс, что приводит к неверному считыванию расстояния.Например, в лазерном дальномере, предназначенном для использования в условиях Антарктики, где ожидается интенсивный фоновый свет, используется комбинация фильтров с узкой полосой пропускания, частот разделенного луча и очень маленькой диафрагмы, чтобы максимально блокировать помехи от фонового света.

Приложения

Лазерные дальномеры и дальномеры имеют широкий спектр применения, от картографирования до занятий спортом. Их можно использовать для создания карт дна океана или топографических карт, очищенных от растительности.Они используются в вооруженных силах для определения точного расстояния до целей для снайперов или артиллерии, для разведки и инженерных работ. Инженеры и дизайнеры используют лазерные дальномеры для построения трехмерных моделей объектов. Лучники, охотники и игроки в гольф используют дальномеры для расчета расстояния до цели.

Принципиальная схема лазерного дальномера. | Скачать научную диаграмму

Контекст 1

… ВВЕДЕНИЕ Робот представляет собой сложное механическое устройство, управляемое компьютером, оснащенное множеством датчиков для получения информации из окружающей среды и множеством исполнительных механизмов для манипулирования объектами или самоуправления.Это определение — одно из доступных. Роботов можно разделить на несколько групп по их конструкции. Автономная группа — автономные мобильные роботы. Должны быть определены слова автономный и мобильный. Мобильный робот может перемещаться и ориентироваться в неизвестной среде. Для этого робот должен знать ответы на три основных вопроса: «Где я?», «Куда я хочу пойти?» и «Как добраться?». Чтобы получить ответы на эти вопросы, роботу нужно как-то ощущать окружающее пространство. Сенсоры для определения местоположения и навигации могут помочь нам ответить на три наших предыдущих вопроса.Одним из датчиков для навигации является лазерный дальномер, с которым мы работаем в этой статье, а также анализируем его характеристики. Для решения задач мобильной робототехники, в основном локализации и навигации, необходимо иметь представление об окружающей среде — конфигурационное пространство. Основными конфигурационными пространствами являются геометрические, топологические и метрические карты. В данной работе мы рассматриваем методику построения метрической карты с помощью лазерного дальномера. II. СЕНСОРЫ ДЛЯ НАВИГАЦИИ Одним из основных видов деятельности мобильного робота является получение и обработка информации о среде, в которой движется робот.Эту информацию робот получает благодаря различным датчикам. Чаще всего используются дальномеры, работающие на разных физических принципах — ультразвуковых, инфракрасных и лазерных. Эти типы дальномеров могут измерять расстояние до измеряемого объекта, а также направление на этот объект. Лазерный дальномер может работать по принципу определения времени полета (т.е. TOF) или измерения сдвига фаз между отправленным и полученным сигналом (рис. 1). Реализация лазерных дальномеров, использующих фазовый сдвиг, проще, дешевле и, следовательно, также чаще используется на практике.По такому же принципу работает лазерный дальномер Hokuyo UTM-30LX, который использовался в экспериментах [1]. Принцип измерения лазерного дальномера с фазовым сдвигом состоит в том, что световой луч направляется в окружающую среду. Направленный луч света достигает площади поверхности объекта в точке P. Для поверхности с толщиной, большей, чем длина волны отправляемого света, свет отражается от поверхности диффузно, что означает, что отражение является почти изотропным. Отраженный компонент света возвращается обратно в считывающее устройство почти параллельно по сравнению с отправленным лучом.Очевидно, что датчик излучает модулированный по амплитуде свет известной частоты и измеряет фазовый сдвиг между отправленным и принятым сигналом. Длину волны модулированного сигнала можно определить в соответствии с …

Контекст 2

… Участок D — это расстояния, указанные на рисунке (рис. 1). Расстояние между детектором и объектом можно выразить как: (3) где θ — измеренный фазовый сдвиг между отправляемым и отраженным лучом, λ — известная длина волны отправляемого луча.Параметры, указанные производителем, определены для поверхности точного размера, расположенной перпендикулярно измерительному лучу. На практике часто необходимо сканировать разные виды поверхностей под разными углами, поэтому необходимо экспериментально проверить заявленные параметры для разных поверхностей и разных углов измерения. Для получения данных, необходимых для создания модели сенсора, было проведено три типа экспериментов. Первый был направлен на воспроизводимость измерения перпендикулярно объекту, второй — на повторяемость измерения под углом 45 °, а третий — на стабильность измерения края объекта. .Первые два теста проверяют стабильность измеренного расстояния, а третий тест проверяет стабильность измеренного угла и измерения на границе двух объектов. [1] Для этих испытаний использовались поверхности белой стены, белой бумаги, черной бумаги, белой футболки, алюминиевой фольги, зеркала и оргстекла. Для каждого материала было выполнено 200 измерений на заданном расстоянии (500 мм и 1500 мм) и под двумя углами (90 ° и 45 °) — Таблица I, Таблица II. Для зеркала и поверхности из оргстекла были проведены аддитивные измерения из-за нечеткости результатов — Таб III, Таб IV.Из всех результатов измерений были обнаружены какие-то знания. Лазерный дальномер будет давать плохие результаты измерения для материала, например оргстекла или стекла, зеркала или полированной металлической поверхности. Эти факты могут быть компенсированы синтезом данных с большего количества датчиков, работающих по другому физическому принципу. Мы также можем предположить, что дальномер плохо интерпретирует материалы или препятствия, которые очень тонкие или узкие, например проволочная сетка. Поскольку лазерный дальномер плоский, измерение необходимо интерпретировать в плоскости.Это причина, по которой необходимо измерение, направленное на согласованность данных по краям препятствий. Это измерение было выполнено в Институте управления и промышленной информатики ФЭИ ГТУ [2]. Измерения проводились для четырех расстояний — 50 см, 150 см, 250 см и 530 см. Для каждого расстояния измерения были выполнены 10 раз с 500 измеренными расстояниями на набор данных. Результатом измерения является количество сдвигов объекта для его левого и правого края (Таблица V). На основе распределения Гаусса и измеренных расстояний можно определить смещение границы объекта на основании угловых расстояний между двумя лучами лазерного дальномера (Таблица VI) соответственно…

Как работает дальномер? »Targetcrazy.com

Существует множество причин, по которым вы можете захотеть использовать дальномер . Если вы ведете стрельбу из лука или стреляете пулями на дальние дистанции, вам придется настроить прицел, чтобы попасть в цель.

Почему? Гравитация притягивает и пули, и стрелы к земле в тот момент, когда они из чего-то стреляют.

Чем больше расстояние до цели, тем длиннее падение.

Некоторые люди оценивают расстояние на глаз и на практике, но с помощью предлагаемой сегодня технологии самый простой и быстрый способ определения расстояния до цели — это использовать дальномер.

Так как же работает дальномер ?

Существует несколько различных способов определения дальности, но наиболее популярным и распространенным в настоящее время является лазерный дальномер .

Как работают лазерные дальномеры

У лазерного дальномера довольно простой принцип. Он направляет лазерный луч из излучателя в цель и измеряет время, необходимое для отражения луча обратно в приемник на искателе.

Поскольку лазер движется со скоростью света , а скорость света известная скорость , его можно использовать вместе со временем, необходимым для расчета расстояния до целевого объекта.

Расходимость луча

Лазерный луч, испускаемый дальномером, обычно очень узкий, но из-за воздействия воздуха в атмосфере луч будет расходиться и распространяться на большие расстояния.

Это означает, что когда он достигает удаленной цели, разброс лазерного луча может быть достаточно широким, чтобы покрыть цель и отразиться от других предметов, а также от цели.

Лазерные лучи расходятся и распространяются по мере продвижения

Отражение и отклонение

Некоторые объекты измерить сложнее, чем другие.

Дальномеры не работают правильно на всех объектах. Вот несколько примеров…

Когда луч попадает на стекло, почти весь луч проходит сквозь него и не отражается. Так что чтения трудно достичь.

Предположим также, что луч попадает в зеркало (или другой объект), расположенное под углом, так что весь свет идеально отклоняется в сторону, а не обратно в приемник.Этот объект также будет сложно определить.

Даже мыльный пузырь отражает свет (если бы его не было, вы бы его не увидели)

Фактически, любой объект, расположенный под углом от дальномера, будет отклонять часть луча, но каждая поверхность будет отражать или доступного света назад, иначе мы не сможем их увидеть сами. От того, сколько света возвращается, зависит, насколько легко дальномер сможет снимать показания.

Почему дальномер не сбивает с толку окружающий свет?

Лазерный свет, излучаемый устройством, имеет определенную длину волны, которая отличается от длины волны любого нормального света, исходящего из окружающей среды.Используя эту частоту, легко отфильтровать все, что из приемника на дальномере, кроме лазерного света, отраженного от цели. Искатель видит только собственный свет. Это также очень помогает, когда большая часть исходящего света отражается от цели, даже если отраженный свет составляет часть от исходного излучаемого света, искатель сможет уловить его там, где человеческий глаз не может.

Как дальномер выбирает показания для отображения?

Лазерные дальномеры обычно работают очень быстро и выстреливают десятков, сотен или тысяч импульсов на целевой объект и используют весь этот диапазон выборки для определения правильного расстояния для сообщения.

Во всех этих измерениях одни будут от самой цели, а другие — от других объектов и местности спереди, сбоку и позади нее.

Дальномер будет принимать во внимание все эти показания, анализировать их и использовать алгоритм для выбора наиболее подходящего расстояния.

По всем показаниям, если одно расстояние более распространено, чем другие, есть большая вероятность, что это объект, который пользователь пытается определить. Так вот что будет возвращено.

Как работают оптические дальномеры

У оптического дальномера

есть свои преимущества. Вам не нужна отражающая цель, и оптику никогда не сбивает с толку погода, атмосферные условия или окружающая местность, а компоненты делают их строительство дешевыми. В видео ниже от Mr Wizard вы увидите, как можно выполнить примитивное определение расстояния с помощью двух маленьких зеркал и дерева.

Однако… оптическое дальномерное определение сегодня не так широко, как было раньше. Вам будет сложно найти хорошую оптику для продажи где-либо, кроме антикварного магазина, потому что лазерные дальномеры настолько дешевы и легко доступны, и в них добавлено множество функций, с которыми оптический дальномер просто не может сравниться.

Оптические дальномеры

могут работать по принципу совпадений или стереоскопического дальномера .

При совпадении изображений дальномера цели, отраженных от двух разных источников, показываются оператору, который обычно смотрит в инструмент одним глазом и затем должен внести корректировки, чтобы соответствовать их выравниванию. Когда изображения выровнены, это называется помещением их в «совпадение», и величина корректировки, необходимая для этого, используется для определения расстояния до цели.

Стереоскопический дальномер использует оба глаза оператора и позволяет им совмещать контрольные метки внутри сетки нитей для определения расстояния.

Это действительно отличное видео из мистера Волшебника, телешоу для детей 80-х годов, которое демонстрирует концепцию разбиения изображений по диапазону, нахождение с использованием 2 зеркал и измерительной шкалы.

Вот еще одно видео от Jimmym40a2, которое показывает вам дальномер Барра и Страуда 1942 года выпуска и кратко объясняет, как он работает.

Существует также очень простой и очень дешевый тип дальномера, в котором используется прицельная сетка MilDot . Это просто помеченная сетка, которая позволяет вам оценить расстояние до цели, если вы знаете (или можете приблизительно) размер цели.

Вот видео с Ted’s HoldOver, которое знакомит вас с принципами работы прицелов MilDot.

Дальномерные другие типы

Хотя они неприменимы для повседневного определения дальности, используемого стрелками или охотниками, стоит упомянуть эти другие типы оборудования для определения дальности и немного объяснить, как они работают.

РАДАР

RADAR расшифровывается как Radio Detection And Ranging. Радиолокационное определение расстояния работает аналогично лазерному определению расстояния, за исключением того, что вместо сфокусированного луча лазерного света распространяется импульс радиосигнала и измеряется время, необходимое для его отражения. Поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, эта скорость и время их возвращения от цели могут использоваться для расчета расстояния от радиолокационной станции до любых объектов в пределах распространения.

Поскольку РАДАР излучает на большой площади и имеет большую длину волны, он лучше подходит для определения расстояния и скорости больших объектов, таких как самолеты и корабли, в открытом космосе.

На

RADAR не влияет облачная погода или окружающий свет (он работает ночью или при ярком солнце), а поскольку радиоволны имеют большую длину волны, он может работать на больших расстояниях.

ЛИДАР

LIDAR работает аналогично RADAR, но восходит к принципу лазерного дальномера, но в гораздо большем масштабе.Он излучает световые импульсы в широком диапазоне вместо радиоволн или звуковых импульсов.

LIDAR намного дороже, чем RADAR, но может обеспечить обнаружение очень мелких объектов.

Однако на LIDAR влияют погодные условия, такие как облака и туман, и он будет работать только на меньших расстояниях, чем RADAR.

СОНАР

Эхолот

использует звуковой импульс и измеряет время прохождения звуковых волн к цели и обратно, а также скорость звука, что позволяет рассчитать расстояние до цели.

Сонар

используется под водой, где лазерный свет и радиоволны не распространяются легко.

Ультразвуковой

Ультразвук — это высокочастотная звуковая волна, которую не может услышать человеческое ухо, так как она превышает частоту, которую мы можем слышать (20 000 Гц). Когда эти волны ударяются о объект, они отскакивают назад, и если вы знаете скорость звуковой волны (скорость звука 330 м / с), вы можете рассчитать расстояние до цели.

У вас есть датчик парковки на машине? Скорее всего, он работает с использованием принципов ультразвукового определения дальности.Ультразвук работает в темноте на коротких расстояниях (то, что вам нужно в автомобиле) и безвреден для человека.

Хотя ультразвук отлично подходит для парковочных датчиков и других приложений, он не подходит для обнаружения целей на большом расстоянии.

Лазерный дальномер — информация об оптике

Лазерные дальномеры — очень современные охотничьи принадлежности, хотя они использовались в охотничьих кругах всего около двух десятилетий. Раньше это оборудование использовалось только в военных целях и было недоступно для широкой публики.Назначение лазерного дальномера во время охоты только одно, а цель — точно определить дальность действия животного / цели, чтобы мы могли получить наиболее подходящий шанс точного попадания. Зная расстояние, стрелок может точно учесть падение пули.

Современные лазерные дальномеры обычно также показывают нам угол наклона и эквивалентную дальность по горизонтали, что очень важно при охоте в горах. Лазерный дальномер абсолютно необходим охотникам, обладающим знаниями, опытом и подходящим оборудованием для стрельбы на дальние дистанции.Выстрелы, произведенные по дальним целям без этого оборудования, являются более или менее слепыми выстрелами, а не хорошо продуманными и преднамеренными. Определение расстояния до цели по ощущениям обычно сопровождается большими ошибками, которые можно быстро предвидеть с помощью дальномера. В одной из наших предыдущих статей рассказывалось о том, насколько сложно снимать на большие расстояния, однако в этой статье будут представлены более подробные сведения о лазерном дальномере и его особенностях. Это будет полезно при выборе правильного лазерного дальномера.

Принцип использования лазерных дальномеров объясним просто; Дальномер сначала посылает лазерный луч, а затем определяет его отражение от объектов подходящим датчиком .При достаточно точном измерении времени между доставкой лазерного луча и получением его отражения легко вычислить расстояние до объекта, от которого отражается лазерный луч. Конечно, использование современных лазерных дальномеров несколько сложнее, так как разные производители выработали основной принцип использования с развитием и добились большей точности и надежности. Стоит отметить разницу между лазерными дальномерами гражданского и военного назначения.Эти гражданские устройства имеют встроенный лазер с маркировкой « класс 1, », что означает, что его мощность не превышает предела, наносящего вред глазам . Максимальная дальность действия гражданских лазеров составляет около 3000 метров и не наносит вреда здоровью человека или животных. Большинство лазерных дальномеров отображают расстояние в метрах или ярдах.

В идеальных условиях лазерный луч может без изменений распространяться очень далеко, но его диаметр увеличивается с увеличением расстояния в атмосфере, а также его сила уменьшается из-за столкновений с примесями в воздухе.Из-за этого все лазерные дальномеры имеют ограниченный диапазон измерения . Диапазон измерений зависит от множества различных параметров — мощности лазерного луча, чувствительности датчика, частоты лазерного луча и многих других технологических параметров. Как правило, более дорогие и технологичные дальномеры имеют больший диапазон измерения, чем более дешевые. Последние, в любом случае, используют ложные подходы к продажам, поскольку многие более дешевые дальномеры часто имеют гораздо более высокие числа на своих метках, чем их фактический диапазон измерения.Также следует отметить, что для достижения максимального диапазона измерения необходимо измерять расстояние до объектов с большой отражающей поверхностью, таких как дома, большие камни и т.п. В случае измерения расстояния до более мелких объектов, таких как игра, эффективная дальность действия каждого устройства уменьшается. Чем меньше поверхность, тем меньше лазерных лучей отражается .

Большинство лазерных дальномеров можно настроить так, чтобы можно было разными способами измерять расстояние до наблюдаемых объектов.Последнее особенно важно в определенных ситуациях, потому что может быть измерено неверное расстояние, что может привести к ненужной травме в игре. В базовом режиме лазерные дальномеры измеряют расстояние до наблюдаемого объекта, от которого отражается большинство лазерных лучей. Конечно, бывают случаи, когда мы хотим измерить расстояние до животного или цели, стоящей на лугу перед лесом. В это время больше лазерных лучей будет отражаться от большого фона, чем от небольшого объекта на переднем плане, и лазерный измеритель будет отображать неправильное измерение, если не выбран правильный метод измерения.Как правило, для всех лазерных измерителей английский является основным языком меню и настроек . Метод, позволяющий измерить расстояние до первого объекта, а не до самого большого объекта, называется « с приоритетом первой цели ». Первый приоритет цели используется при охоте и игре в гольф. Очень частый случай, когда также требуется изменение метода измерения, — это использование лазерного дальномера во время дождя. Самые современные и дорогие лазерные дальномеры уже позволяют автоматически корректировать способ измерения расстояний под дождем, в то время как более дешевые еще нуждаются в ручной настройке режима работы, когда идет дождь .Есть также другие способы работы с лазерными дальномерами, которые обычно можно настроить, но они не являются необходимыми для целей охоты. Необходимо упомянуть метод непрерывного измерения, который дает расстояние без прерывания, даже если мы не фокусируемся только на одном объекте, а дальномер движется во время измерения. Этот режим работы называется « режим сканирования ».

Охотничьи лазерные дальномеры в первую очередь предназначены для определения расстояния до дичи перед стрельбой на дистанциях, где необходимо учитывать значительного падения пули .В горах при знании фактического расстояния также необходима информация о наклоне линии измерения. Подробнее о том, как учитывать наклон при стрельбе на большие расстояния, рассказано в одной из предыдущих статей «Оптика для стрельбы на большие расстояния ». Усовершенствованные лазерные дальномеры также позволяют измерять угол наклона, а также определяют угол наклона на расстоянии в угловых градусах. С дополнительным программным обеспечением (баллистической программой) такие измерения также дают эквивалентное горизонтальное расстояние ( EHR — эквивалентное горизонтальное расстояние ) до цели или игры.С EHR стрелок учитывает только горизонтальную составляющую расстояния до цели / игры.

Рисунок 1

Лазерные дальномеры для охоты всегда существенно дополняют оптическое устройство. В отличие от других лазерных дальномеров, используемых в лесном хозяйстве, строительстве и других местах, при охоте, важно, чтобы дальномер давал расстояние до объекта (дичь, мишень и т. Д.), Который стрелок видит через оптическое устройство.Охотничьи дальномеры имеют внутренний дисплей для отображения измеренного расстояния (в поле зрения), а не снаружи корпуса. На рисунке 1 показаны оба варианта внутреннего отображения измеренного расстояния, а именно прозрачный вид и отображение расстояния в темной рамке внизу поля зрения. Охотничьи дальномеры чаще всего добавляются к монокулярам, ​​биноклям или оптическим прицелам.

Рисунок 2

Первый монокуляр с добавленным лазерным дальномером был произведен компанией Leica в 2000 году , и с тех пор это самая распространенная и популярная форма лазерного дальномера.Практически все лазерные дальномеры этого типа имеют отдельную оптическую часть и лазерную измерительную часть, которые можно увидеть на рисунке 2. Последняя не влияет на оптическое качество соединения, предназначенного для наблюдения, как это возможно с некоторыми другими формами. охотничьи лазерные дальномеры. В большинстве этих устройств оптическая часть имеет 6-кратное увеличение и линзу с диаметром объектива от 20 до 32 мм . Более совершенные монокуляры с лазерным дальномером позволяют выполнять измерения наклона, баллистическую программу и возможность измерения расстояния до объектов до 2500 метров .Основные преимущества дальномеров этого типа — небольшие размеры и доступная цена.

Рисунок 3

Первый лазерный дальномер входил в состав бинокля Leica Geovid 7 × 42 1992 года . Тем не менее, эти устройства не так быстро распространились на рынке, как монокуляры с лазерным дальномером. Основная причина заключалась в их размере, весе и гораздо более высокой цене. Из-за стремления к минимально возможным размерам многие из этих устройств имеют лазерную систему, встроенную в оптическую часть.Через эти же линзы проходит видимый свет, позволяющий наблюдать, а лазерные лучи позволяют измерять расстояние. В таких биноклях к конструкции линз и призм добавляются элементы лазерной измерительной системы. Хотя такая конструкция способствует уменьшению размера, часто очень серьезно страдают оптические свойства бинокля. Чаще всего изображение в таком бинокле имеет слегка желтоватый или голубоватый оттенок, а коэффициент пропускания света значительно хуже.Большинство биноклей с дополнительным лазерным дальномером имеют более темное изображение, и их использование в сумерках ниже среднего. Тем не менее, такие бинокли также являются значительным преимуществом для охотника, поскольку на охоте нет необходимости носить с собой две единицы оборудования (бинокль и монокуляр с дальномером). Это также самый простой и быстрый способ измерить расстояние между наблюдениями за игрой. Бинокль с лазерным дальномером показан на рисунке 3.

Рисунок 1: В левой части показано, как отображается измеренное расстояние в центре поля зрения, которое чаще всего встречается в монокулярах и биноклях со встроенным лазерным дальномером.Справа показано, как обычно отображается отображение расстояния для оптических прицелов со встроенным лазерным дальномером, в нижней части поля зрения.

Рис. 2. Монокуляры с дополнительным лазерным дальномером обычно имеют лазерный измерительный прибор, установленный под оптическим соединением, с помощью которого пользователь наблюдает за удаленными объектами во время измерения.

Рисунок 3: Бинокль с добавленным лазерным дальномером имеет кнопку или несколько кнопок для измерения расстояния и установки рабочего режима на центральном «мостике».

Оптические прицелы с добавленным лазерным дальномером последовали очень скоро после того, как был представлен первый такой бинокль для наблюдения. Первый оптический прицел этого типа был представлен Swarovski, модель LRS 3-12 × 50 в 1997 году . Позднее развитие таких оптических прицелов шло в основном по двум направлениям. Многие производители решили производить недорогие оптические прицелы, в оптическую конструкцию которых добавлена ​​лазерная измерительная система. Этот подход, однако, обеспечивает меньшую массу, меньшие размеры, а также более низкую цену, но из-за электронного лазерного оборудования в оптической конструкции они предлагают худшие оптические свойства и более низкий коэффициент пропускания света.Престижные европейские производители производят прицелы с лазерным измерительным прибором, отделенным от оптической системы. Такие оптические прицелы обладают такими же хорошими оптическими характеристиками, как и обычные, и в то же время обладают всеми преимуществами знания дальности стрельбы. В целом, дальняя съемка намного проще всего с этим типом лазерных дальномеров, так как дальность стрельбы может быть определена в поле зрения. На рис. 4 показаны два таких прицела, а именно прицелы с внешним лазерным соединением и прицелы с лазерной измерительной системой, встроенной в конструкцию оптической линзы.Однако большинство оптических прицелов позволяют измерять расстояние, но вам все равно нужно вручную установить сетку на турелях. Исключение составляет модель Burris Eliminator , которая перемещает точку прицеливания за счет изменения подсветки сетки.

Рисунок 4

Лазерный дальномер сегодня является незаменимым помощником для всех охотников, которые часто выбирают дальнобойную стрельбу. Стрельба с большого расстояния не может быть точной и этичной, если мы не знаем расстояние до дичи, которую хотим добыть.Конечно, как и во всех других сферах, вот извечный вопрос , как выбрать наиболее подходящий лазерный дальномер . Безусловно, бинокли и, в частности, оптические прицелы со встроенным лазерным дальномером — лучший выбор для простого использования. Тем не менее, есть немало ограничений, о которых следует упомянуть. В настоящее время только самые дорогие бинокли, бинокли европейского производства и оптические прицелы этого типа обладают достойными оптическими свойствами. Для большинства американских, японских и китайских продуктов этого типа все же лучше выбирать отдельные компоненты и отдельно иметь лазерный дальномер в виде монокуляра, а также классические бинокли и классические оптические прицелы.Монокуляры с дополнительным лазерным дальномером имеют такое же (даже самое дешевое) оптическое и лазерное соединение, и поэтому обычно это менее проблематично с изображением при слабом освещении и неестественными цветами. Из-за их небольшого размера их очень легко положить в небольшой карман, и они могут быть очень полезным инструментом на охоте.

Рис. 4: С левой стороны находится оптический прицел с внешним лазерным измерительным устройством, прикрепленным к боковой стороне корпуса, а с правой стороны находится оптический прицел с лазерной прицельной частью, добавленной внутри оптической конструкции.В таких оптических прицелах лазерные лучи и видимый свет проходят через одни и те же линзы.

Читать далее

Калибровка ближнего лазерного дальномера 2D для использования 3D SLAM

Лазерный дальномер — один из самых важных датчиков в области робототехники. Лазерный дальномер обеспечивает точное измерение дальности с высоким угловым разрешением. Однако сканеры ближнего действия требуют дополнительной калибровки для достижения вышеупомянутой точности.Описанная в данной работе процедура калибровки обеспечивает оценку внутренних параметров лазерного дальномера без использования каких-либо специальных трехмерных целей. В данной работе представлено использование сканера ближнего действия URG-04LX для картографических целей и описана его калибровка. Точность калибровки проверялась в среде с известными достоверными значениями, а результаты оценивались статистически. Преимущества калибровки также демонстрируются в практических приложениях, связанных с сегментацией окружающей среды.Предлагаемый метод калибровки сложен и обнаруживает все основные производственные неточности. Процедура подходит для легкой интеграции в текущий производственный процесс.

1. Введение

Лазерный дальномер (LRF), также известный в литературе как LIDAR или LADAR, является одним из наиболее важных датчиков в области робототехники. LRF являются частью многих роботизированных приложений, и их постепенно падающие цены постоянно увеличивают их распространение до существующих и недавно разработанных роботизированных систем.

LRF обеспечивает точное измерение дальности с высоким угловым разрешением. Благодаря принципу измерения точность LRF составляет порядка сантиметров даже на больших расстояниях, а его конструкция относительно проста и надежна. Из-за этого оценкой внутренних параметров посредством калибровки часто пренебрегают, поскольку обычно считается, что ошибка незначительна. Обычно это справедливо для более широких моделей (например, SICK LMS111), но не для недорогих LRF, таких как Hokuyo URG-04LX и т. Д.

Hokuyo URG-04LX — один из самых популярных LRF малой дальности в мире. Небольшие размеры, малый вес и диапазон измерения до 4 м предопределяют удобство использования URG-04LX на небольших роботах.

Hokuyo и другие LRF малого радиуса действия используются во многих приложениях, требующих точных измерений, включая SLAM, распознавание объектов, уклонение от препятствий или оценку поверхности земли. Для таких приложений разработчики часто выбирают эти более дешевые устройства, поскольку они более доступны (например,г., [1–3]).

Цель данной статьи — представить использование сканера ближнего действия URG-04LX для картографических целей. Мы представим набор улучшений для ближнего 2D LRF, чтобы достичь более высокой точности и точности, необходимой для использования в приложениях для одновременной трехмерной локализации и картографии (SLAM). Точность калибровки проверялась в приложении с использованием вращающегося LRF, и результаты оценивались статистически.

Идея использования 2D LRF в качестве 3D-сканера не оригинальна.Вероятно, одна из самых ранних разработок 3D LRF с URG-04LX была представлена ​​в [4, 5].

Однако эти конструкции имеют три основных недостатка. Первый — это ограниченное поле зрения, обращенное только к передней части робота. Второй недостаток — механическая реализация. Вибрации от шасси робота передаются через конструкцию с пружинами к LRF, что снижает его точность. Дополнительно поле обзора ограничено ремнями. Третье и самое главное — это отсутствие калибровки.Как мы покажем, внутренние параметры существенно влияют на точность измерений.

Процедура калибровки, описанная в этой работе, обеспечивает оценку внутренних параметров LRF без использования каких-либо специальных трехмерных мишеней. Предлагаемая процедура требует только проекционной плоскости (например, белой стены) и камеры, способной улавливать лазерный луч. Использование этой процедуры калибровки для одного LRF может показаться сложной и требующей много времени, но в случае калибровки нескольких устройств она обеспечивает быстрый и надежный способ получения параметров калибровки для исправления всех основных производственных неточностей.Самая трудоемкая задача — установить все необходимое оборудование. Само измерение LRF выполняется относительно быстро и может быть достигнуто за несколько минут. Для производителя, выпускающего сотни LRF, время калибровки отдельного блока ничтожно мало. Преимущества калибровки для конечных пользователей очевидны и будут описаны в следующих параграфах.

Большинство современных процедур калибровки нацелены на точность измерения расстояния [6], определение характеристик [7, 8] или определение характеристик шума [9], но не на пространственную точность измерения.

В последние годы наблюдается рост популярности многолучевых датчиков (например, Velodyne). Поскольку эти датчики часто используются в контексте автономного вождения, правильная калибровка становится критически важной. Было предложено несколько новых методов калибровки 3D-сканеров LRF. Методы различаются, требуют ли они калибровочной мишени [10, 11] или нет [12, 13]. Процедуры калибровки основаны на оптимизации энтропии [14], изображении интенсивности и оценке искажения линзы [15] или калибровке, основанной на автоматической регистрации плоскостей в общих сценах [13].

Калибровка обычно выполняется вручную путем измерения смещения датчика, а оценка точности калибровки часто выполняется только путем визуального осмотра. Предлагаемая нами процедура аналогична [16], но, в отличие от того факта, что она обеспечивает очень строгую оценку ошибки, значительно повышает точность и упрощает процедуру калибровки. Процесс разработан так, чтобы минимизировать изменения, которые необходимо внести в существующий производственный процесс, чтобы расширить его за счет шага калибровки.

2. 3D LRF Design

Конструкция 3D LRF изображена на рисунке 1. Это устройство состоит из двух частей, соединенных держателем. Первая часть — это LRF, а вторая часть в нашем случае — шаговый двигатель (основная причина использования шагового двигателя — цена; например, сервопривод Dynamixel RX-64 стоит около 280, а шаговый двигатель SX17-1005 -09, используемый здесь, стоит меньше 20). Держатель установлен на шаговом двигателе с помощью зажимного соединения. LRF установлен на несущей эксцентрично.

Локальная система координат LRF изображена на рисунке 1. Плоскость измерения LRF идентична плоскости. Ось — ось вращения лазерного луча. LRF установлен таким образом, что ось идентична оси вращения шагового двигателя. Такая конструкция упростит последующее преобразование координат.

Рабочий диапазон и диапазон измерений URG-04LX сведены в Таблицу 1 [17]. Рабочий диапазон LRF составляет 270 ° между крайними шагами, обозначенными как начало и конец.Диапазон измерения составляет всего 240 ° между шагом пуска и останова. Передняя часть ступени идентична оси.

5um Название позиции Начало Начало Спереди Стоп Конец 0 44 384 725 768 [°] −135 −120 5 −120 5 2

Измерение расстояния в одной плоскости выполняется LRF.Для достижения трехмерного измерения шаговый двигатель вращает LRF вокруг своей оси. Вращение на 180 ° обеспечивает измерение всей окружающей среды вокруг устройства.

Согласно этой конструкции мы должны выполнять преобразование измеренных величин. Угловое разрешение URG-04LX составляет 1024 отсчета на оборот [18]. Размер одного шага LRF составляет. Шаговый двигатель SX17-1005-09 имеет угловое разрешение 0,9 ° [19], а в полушаговом режиме управления это размер одного шага.

На основе этого мы можем вычислить угловое положение лазерного луча и шагового двигателя: где — угловое положение лазерного луча, а — положение шагового двигателя (см. Рисунок 1).

Символы и представляют собой порядковый номер выборки LRF и положения шагового двигателя. Диапазон сканирования LRF составляет, а диапазон, в котором шаговый двигатель покрывает половину оборота, составляет. Значки и — номера шагов LRF (см. Таблицу 1).

Результатом трехмерных измерений LRF является матрица, элементы которой представляют собой единичные измеренные расстояния. Размеры матрицы есть.

Содержимое матрицы представляет собой расстояния в цилиндрической системе координат. Для каждого элемента мы знаем пару углов и.Эти значения позволяют нам преобразовывать данные из цилиндрической системы координат в более общие декартовы координаты (3D). Это преобразование можно легко выполнить с помощью матриц преобразования [20]:

В формуле (3) матрица преобразования отражает положение установки LRF на носителе. Угол изображен на рисунке 1, и он представляет собой угол между осью вращения шагового двигателя и осью LRF. Формула (3) преобразует цилиндрические координаты измеренных расстояний в векторы положения, используемые в следующих разделах.

2.1. Результаты измерения 3D LRF с неточностями

Результаты, полученные при первоначальном измерении, не оправдали наших ожиданий. Начальные и конечные кромки мерных стен и потолков нашей экспериментальной лаборатории не соединены между собой. Поверхности стен скручены. Для иллюстрации см. Рис. 2, где потолок скручен, а облако точек содержит два клиновидных зазора. Проблема на этом рисунке выделена красными контурами.

Мы также протестировали три других сканера из нашей лаборатории, и результаты были в некоторых случаях хуже, иногда лучше, но никогда не верными.Однако во время измерения каждый LRF неоднократно показывал одни и те же ошибки измерения. Такие ошибки можно рассматривать как систематические.

Подобные результаты были представлены в [5], как показано на рисунке 3. LRF был повернут на один полный оборот (в отличие от половины оборота, используемого в нашей конструкции). В представленном результате хорошо видно, что все поверхности измерены дважды. Наиболее заметные ошибки на рис. 3 выделены красным цветом. Используя тот же подход, мы пришли к аналогичному результату: облако точек, полное ошибок.

Искажение результатов усложняет дальнейшую обработку облака точек. В процессе сегментации выявляется больше областей, чем есть на самом деле. Точно так же процесс обнаружения признаков выявляет ложные признаки.

Результаты измерений показывают несимметричные измерения URG-04LX относительно оси. Эта особенность очень противоречит техническому принципу работы LRF. Для такого поведения нет причин.

Единственный положительный вывод состоит в том, что каждый LRF ведет себя по-разному, но при этом одинаково.Таким образом, мы можем предположить, что каждый сканер имеет систематический производственный дефект. Итак, мы решили найти корень проблемы.

3. Диагностика URG-04LX

Когда мы не смогли получить никакой дополнительной информации относительно обнаруженного недостатка URG-04LX, мы решили провести более детальную диагностику самостоятельно. Мы получили дополнительный сканер URG-04LX и два сканера URG-04LX-UG01, более новую версию URG-04LX с источником питания USB. Все сканеры были произведены в период с 2008 по 2013 год.Мы выстроили эти четыре LRF для следующих измерений в соответствии с годом их производства и обозначили их как LRF-1 — LRF-4. Внутри нас все LRF идентифицируются по их серийным номерам.

Первый этап предварительного тестирования мы начали с набора из четырех LRF.

3.1. URG-04LX Pretesting

Исходя из результатов, представленных в первой главе, мы можем предположить, что проблема асимметрии будет в основном вызвана неправильными позициями выборки LRF. Таким образом, мы подготовили первый тест, чтобы подтвердить или опровергнуть это предположение.

На рисунке 4 показана схема предварительной конфигурации. Пластиковая рама с отверстием в мм крепилась на полу с помощью двустороннего скотча и в нее вставлялся УРГ-04LX. Контрольная точка была отмечена на полу перед ЛПД на расстоянии мм. Препятствие шириной 20 см и высотой 8 см было помещено в точку, как показано на рисунке 4. Измерение показало, что препятствие было обнаружено в неправильном положении, смещенном на расстояние. Каждый LRF обнаружил препятствие в другом месте.Диапазон расстояний от 7 до 14,5 см.

Предварительный тестовый эксперимент был подготовлен не только для обнаружения отклонения препятствия перед LRF, но и для проверки того, является ли отклонение постоянным по периметру LRF. Пластиковая рамка позволяет нам вращать LRF на 90 ° по и против часовой стрелки.

В каждой ориентации измерение показало, что каждый LRF обнаруживает препятствие в позиции, смещенной аналогичным смещением. Предварительно можно предположить, что отклонение по периметру постоянное.

Пока все наблюдения приводят нас к выводу, что асимметричное поведение типично для этого типа LRF.

3.2. Измерение отклонения URG-04LX

Для обнаружения реальных проекций лазерных лучей LRF это, вероятно, лучший вариант для записи слабого отражения лазерного света от препятствия. Эта запись невозможна с помощью обычной камеры. Наиболее подходящей камерой, доступной в нашей лаборатории, была промышленная камера IDS USB 2 uEye LE [21]. Отражение луча LRF можно надежно зафиксировать на белой поверхности в слегка затемненном помещении.

Перед регистрацией отражения лазерного луча необходима точная настройка. Мы должны особенно соблюдать следующие шаги: (1) Выбрать инструмент для определения плоскости измерения, подходящей для записи. (2) Создать инструмент точного углового позиционирования для LRF. (3) Отметить плоскость измерения, начальную точку, и масштаб для записи. (4) Выполните и запишите измерение для набора LRF.

Все эти шаги не могут выполняться индивидуально и независимо.Каждый шаг должен быть разработан с учетом следующих шагов.

3.2.1. Инструмент для определения плоскости измерения

Предыдущее измерение обнаружило относительно большие отклонения в пределах нескольких сантиметров. Таким образом, точность измерения, выполняемого нашими инструментами, должна составлять примерно один миллиметр на метр, чтобы точно измерить отклонения. Мы решили использовать стандартный лазерный уровень со штативом (см. Рисунок 6). Его точность составляет мм на метр. Штатив оснащен тремя регулируемыми винтами, чтобы точно установить его основание в нужное положение.

Основание штатива и нижняя часть уровня имеют шлифованную поверхность, что позволяет точно установить уровень. Кроме того, также можно установить что-нибудь еще с такой же формой, как у уровня.

3.2.2. Инструмент позиционирования

Штатив с горизонтальным уровнем не позволяет нам устанавливать LRF напрямую и регулировать вращение. Для этого мы сделали простой блок, который легко устанавливается на штатив и обеспечивает повторяемость углового позиционирования LRF. Этот блок состоит из трех частей, как показано на рисунке 5: шагового двигателя и двух алюминиевых профилей.

Шаговый двигатель SX17-1005 установлен на точном прямоугольном алюминиевом профиле той же ширины, что и уровень. Это позволяет многократно и точно устанавливать собранный блок на штатив. Второй алюминиевый профиль закреплен на шаговом двигателе с помощью хомута.

Очень важно отметить, что ось шагового двигателя должна быть установлена ​​точно перпендикулярно плоскости профиля.

Шаговый двигатель обеспечит точное угловое позиционирование стыкуемого профиля.Точность позиционирования используемого шагового двигателя составляет 1 шаг (200 шагов на оборот) [19].

Блок позиционирования, установленный на штативе, показан на рисунке 6.

3.2.3. Маркировка плоскости измерения

Поскольку мы подготовили измерительный инструмент, теперь необходимо спланировать организацию измерения в лаборатории. Схема расположения всех необходимых инструментов для измерения представлена ​​на рисунке 7 (рисунок не в масштабе). Штатив с блоком позиционирования размещается в 3 метрах перед настенной доской.Промышленная камера IDS размещается вне оси позиционирующего устройства на втором штативе, и поле обзора камеры направлено на доску.

Когда все измерительные инструменты расставлены, можно начинать с разметки измерительной плоскости. Уровень кладется на блок позиционирования от края до края (см. Рисунок 6). Отметить нельзя только водяным пузырем уровня и тремя винтами штатива: необходимо использовать лазерный луч и нанести несколько отметок вокруг лаборатории.Затем необходимо повернуть уровень на блоке позиционирования на 180 ° и проверить или изменить созданные отметки с помощью регулировочных винтов. Эта тонкая работа должна быть очень точной, и ее необходимо повторять много раз, пока маркировочная плоскость не станет идеально горизонтальной.

Отмеченная горизонтальная плоскость должна находиться внутри поля зрения камеры вместе с некоторой шкалой. В качестве шкалы мы использовали сетку, напечатанную на бумаге. Сетка с шагом в мм была напечатана на бумаге формата А3 и прикреплена к доске четырьмя магнитами.Пример захваченного изображения приведен на рисунке 8 (а). Белая горизонтальная линия — отражение лазерного луча от уровня. Он перекрывает пунктирную линию, которая находится на 13 мм выше уровня основания. Это дает конструкция лазерного уровня, изображенная на рисунке 9. Основание отмечено в сетке жирной черной горизонтальной линией.

Аналогичная ситуация представлена ​​на Рисунке 8 (б). Лазерный луч от уровня был переориентирован в вертикальное положение, а белая вертикальная линия представляет положение края позиционирующего устройства.Это положение смещено на 14 мм (см. Рисунок 9), чтобы соответствовать выходному лазерному лучу из уровня. Ожидаемое положение отражения лазерного луча снова отмечено в сетке вертикальной штриховой линией.

Нулевая точка, отмеченная на рисунке 7 как, находится на пересечении горизонтальной и вертикальной толстых черных линий на сетке.

Теперь положение сетки в поле зрения четко определено, и сетка поможет нам определить положение отражения лазера.

3.2.4. Отслеживание лучей LRF

Рабочее место Out теперь подготовлено для всего набора измерений LRF. LRF устанавливается на блоке позиционирования, как показано на рисунке 11. Лаборатория должна быть слегка затемнена для измерения.

Для каждого LRF мы создали последовательность изображений, фиксирующих отражение лазерного луча по периметру. Последовательности были созданы против часовой стрелки, что означает, что измерения начинались с правой стороны LRF и заканчивались с левой стороны.

Три изображения из всей записи LRF-2 показаны на Рисунке 10 (а). Запись началась в угловом положении −138,6 °. Это угловое положение соответствует 77 ступеням шагового двигателя. Теоретическая начальная позиция должна быть -135 °, но неточность LRF вынудила переместить начальную позицию измерения. Это положение выделено на рисунке 10 (а) короткой белой вертикальной линией в правой части изображения. На рисунке 10 изображена запись LRF-4. Эти два LRF были выбраны, потому что они представляют наибольшее и наименьшее отклонение в нашем наборе измерений.Полный обзор измеренных отклонений и вычисленных поправок представлен в Таблице 2.

905 Сдвиг [мм] Поворот Начать Коррекция LRF-1 112 2,14 −136,46 −1,46 LRF-2 71 1,36 −137.24 −2,24 LRF-3 129 2,46 −136,14 −1,14 LRF-4 156 5 −1 −5

Сводка в таблице 2 относится ко всем четырем LRF из нашего набора. Смещение первого столбца обозначает измеренное расстояние между первой светлой точкой и выделенной белой меткой.Чтобы правильно определить это расстояние, необходимо увеличить изображение, оценить центроид световой точки и указать ее положение в сетке. Без расширения это сделать невозможно.

Второй столбец содержит измеренное смещение, преобразованное в угловой оборот, который в нашей установке равен 3000 мм. В этом расчете мы пренебрегли ошибкой расстояния, вызванной наклоном лазерного луча LRF. Мы можем опустить это, поскольку ошибка, вызванная наклоном, меньше 0.05% для вертикального смещения, равного 100 мм от теоретической плоскости. Эта ошибка приемлема, поскольку ни один из протестированных LRF не показал ошибку больше 60 мм (см. Рисунок 14).

Третий столбец — это реальная начальная позиция каждого LRF (рассчитывается как). Согласно таблице 1 позиция начала теоретически. Однако наши измерения показали немного другое положение для каждого LRF.

Четвертый столбец таблицы 2 содержит поправку от теоретической позиции начала.Эта поправка обозначена как для дальнейшего использования.

Мы можем приблизительно пересчитать угол коррекции на количество шагов LRF. По известному значению разрешения LRF мы можем сделать вывод, что погрешности наших сканеров находятся в диапазоне от двух до семи шагов.

3.2.5. Другие недокументированные особенности и проблемы URG-04LX

Первая аномалия — это плотность проецируемых точек на рисунке 10. Мы знаем, что угол между двумя образцами URG-04LX равен.Расстояние между двумя проектируемыми точками на расстоянии 3 м ожидается примерно 18 мм, что близко к размеру двух квадратов сетки. Но на рисунке 10 мы получили гораздо более высокую плотность. После увеличения изображения мы видим, что приблизительное расстояние между двумя точками составляет всего 9 мм. Такой вывод может снизить надежность наших измерений. Это может быть плохая запись камеры или какое-то оптическое явление между лазером и камерой. Во всяком случае, производитель URG-04LX не упомянул о более высокой плотности выборки.Мы должны это объяснить.

Вторая проблема также видна на рисунке 10. Лазерный след не находится на 58 мм выше основания (см. Рисунок 1), как ожидалось. Лазерный трек очень неравномерно колеблется вокруг ожидаемой плоскости измерения. Траектория лазерного луча говорит о том, что ось вращения ЛПД не перпендикулярна его основанию.

Третья проблема возникает из предыдущей. Лазерный трек неправильной формы указывает на то, что лазерный луч не лежит в плоскости во время вращения, а формирует общую форму.

На следующих этапах мы разберем LRF, чтобы проверить, какие особенности проистекают из конструкции. Далее мы предложим метод калибровки.

3.3. URG-04LX Разборка и диагностика

В этой главе мы не будем полностью разбирать LRF или изучать детали его конструкции. Принцип LRF очень хорошо описан в литературе, например, [22]. Тем не менее, если мы хотим найти источник неточностей LRF, мы должны заглянуть под капот LRF. Верхнюю часть крышки URG-04LX можно снять, открутив четыре винта.После открытия мы можем увидеть самые важные части LRF. Открытый LRF виден на Рисунке 12.

Верхняя крышка — это не просто крышка. Это точка крепления лазерного диода. Маленькое зеркало устанавливается на вращающуюся головку, а под ней размещается детектор. Важной частью является металлическое кольцо синхронизации, которое постоянно соединено с вращающейся головкой. Синхронизация осуществляется оптопарой. Металлическое кольцо с отверстиями вместе с оптопарой гарантирует точное позиционирование генерируемых лазерных лучей, даже если частота вращения двигателя может незначительно изменяться.

Металлическое кольцо имеет фиксированную форму и гарантирует постоянную синхронизацию даже при изменении условий эксплуатации. Кольцо содержит 192 отверстия в диапазоне углов 270 °. Это соответствует 768 выборкам за один оборот (см. Таблицу 1). Каждое отверстие в кольце должно инициировать 4 импульса лазерного диода. Верно ли это, мы можем легко проверить на открытом LRF с помощью цифрового осциллографа.

Первый канал осциллографа был подключен к выходу оптопары. Измеренная форма сигнала показана на Рисунке 13 (а).На этой диаграмме есть два периода с осциллирующим сигналом высокой плотности, видимые в виде черных прямоугольников: это импульсы на выходе оптопары. Сигнал активен на низком уровне. Время соответствует частоте измерения 10 Гц. Период времени между двумя повторяющимися последовательностями сигналов составляет 100 мс, а длина интервала синхронизации составляет 75 мс. Это составляет 75% от одного оборота и соответствует диапазону измерения 270 °.

Теперь мы можем увеличить разрешение выборки и измерить оптопару и лазерный диод вместе.Подробная форма сигнала представлена ​​на Рисунке 13 (b). Первый канал по-прежнему подключен к оптрону, а второй — к переключению лазерных диодов. Из захваченных форм сигналов видно, что задний фронт оптопары точно синхронизирует импульс лазерного диода и запускает короткую последовательность лазерных импульсов. Второй важный вывод — это количество лазерных импульсов за период времени одной оптопары. Мы видим восемь импульсов, а не только четыре, как ожидалось из документации производителя.

Это открытие объясняет плотность образцов на Рисунке 10 и подтверждает правильность наших измерений. Причина, по которой лазерные импульсы регистрируются камерой в виде точек, а не линий, заключается в небольшой продолжительности импульса.

Кроме того, необходимо определить источники обнаруженных неточностей. Угловое отклонение лазерного луча может иметь два возможных источника. Первая возможная причина — неточная установка вращающейся головки и синхронизирующего кольца.Это положение задается при изготовлении и нет возможности его изменить.

Вторая возможная причина — положение зеркала на вращающейся головке. Если зеркало на голове слегка повернуть вокруг оси (см. Рисунок 1), это вызовет угловое отклонение вокруг этой оси.

Обе эти неточности нельзя исправить, и они возникли в процессе производства. Когда обе неточности складываются вместе, мы обнаруживаем их как одну ошибку, проявляющуюся как угол коррекции.

Источник неправильной формы лазерного следа на Рисунке 10 также может иметь две разные причины.Первый вызван небольшим поворотом зеркала вокруг оси. Каждая десятая градуса удваивается за счет удара и отражения лазерного луча. В результате вращающаяся балка имеет форму конической поверхности: выпуклой или вогнутой.

Вторая возможная причина — наклон оси внутреннего вращения. Когда ось вращения не параллельна конструкции оси, результатом является неравномерная высота лазерного следа над основанием. Этот наклон нельзя измерить внутри LRF, поскольку нет точки отсчета для измерения.

Эти две неточности вызваны производственным процессом, и нет возможности исправить их внутри LRF.

К сожалению, эти неточности полностью уникальны для каждого LRF.

Основываясь на принципе работы LRF и известных источниках неточностей (как описано выше), мы можем предложить наиболее подходящую процедуру калибровки.

4. Калибровка URG-04LX

Ошибки, обнаруженные нами в предыдущих главах, указывают на очевидные неточности конструкции сканера.Простым способом было бы создать простое решение калибровки, в котором каждая отслеживаемая точка имеет собственное значение коррекции (таблица поиска). Такое решение было бы простым, но непонятным и непонятным. Тем не менее, основываясь на известной конструкции LRF, мы можем предложить более простое решение, состоящее из нескольких значений коррекции. Мы объясним это шаг за шагом.

Сначала мы должны оценить разницу между траекторией лазерного луча и горизонтальной плоскостью, проходящей через базу LRF в нескольких различных угловых положениях по периметру (частично показано на рисунке 10).Эти различия можно рассматривать как высоту лазерного луча над основанием. Сводка измеренных значений приведена в таблице 3 для всех LRF в нашем наборе.

905 905 58 Высота над основанием [мм] LRF-1 LRF-2 LRF865 LRF-2 LRF58-3 LRF58-3 0 −120 107 73 61 59 1 −90 110 77 54 2 109 67 58 73 3 −30 101 52 53 78 4 81 5 30 81 24 43 82 6 60 69 14 40 77 7 90 60 11 43 73 43 19 48 70

Высота лазерной дорожки указана в таблице 3.Угловые положения находятся в диапазоне от -120 ° до 120 ° с шагом 30 °. Эти позиции проиндексированы от 0 до 8. Предлагаемый индекс пригоден для дальнейшей обработки. Графическое представление измеренных разностей показано на рисунке 14.

На этом рисунке показано отклонение в полном диапазоне измерения LRF (как частично показано на рисунке 10). Отклонение лазерного луча на некоторых участках периметра превышает или на 50 мм выше или ниже ожидаемого уровня (на расстоянии 3000 мм от препятствия).Теоретический уровень должен быть на 58 мм выше основания, и на рисунке основание выделено толстой горизонтальной черной линией. Отклонение траектории лазерного луча в сочетании с неточным размещением головки (см. Раздел 3.2.4) оказывает значительное негативное влияние на точность измерений.

4.1. Математическая модель неточностей LRF

Теперь мы можем проиллюстрировать схему измерения графически, а затем представить ее математически. На рисунке 15 показан лазерный луч, начинающийся в точке и создающий в пространстве круг диаметром мм.Этот круг находится в плоскости, но эта плоскость смещена выше или ниже плоскости. Точка пересечения оси и плоскости круга. В идеальном состоянии мы должны ожидать, что плоскость круга параллельна плоскости, как показано на рисунке 15. К сожалению, в реальной ситуации мы должны ожидать, что эта плоскость круга будет наклонена, а ее нормальный вектор будет иметь наклон. произвольное направление.

Положение плоскости и ее нормальный вектор можно вычислить, используя известные значения из таблицы 3.Чтобы подогнать плоскость по точкам, мы можем использовать метод наименьших квадратов. Плоскость описывается формулой и параметрами, и будет вычисляться с использованием следующего:

Параметры, и могут быть напрямую использованы для вычисления вектора нормали и высоты точки над базой LRF. Точка вычисляется как пересечение оси и плоскости измерения. Результаты для всех LRF представлены в Таблице 4.

81 81 1 9058 вычисленная высота точки 9058 а положение источника лазерного луча над основанием позволяет вычислить угол.Значения угла можно найти в четвертом столбце таблицы 4. 4.2. Предложение процедуры калибровки В этом разделе мы предложим универсальную процедуру калибровки с использованием представленной математической модели. Калибровка будет содержать расширение известной формулы (3). Эта формула предназначена для идеального LRF без каких-либо производственных неточностей. Во-первых, давайте суммируем все ранее измеренные и рассчитанные значения: (1) Угол горизонтальной коррекции в Таблице 2.(2) Вектор нормали плоскости измерения LRF в таблице 4, который отражает наклон этой плоскости. (3) Высота плоскости измерения над основанием LRF и результирующий угол между лазерным лучом и плоскостью измерения, которые также указаны в таблице 4. Таким образом, у нас есть два значения угловой коррекции и один нормальный вектор. Формула (3) содержит матрицы преобразования, и нам нужно расширить эту формулу, добавив дополнительные компоненты. Следовательно, мы должны преобразовать плоскость измерения LRF в положение, заданное вектором нормали. Эта ситуация проиллюстрирована на рисунке 16. На этом рисунке вектор нормали помещен произвольно в систему координат LRF,,. Задача состоит в том, чтобы расположить плоскость перпендикулярно и таким образом создать новую систему координат вращающейся головки, с осью, идентичной. Для всех лазерных лучей будет использоваться одна и та же процедура преобразования. На рисунке 16 изображен один лазерный луч, обозначенный как вектор, и его результирующее положение, отмеченное как. Преобразование описывается следующим образом и состоит из двух матриц вращения: Тем не менее, формула (9) имеет один дополнительный побочный продукт к вектору.Вектор лежит в системе координат LRF,, в плоскости. Преобразование сдвигает вектор в произвольное положение в системе координат, но это нежелательно. Наши измерения, изображенные на Рисунке 10, зафиксировали окончательное положение всех следов лазерного луча по периметру. Горизонтальная неточность была устранена на предыдущем шаге с помощью поправочного угла. Таким образом, предлагаемое преобразование в формуле (9) не должно приводить к дополнительному смещению лазерного луча по горизонтали.Допускается только вертикальное движение. Следовательно, мы должны выполнить дополнительный поворот вокруг оси, чтобы переместить вектор в положение, которое лежит на плоскости. Это преобразование представлено следующим образом: где — матрица, объединяющая все повороты вокруг отдельной оси. В этом уравнении угол и некоторые координаты вектора являются неизвестными значениями. Разложение матриц и вектора даст три уравнения. Наиболее важным является второе Уравнение (11) для координаты Из текста выше мы уже знаем, что оно должно лежать в плоскости.Таким образом, и должно быть равно нулю, поэтому мы получаем следующее упрощенное уравнение: В этом уравнении единственное неизвестное значение. Из этого уравнения мы можем легко выразить новую формулу (13) для вычисления угла. В этой формуле дробь может быть представлена ​​как котангенс известного угла: Полученная формула (14) инвариантна относительно длины вектора. Важным фактом является то, что угол вычисляется только один раз для каждого LRF. Расчет был последним недостающим шагом для формулировки окончательного уравнения, которое объединит все вычисленные калибровки.Мы изменим формулу (3), выполнив следующие шаги: (1) Все измеренные образцы, представленные вектором, будут наклонены от плоскости на угол. (2) Следующее вращение вокруг оси, представленное матрицей, будет регулируется углом коррекции. (3) Ось будет наклонена вычисленной матрицей к ее действительному положению в соответствии с вектором нормали. (4) Положение установки LRF будет выражено в окончательном уравнении матрицей (см. (3 (5) Последним преобразованием является поворот к текущему положению ФНД, установленного на носителе (см. (3)). Следующее выражает ранее описанный процесс модифицированного вычисления векторов положения для всех точек облака точек: Эта формула по-прежнему содержит только три переменные:,, и. Остальная часть формулы постоянна для каждого LRF. Результат калибровки можно обобщить в следующем калибровочном наборе: Этот набор предоставляет всю необходимую информацию для калибровки. Если бы процесс калибровки был реализован производителем, этот набор был бы включен в протокол калибровки продукта. 5. Проверка предлагаемой калибровки LRF В этом разделе мы опишем процесс оценки предлагаемой калибровки. Важно определить, насколько калибровка улучшает пространственную точность вычисленных точек в облаке точек. Успех дальнейшей обработки облака точек зависит в основном от качества полученных данных. Поэтому далее мы опишем набор полученных данных, статистическое сравнение откалиброванных и некалиброванных данных, а также несколько практических результатов обработки облака точек откалиброванных и некалиброванных данных. 5.1. Описание набора данных Для следующей проверки мы подготовили набор данных, состоящий из 100 облаков точек. Эти облака точек были получены внутри здания в специальной экспериментальной зоне с известными размерами и формой. Эта область используется для различных фотограмметрических экспериментов. Длина измеряемого участка составляет 26 метров, и каждое измерение проводилось в разном положении. Потолок, все стены и пол взаимно перпендикулярны, а все поверхности плоские. 5.2. Статистическая оценка Основная проблема измерений, выполняемых неоткалиброванным LRF, была упомянута в разделе 2.1. Проблема обычно создает искривление поверхностей в измеряемой среде. Этот поворот значительно усложняет или даже препятствует дальнейшей обработке данных. Поэтому мы проверим качество калибровки, наблюдая за плоскостностью измеряемых поверхностей. Данные для статистической оценки были подготовлены в следующие этапы: (1) Из каждого (некалиброванного и откалиброванного) облака точек мы выбрали самый большой горизонтально ориентированный сегмент и самый большой вертикальный сегмент.В результате у нас было 200 пар откалиброванных и неоткалиброванных облаков точек, каждое с одним и тем же набором точек. (2) Идеальная виртуальная плоскость была подогнана для каждого откалиброванного и некалиброванного облака точек, а расстояние со знаком (ориентированное) между точками и идеальной плоскостью (3) Статистически оценено отклонение расстояний в калиброванных и некалиброванных облаках точек. Результат статистической оценки виден на рисунке 17. График показывает сравнение абсолютных отклонений для горизонтальных неоткалиброванных и откалиброванных сегментов, обозначенных как HC и HU.Такое же сравнение проводится для вертикальных сегментов, обозначенных как VC и VU. Коробчатая диаграмма показывает уменьшение отклонений как в горизонтальных, так и в вертикальных облаках точек. Дальнейший статистический анализ показывает статистически значимые различия между неоткалиброванным и откалиброванным облаками точек. Альтернативный вид оценки показан на рисунках 18 и 19. Гистограммы расстояний со знаком были рассчитаны для некалиброванных и откалиброванных облаков точек.Гистограммы аппроксимированы оценкой плотности ядра. Рисунки показывают, что подавляющее большинство точек в откалиброванных облаках точек находятся в небольшом диапазоне от -20 до 20 мм. Отклонения в неоткалиброванных облаках точек разбросаны в гораздо большем диапазоне. Статистическая оценка показала, что предлагаемый процесс калибровки значительно улучшает результаты. 5.3. Практический вклад калибровки Основной причиной, которая заставила нас откалибровать LRF, было плохое использование полученных данных для дальнейшей обработки.Проблема проиллюстрирована на рисунке 2. С практической точки зрения нас интересует, отражают ли откалиброванные облака точек измеряемую среду без нежелательных отклонений или деформаций. Детали единичного измерения изображены на рисунке 20. На рисунке 20 (a) показан фрагмент потолка (горизонтальный сегмент), состоящий из неоткалиброванного облака точек. Потолок разделен на две части клиновидным зазором, как показано на рисунке 2, тогда как на рисунке 20 (b) показано откалиброванное облако точек, где потолок сформирован правильно в виде непрерывного облака точек без каких-либо нежелательных изгибов и пробелы. Аналогичные результаты были достигнуты для всех 100 облаков точек нашего файла данных. Такие данные можно без проблем обрабатывать в дальнейшем. Дополнительное положительное практическое влияние калибровки на дальнейшую обработку облака точек показано на рисунке 21. Рисунок 21 (a) показывает результат сегментации одного неоткалиброванного облака точек. В процессе сегментации точки разделяются на 9 сегментов (каждый сегмент отмечен другим цветом). С другой стороны, на рисунке 21 (b) показан результат процесса сегментации для того же измерения, но с откалиброванным облаком точек.Откалиброванные точки были разделены всего на 5 сегментов, что и ожидалось в результате. Мы продемонстрировали преимущества калибровки на примере сегментации облака точек, значительно уменьшив количество поддельных сегментов. Тем не менее, сегментация — не единственный процесс, который выиграет от результатов калибровки. 6. Заключение В этой статье представлена ​​методика калибровки, подходящая для ближнего дальнего действия LRF. Prev post Демпфер кухонный: Мебельные демпферы - купить демпферы для мебели по низкой цене в интернет-магазине Касторама Next post Как определить пучинистый грунт или нет: Что такое пучинистые грунты — SGround.ru Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт LRF Нормальный вектор Высота над основанием [мм] [−2.49, 8,30, 1000] 85,6 -0,53 LRF-2 [1,68, 10,46, 1000] 43,5 0,28 LRF-3 1000, 2,86 60560 ] 50,9 0,14 LRF-4 [−3,86, −1,51, 1000] 69,4 −0,22