做一个激光测距测高仪

谢作如 郑一粟

笔者做激光测距测高仪的想法源自一款用摄像头作为测量工具的APP。这类APP的测量原理是根据手机、平板的摄像头成像的比例关系，计算出测量距离和物体高度。例如，iPhone有款软件叫“光学测距仪”，运行界面如图1所示。

在使用过程中，笔者发现这类APP的操作其实还是比较麻烦的，因为需要参照物。如果要测量某头顶某条梁的长度，或者屋顶离地面的高度，基于摄像头的测量软件几乎是无能为力了。那么，有没有其他的解决方案呢？于是，笔者与学生一起进行研究，最终基于激光的测距测高仪就这样产生了。

● 原理

笔者准备使用激光作为测量工具，并非使用反射时间来计算。接下来要用到数学知识了。如果要测量物体P到物体T的距离，可以用这样的办法：如图2所示，在物体P处找两个点，如A、B，分别连接物体T的C点。这时，只要知道∠BAC（θ1）和∠ABC（θ2）的角度，以及AB线段的长度，就可以算出C点到AB的垂直距离L。

计算公式为：

只要能得到这两个夹角的准确角度，就可以计算出物体离测量仪器的距离了。然后，是否还可以利用这样的原理继续得到物体的高度或者长度呢？（参见图3）

如果在测量仪器上设置3个点。其中点1连接被测物体的一端A，点2和点3分别连接被测物体的另一段B。只要得到线段ab的长度及角度θ1、θ2和θ3的大小，便可以求出被测物的高度h以及测距仪器与被测物的水平距离x。

那么，连接测量仪器和被测物体的直线用什么来实现？毫无疑问，激光是最好的方案。因为激光具有定向发光、亮度极高的特点。只要把3个激光发射头安装在测量仪器上，手动调整其中两束激光在被测物体的一个端点上重叠，另一束激光则发射在物体的另一端点。只要能确保测量仪器和被测物体之间是平行的，就能计算出距离和高度。

● 材料

根据上面的原理，要制作一个这样的激光测距测高仪，大致需要如下材料。

1.微控制器

因为涉及计算，就需要用到一个小型的中央处理器。由于笔者仅是为了做出一个模型，所以就选择了常见的Arduino。如果在意计算的精度，可以选择树莓派或者pcDuino之类的迷你电脑。

2.角度传感器

角度传感器的选择是最重要的，因为要获取精确的角度进行计算。牵一发而动全身，一点点的误差，经过计算放大后，误差就很可怕了。在淘宝上常见的角度传感器如图4所示。

这种传感器的旋转角度最多只有300度，将5V电压均分到每1度后，精度是相当低的。后来笔者又在淘宝上找到了多圈的精密角度传感器（如图5），才算初步解决了误差的问题。

3.液晶显示器

计算结果如果需要实时显示，那么仪器上就需要液晶显示屏，或称LCD。因为仪器上仅仅需要显示几行字符，所以笔者选择了标准1602液晶显示屏（如图6），两行，每行显示16个字符。

4.激光头

激光头利用的是低功率的可视激光，常见的激光指示器有红光（655/635nm）、黄光（589/593nm）、绿光（532nm）、蓝光（473/445nm）和蓝紫光（405nm）等。起初，笔者把手头的电子教鞭拆了，后来发现淘宝上有现成的激光头卖（如图7），笔者选择了一款5V的，直接使用Arduino输出的5V电流。需要注意的是，激光头很危险，绝对不能用肉眼去看，建议调试的时候先不要给激光头供电。

● 接线

1.角度传感器的接线

角度传感器接在Arduino的模拟口（如图8），如果3个角度传感器分别用跳线接入Arduino控制板会显得很乱，于是笔者使用了一块扩展板。

2.激光头的接线

激光头的电源直接从Arduino的5V和Gnd上接出。

3.显示屏的接线

笔者使用的LCD是IIC/TWI接口的，用4根线连接到Arduino扩展板的专用接口即可（如图9）。

● 编程

Arduino的代码比笔者想象中简单，其核心代码如下页表所示。

最终的测试效果如下页图10所示，显示屏上第一行数据是传感器的参考值，第二行数据分别是距离和高度，用“|”分开。例如，想要测量一堵墙的高度，笔者先要将测量仪器保持垂直，一束激光束（激光点一）射向墙的一端，另外两束射向墙的另一端，按下按钮，Arduino就可以实时计算，便可得到树的高度和人与树之间的距离了。

● 包装

为了看起来像个作品，笔者使用雕刻机制作了激光头和角度传感器的连接件（如图11）。当然，用3D打印机打印也是可以的，只是当时笔者的创客空间还没有买3D打印机。

再用雕刻机做一个底板，固定这些仪器。3个激光头排列在一起，看起来是不是很酷？旁边一条四线的接口是预留给接LCD用的，图12为整体效果。

再看看另一面的效果，虽然线有点多，但是并不是很乱（如图13）。

这款仪器的使用步骤如下：①连接电池，保持仪器呈垂直状态；②打开电源，显示屏若未正常显示数字，请按下Arduino主板上的reset按钮；③调节“下、中”激光，同时对准被测物体下端；④调节“上”激光，对准被测物体上端；⑤在显示屏上将显示X（测距仪与被测物之间的水平距离）与Y（被测物两个端点之间的距离）。

● 优化

正如一开始担心的那样，因为角度传感器的精度问题，测量距离稍微远一点的物体，误差就很大了。因为如果距离一远，角度传感器上的1度，对应的就是一两米的距离。要解决这个问题，找精度很高的角度传感器也无济于事，因为调节激光头给角度传感器带来的旋转角度实在太小了。除非如图14一样，用齿轮组将激光头的旋转角度放大，然后给角度传感器。

因为自己动手做齿轮组，误差还是挺大，因此笔者还试着拆了一个塑料的直流电机变速箱。但是这样一来，整个仪器的体积就要大很多，看来如果要实现做工精细并不是一件容易的事（如图15）。

笔者还为这款仪器设计了一个外壳，如图16所示。黑色是激光调节旋钮，红色按钮是开关。仅仅是设计，但并没有真正生产。

当然，如果仅仅考虑演示用激光进行测距、测高的原理，笔者也已经达到了探究的目的。其实这个作品原理还可以用于课堂教学。如果将角度传感器的数据接入电脑，使用S4A或者Scratch2.0之类的软件，教师可以直接使用这些数据进行教学或者验证一些数学原理，如三角函数、相似三角形等知识，定然会有助于学生的学习。

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