摘要：生活中許多目標(biāo)的高度和水平距離需要進(jìn)行測(cè)量。目前主要的測(cè)量方法，仍以傳統(tǒng)的皮尺丈量為主，測(cè)量效率不高，有時(shí)還很不方便，沒(méi)有技術(shù)成熟的數(shù)字式測(cè)高測(cè)距產(chǎn)品。以基本的數(shù)學(xué)方法為理論依據(jù)，利用遙控小車(chē)做為載體，采用角度傳感器測(cè)量角度、霍爾傳感器測(cè)量水平距離等，通過(guò)單片機(jī)LM3S615進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)目標(biāo)物體的高度、水平距離等數(shù)據(jù)的快速、精確和數(shù)字式的測(cè)量，高度測(cè)量精度可達(dá)99．06％，水平測(cè)量精度則可迭98．06％。
關(guān)鍵詞：測(cè)高；測(cè)距；LM3S615；角度傳感器；霍爾傳感器；LCD液晶顯示
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于測(cè)高、測(cè)距的研究主要集中在基于對(duì)衛(wèi)星、雷達(dá)等信號(hào)進(jìn)行的處理，其應(yīng)用范圍主要集中在軍事、海洋或地質(zhì)等數(shù)據(jù)的測(cè)量及勘測(cè)。應(yīng)用于解決日常生活的研究則很少，比如測(cè)量難于用傳統(tǒng)方法測(cè)量的定目標(biāo)高度、水平距離等。即使有研究也主要是采用機(jī)械方法或?qū)鹘y(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)或修繕。目前發(fā)達(dá)的電子信息科學(xué)技術(shù)，給這些日常生活中的高度和距離測(cè)量，提供了新的思路和解決方案。本設(shè)計(jì)將利用遙控小車(chē)做為測(cè)量工具，分別采用角度傳感器、霍爾傳感器等傳感器來(lái)獲得測(cè)量物理數(shù)據(jù)并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)目標(biāo)物體的高度、水平距離等數(shù)據(jù)的快速、精確和數(shù)字式的測(cè)量。
1 理論分析與計(jì)算
1．1 設(shè)計(jì)原理分析及計(jì)算
小車(chē)自動(dòng)測(cè)高測(cè)距的過(guò)程及相關(guān)參數(shù)如圖1所示。當(dāng)小車(chē)停放在A點(diǎn)時(shí)，遙控小車(chē)的裝置調(diào)整角度，使測(cè)量光點(diǎn)定點(diǎn)到C點(diǎn)，測(cè)量并存儲(chǔ)此時(shí)的角度α；之后，遙控控制小車(chē)前進(jìn)，使小車(chē)沿直線行進(jìn)到達(dá)B點(diǎn)，并再次調(diào)整測(cè)量裝置，使測(cè)量光點(diǎn)再次定點(diǎn)到C點(diǎn)，并測(cè)量記錄此時(shí)的角度β。并對(duì)從A到B的行進(jìn)距離L進(jìn)行測(cè)量和記錄。利用以上數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的高度H及小車(chē)距離待測(cè)目標(biāo)的距離S，計(jì)算式如下式(1)所示。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
從測(cè)量過(guò)程看，需要進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)有角度α、角度β和小車(chē)行進(jìn)距離L。通過(guò)對(duì)器件的反復(fù)比較，在本設(shè)計(jì)中，采用安裝在舵機(jī)上的激光光源作為定點(diǎn)C點(diǎn)的裝置；采用角度傳感器來(lái)進(jìn)行角度的測(cè)量；采用霍爾傳感器作為距離測(cè)量的傳感器；采用單片機(jī)作為主要控制單元，來(lái)控制小車(chē)直線行進(jìn)、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)定點(diǎn)、角度及距離數(shù)據(jù)的獲取和計(jì)算及測(cè)量數(shù)據(jù)的LCD顯示等。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1)總體設(shè)計(jì)方案 通過(guò)以上分析，可將系統(tǒng)分為5部分：角度檢測(cè)模塊、水平距離檢測(cè)模塊和遙控控制模塊、LCD液晶顯示模塊、信號(hào)處理以及控制模塊。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
總體設(shè)計(jì)方案為L(zhǎng)M3S615處理器通過(guò)角度傳感器，采集第1次角度傳感器測(cè)量信號(hào)并存儲(chǔ)，遙控控制小車(chē)并調(diào)節(jié)角度通過(guò)一段距離，采集第2次角度傳感器測(cè)量信號(hào)，同時(shí)利用霍爾傳感器對(duì)兩次測(cè)量間的小車(chē)行進(jìn)距離進(jìn)行測(cè)量，最終通過(guò)LM3S615處理器通過(guò)算法公式得出具體高度并送入LCD12864液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。
2)角度信號(hào)檢測(cè)方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用巨磁電阻角度傳感器，它是利用巨磁電阻在一定的磁場(chǎng)下電阻值急劇減小這一特性開(kāi)發(fā)的角度測(cè)量傳感器。它具有線性好、線性范圍寬、體積小、靈敏度高(分辨率可以達(dá)到12位，精度達(dá)到10位，最低分辨率為0．01度)、響應(yīng)頻率高等一系列的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是成本較高。
3)水平距離檢測(cè)方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行水平距離測(cè)量，它具有體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，而且集成化的霍爾傳感器在感應(yīng)到磁場(chǎng)變化時(shí)，會(huì)有一個(gè)數(shù)字量的高低電平跳變的特性，可以利用這個(gè)特性達(dá)到計(jì)數(shù)的目的。
4)控制器模塊設(shè)計(jì) 采用LM3S615ARM作為控制器，Luminary Micro StellarisTM系列的微控制器是首款基于ARM Cortex-M3的控制器，它將高性能的32位計(jì)算引入到對(duì)價(jià)格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中。考慮到精度以及運(yùn)行速度要求不太高等諸多因素，決定采用LM3S168ARM作為本設(shè)計(jì)的處理器模塊。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)共包含電源、角度數(shù)據(jù)信號(hào)采集、距離數(shù)據(jù)信號(hào)采集、遙控控制、數(shù)據(jù)信號(hào)控制、數(shù)據(jù)信號(hào)顯示6個(gè)主要模塊。具體介紹如下。
1)控制部分電路設(shè)計(jì) 控制部分必須完成紅外控制部分軟件解碼功能、電機(jī)運(yùn)行控制功能、舵機(jī)控制功能、霍爾傳感器計(jì)數(shù)功能、激光器控制、角度傳感器數(shù)據(jù)采集功能以及LCD控制。控制部分電路如下圖3所示。
2)驅(qū)動(dòng)電路 本車(chē)采用原車(chē)自帶的雙直流減速電機(jī)，74V就能很好的工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N，該芯片分別獨(dú)立控制兩路電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)向，保證兩路電路的參數(shù)的對(duì)稱，有利于保持小車(chē)行駛的穩(wěn)定性和精確性，也降低了電路的設(shè)計(jì)難度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用LM3S615ARM作為控制芯片，通過(guò)紅外遙控控制小車(chē)水平行走，調(diào)節(jié)角度傳感器采集數(shù)據(jù)，每次測(cè)量一組數(shù)據(jù)將角度數(shù)據(jù)和水平行駛距離存儲(chǔ)并等待下一次操作。程序流程圖如圖5所示。
5 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試
5．1 系統(tǒng)調(diào)試
1)舵機(jī)調(diào)試 將舵機(jī)、角度傳感器和激光器安裝好。安裝舵機(jī)時(shí)必須保證舵機(jī)能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°以上，激光器與小車(chē)水平，角度傳感器的輸出電壓小于2 V。
2)小車(chē)速度控制 為使小車(chē)能走直線，系統(tǒng)使用了兩個(gè)PWM端口控制小車(chē)的左右輪速度，將其PWM占空比設(shè)為相同，然后測(cè)試修改占空比直至小車(chē)能走直線。
3)紅外軟件解碼 紅外編碼采用了脈沖位置調(diào)制方式(PPM)，利用脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)區(qū)分“0”和“1”。調(diào)試時(shí)通過(guò)改變碼字所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，直至能接收到正確的數(shù)據(jù)。
5．2 測(cè)試結(jié)果和結(jié)果分析
5．2．1 測(cè)試結(jié)果
1)離被測(cè)點(diǎn)水平距離9．26 m，以L=1 m為差值不斷前進(jìn)，測(cè)同一點(diǎn)高度，記錄如表1所示。
2)離被測(cè)點(diǎn)水平距離9．26 m，以L=2 m為差值不斷前進(jìn)，測(cè)同一點(diǎn)高度記錄，如表2所示。
3)離被測(cè)點(diǎn)水平距離9．26 m，以L=3 m為差值不斷前進(jìn)，測(cè)同一點(diǎn)高度記錄，如下表3所示。
5．2．2 結(jié)果分析
從以上3表的測(cè)量結(jié)果來(lái)看其整體測(cè)量平均值為H=(3．96+4．11+4．22)／≈4．10 m，其絕對(duì)誤差約為16 cm，測(cè)量精度為96．24％。同時(shí)從3表可以看出隨著水平間距的增大其誤差漸漸變小，因此說(shuō)明角α，β差值越大測(cè)量越精確，高度測(cè)量的最高精度可99．06％，水平距離最高精度可達(dá)98．06％。
6 結(jié)論
本產(chǎn)品基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的精度，在選擇好適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)參數(shù)時(shí)，高度測(cè)量精度可達(dá)99．06％，水平距離精度可達(dá)98．06％，相對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法更加簡(jiǎn)單直觀；進(jìn)行一些改裝就能應(yīng)用于實(shí)際生活中，可減少對(duì)目標(biāo)物體的高度和水平距離的測(cè)量時(shí)間和提高測(cè)量精度，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。