激光隧道表面測量儀的研制

李德信 胡朝旭

西安理工大學(xué)，西安，710048

0 引言

隧道表面尺寸、形狀的測量是隧道工程施工及檢測經(jīng)常進行的工作。傳統(tǒng)的人工表面測量方式是在隧道中確定一個基點后，用手工方式測量此基點與表面若干被測點之間的距離，再對測量數(shù)據(jù)進行后處理。在這種測量方式中，整個測量過程均由操作者手工操作完成，勞動強度大，測量周期長，且由于操作人員技術(shù)水平高低不同，會造成不同程度的測量誤差［1］。

數(shù)字化的表面形狀測量常常借助于各種測距元件進行，常見的測距元件有紅外線測距元件、雷達測距元件和激光測距元件等。數(shù)字化的測量方式具有精度高、效率高、勞動強度低等特點，以上幾種測距元件中，使用最廣、測量精度比較高的是激光測距元件［2］。借助測距元件進行測量時所依據(jù)的原理與手工用尺子測量的方式基本一致，只是確定基點與表面若干被測點之間距離的方式用測距元件來完成，對測量數(shù)據(jù)的后處理，諸如計算和繪圖等，通過電腦完成［1］。

傳統(tǒng)的隧道斷面激光測量儀在使用時，固定好儀器后，激光測距元件只能繞一個軸轉(zhuǎn)動，僅能測量該表面上的一條曲線，不能自動連續(xù)測量整個表面。若需要測量整個表面，便需要移動儀器，重新定位進行測量，然后綜合幾次測量的結(jié)果，才可生成表面形狀，這樣便使測量變得繁瑣，且重新定位會影響測量精度。本文所設(shè)計的隧道表面激光測量儀，在一次固定后，激光測距元件可同時繞兩個相互垂直的軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對某個表面的自動連續(xù)測量，同時，該儀器還具有掃描測量物體外形的功能。

1 激光隧道表面測量儀系統(tǒng)的原理

激光隧道表面測量儀工作時，測距元件依靠激光測量距離。測距元件在工作時向目標(biāo)射出一束激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到返回被接收的時間，經(jīng)過計算得出所測距離［3－4］。

測量隧道表面時，有兩個特點：一是表面頂部的位置較高，人員不易觸及；二是需要逐點測距，數(shù)據(jù)量大。對測距儀的基本要求是：①無合作目標(biāo)測距功能（即不需棱鏡或其他反射物體來反射測距光束）；②測距速度快，一般1～2s就能測距一次；③測距儀有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出接口，如RS232或USB接口，以方便與計算機等設(shè)備連接；④測距儀誤差應(yīng)能控制在一定范圍之內(nèi)，一般是±5mm；⑤測距頭體積和重量應(yīng)較小，便于移動、系統(tǒng)集成和操作［5］。本文中所采用的激光測距元件DISTO OEM module3.0WH30可以滿足上述要求。

1.1 激光隧道表面測量儀的測量原理

如何控制激光測距元件發(fā)出的激光在隧道表面上自動連續(xù)掃描測量曲面輪廓，是本文所設(shè)計的儀器的關(guān)鍵所在。圖1所示的斷面測量儀只能繞一個軸轉(zhuǎn)動，在工作時，一次安裝僅能測量一條曲線（一個斷面），不能連續(xù)測量曲面，若要實現(xiàn)對曲面的測量，需移動儀器，重新定位測量，這樣就增加了測量工作量，降低了測試效率，且重新定位后，測量精度會受到影響。要使儀器在工作時能實現(xiàn)對曲面的自動連續(xù)掃描測量，需要使儀器的機械運動部件滿足以下要求：①測距儀具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度，即可以分別繞兩個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)；②激光測距元件測量一個點大約需1～2s，因此，每轉(zhuǎn)過一定角度，需等待激光測距元件測量完成后，方可轉(zhuǎn)向下一角度測量，需要控制步進電機的啟停和旋轉(zhuǎn)速度。綜合以上兩點，本文設(shè)計的測量儀機械運動部分原理圖如圖2所示。

圖1 激光隧道表面測量儀的測量原理

圖2 機械運動部分原理圖

圖2中，激光測距元件與安裝在上箱座中的步進電機2連接在一起，在步進電機2的帶動下，激光測距元件可以繞X軸旋轉(zhuǎn)；上箱座又與安裝在底座中的步進電機1連接在一起，這樣，在步進電機1的帶動下，激光測距元件與步進電機2可以同時繞Y軸轉(zhuǎn)動。由此本文設(shè)計的測量儀實現(xiàn)了激光測距元件在兩個自由度下的運動，可以實現(xiàn)對曲面的自動連續(xù)測量。測量儀工作時，兩個方向的轉(zhuǎn)動由控制系統(tǒng)控制，并記錄下轉(zhuǎn)動信息。

1.2 激光隧道表面測量儀系統(tǒng)的控制原理

圖2所示的機械部分在工作時，激光測距元件繞X軸旋轉(zhuǎn)一周后（或按照用戶需要測完某個范圍），即可完成一個斷面的測量，然后，上箱體在步進電機1的帶動下旋轉(zhuǎn)一個角度，激光測距元件再次繞X軸旋轉(zhuǎn)便可以對下一個斷面進行測量。

在測量過程中，測量得到的數(shù)據(jù)需及時顯示出來，以方便操作者及時掌控。因此，顯示器是必不可少的，且顯示器具有實時監(jiān)測測量進程以及顯示測量后生成的表面圖形的作用。

在測量完成后，數(shù)據(jù)除了可以立刻被CPU處理生成表面形狀圖以外，還可以將數(shù)據(jù)儲存下來，以方便對數(shù)據(jù)做進一步的處理和后續(xù)使用，因此，數(shù)據(jù)存儲也是該系統(tǒng)必備的部分。為了使用方便，設(shè)計了打印機來打印測量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)可能會需要后續(xù)處理，單靠儀器的CPU可能無法完成。因此，儀器需要與PC機之間保持通信關(guān)系，能在測量的同時將數(shù)據(jù)送入PC中進行處理和保存。

綜合以上分析，圖3為所設(shè)計的測量儀的系統(tǒng)控制原理圖。該系統(tǒng)可根據(jù)操作者的控制指令，控制兩個步進電機運動，同時向激光測距元件發(fā)送測量命令，測量結(jié)果返回CPU后，進行數(shù)據(jù)的處理，顯示器顯示測量進程和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，打印機可將數(shù)據(jù)打印出來，便于保存。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 CPU的選擇

CPU需控制激光測距元件、步進電機和實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的簡單處理，更復(fù)雜的處理可以通過功能更強的PC機來實現(xiàn)。考慮儀器控制相對比較簡單和成本問題，CPU采用單片機即可實現(xiàn)所需控制功能，本文選用STC89C516單片機作為CPU，它具有63KB的Flash程序存儲器和1280B的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可以滿足程序及數(shù)據(jù)存儲的需要，且不需外接存儲器，其價格相對較低［6］。

2.2 PC機、激光測距元件的連接

激光測距元件DISTO OEM module3.0 WH30，采用RS232串口來接收測量命令并返回測量結(jié)果。單片機的串行接口通過MAX232轉(zhuǎn)換電平后，與激光測距元件的RS232串口連接，便可向激光測距元件發(fā)送測量指令并接收測量結(jié)果。

單片機的串行接口通過MAX232轉(zhuǎn)換電平后也可與PC機進行通信。但單片機只有一個串口，為了能同時連接激光測距元件和PC機，需對單片機串口進行擴展，以實現(xiàn)單片機與PC機和激光測距元件通信。

2.3 步進電機的連接

步進電機的控制采用步進電機驅(qū)動器來實現(xiàn)，單片機需向步進電機驅(qū)動器發(fā)送走步和方向脈沖，實現(xiàn)對步進電機走步和方向的控制。單片機的P1.0、P1.1和P1.2、P1.3分別接兩個步進電機驅(qū)動器的走步和方向脈沖輸入端。其中，接步進電機1驅(qū)動器的P1.0為正反轉(zhuǎn)控制端，P1.1為走步控制端；接步進電機2驅(qū)動器的P1.2為正反轉(zhuǎn)控制端，P1.3為走步控制端。通過以上連接，步進電機便可以按照單片機發(fā)出的控制信號運動，實現(xiàn)對激光測距元件轉(zhuǎn)向和速度的控制。

2.4 鍵盤、顯示、打印和存儲

由于單片的I／O口有限，若同時連接VGA顯示器、打印機和鍵盤會出現(xiàn)I／O口不夠用的情況，因此，需對單片的I／O口進行擴展，將P0口通過擴展后分別連接鍵盤、VGA顯示器和打印機。

鍵盤是用戶控制該儀器的設(shè)備，鍵盤需對激光測距元件、步進電機、打印機等的工作過程進行控制，這里采用單片機系統(tǒng)常用的4×4矩陣式鍵盤，共16個按鍵。

VGA顯示器可以顯示彩色圖形和文字，在本儀器中主要用來顯示測量的進程、結(jié)果和生成的圖形。

數(shù)據(jù)在打印時，考慮到儀器需便于移動、打印方便等特點，因此，打印機采用μp－A面板式微型打印機。該打印機可以打印ASCII字符，英文字符、少量的漢字和各種圖形符號，可直接用單片機進行控制，編程簡單，且這種打印機體積小，可以鑲嵌在儀器內(nèi)，采用針式打印，打印成本低。

數(shù)據(jù)存儲采用SD卡，SD卡具有存儲容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失等優(yōu)點，是現(xiàn)在各種電子產(chǎn)品中廣泛使用的存儲設(shè)備，造價不高。單片機在讀寫SD卡時，需要用四個端口模擬SPI模式來實現(xiàn)與SD卡的通信，四個端口分別連接SD卡的片選（CS）、數(shù)據(jù)0（D0）、數(shù)據(jù)1（D1）和時鐘信號（SCL）［7］。因此，用P1.4～P1.7四個引腳接SD卡進行數(shù)據(jù)存儲。這里要注意的是，SD卡的邏輯電平相當(dāng)于3.3VTTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而單片機的邏輯電平為5V，高于SD卡工作時的電壓，若直接相連，會燒毀SD卡。因此，需要解決電平匹配問題。本文采用74HC244作為電平轉(zhuǎn)換芯片。單片機與SD卡通過一片74HC244連接，當(dāng)對74HC244輸入3.3V電壓時，不論輸入高電平是5V還是3.3V，其輸出高電平均為3.3V，可以滿足電平匹配問題。

綜合以上部分，所設(shè)計儀器的硬件電路原理如圖4所示。

圖4 硬件電路原理圖

3 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的測量儀軟件包括兩部分：一部分為硬件控制程序，另一部分為數(shù)據(jù)后處理程序。

硬件控制程序主要有系統(tǒng)主程序、初始化程序、中斷服務(wù)程序、鍵盤掃描子程序、鍵盤處理及數(shù)據(jù)處理子程序、打印子程序、串行通信子程序、步進電機控制子程序、數(shù)據(jù)采集及處理子程序、報警子程序等。數(shù)據(jù)進一步詳細(xì)的處理需在PC機上進行，本文還編制了測量儀與PC機之間的通信程序，用來實現(xiàn)二者的通信。測量數(shù)據(jù)的后處理是所設(shè)計的測量儀的另一個重點部分。數(shù)據(jù)的后處理一般要完成以下工作：實測表面圖數(shù)據(jù)的預(yù)處理、坐標(biāo)系的確定、坐標(biāo)值的計算、設(shè)計表面的繪制、實測表面與設(shè)計表面的比較等。所設(shè)計的測量儀的軟件系統(tǒng)流程如圖5所示。

開始測量時，首先設(shè)定需要測量的表面范圍，然后CPU向激光測距元件發(fā)送測量命令，對一個點進行測量，測量完成后將當(dāng)前點的測量數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)存入到SD卡中，同時傳輸該數(shù)據(jù)至PC機，然后判斷所設(shè)定的測量范圍是否測量完成，若測量完成，則判斷一行是否測完，若一行測量完畢，則步進電機1轉(zhuǎn)過一個步距角，進行下一行的測量，若一行沒有測完，步進電機2轉(zhuǎn)動一個步距角，進行該行下一個點的測量。因為激光測距元件在步進電機2的帶動下繞X軸轉(zhuǎn)動時，假設(shè)測量第一行是順時針從0°旋轉(zhuǎn)到180°，那么第一行測量完成后，第二行的測量就要使激光測距元件逆時針從180°旋轉(zhuǎn)到0°。因此，程序在運行時，需要判斷所測量的是奇數(shù)行還是偶數(shù)行，以確定步進電機2的轉(zhuǎn)向。當(dāng)測完整個表面后，操作者可以選擇是否打印測量數(shù)據(jù)。最后，相關(guān)數(shù)據(jù)清零，為下一次測量做好準(zhǔn)備。

圖5 測量程序流程

軟件的硬件控制程序采用C語言編寫，并通過Keil C51軟件編譯成HEX文件，下載到單片機中。考慮到MATLAB具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，PC機中的數(shù)據(jù)后處理軟件采用MATLAB與VC＋＋混合編程的方法，在VC＋＋中調(diào)用 MATLAB程序，完成對數(shù)據(jù)的后處理［8］。整個儀器的程序較為繁瑣，因此，以下僅給出幾個關(guān)鍵部分的程序代碼。

（1）激光測距元件測量命令關(guān)鍵代碼：

send＿ch（＂a＼r＼n＂）；／／發(fā)送復(fù)位命令

DelayMS（10）；／／延時10ms

send＿ch（＂G＼r＼n＂）；／／發(fā)送測量命令（G命令）

DelayMS（10）；／／延時10ms

for（i＝0；i＜＝14；i＋＋）／／接收激光測距元件返回的測量結(jié)果，存在數(shù)組a中

｛

a［i］＝get＿byte（）；／／get＿byte（）為從串口接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)

｝

（2）步進電機控制關(guān)鍵代碼（步進電機1正轉(zhuǎn)代碼）：

P1＿5＝0；／／P1.5置為低電平，控制步進電機1正轉(zhuǎn)

P1＿4＝0；／／P1.4置為低電平

DelayMS（5）；／／延時5ms

P1＿4＝1；／／P1.4置為高電平，向步進電機驅(qū)動器發(fā)送走步脈沖

DelayMS（5）；／／高電平狀態(tài)延時5ms

P1＿4＝0；／／P1.4置為低電平，一個脈沖結(jié)束

（3）數(shù)據(jù)存儲關(guān)鍵代碼：

FAT32＿Create＿File（＆FileInfo，＂＼＼data.txt＂，Create＿DT）；／／在SD卡中創(chuàng)建保存數(shù)據(jù)的文本文檔data.txt

strcpy（str，＆a）；／／將數(shù)組a中的數(shù)據(jù)拷貝到數(shù)組str中

strcat（str，＂＼r＼n＂）；／／在str數(shù)據(jù)后加換行

FAT32＿Add＿Dat（＆FileInfo，strlen（str），str）；／／將數(shù)據(jù)寫入data.txt文件

FAT32＿File＿Close（＆FileInfo）；／／關(guān)閉文件

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機關(guān)鍵代碼：

while（cp［i］！＝0）／／判斷字符串是否結(jié)束

｛

TI＝0；

SBUF＝cp［i］；／／發(fā)送一字節(jié)

while（！TI）；／／發(fā)送完畢

i＋＋；／／移到下字節(jié)

｝

4 測量實例

為了驗證儀器的使用情況，選擇某塑料棚的局部進行了試驗測量，并繪制了所測表面的三維圖形。

按照圖5給出的測量流程，使用隧道表面激光測量儀對所選表面進行測量，測量完成后，將所測得的距離值按照球面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為OXYZ三維直角坐標(biāo)系，測量及轉(zhuǎn)換后的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。其中，測量位置（i，j）中的i表示測量的是第i個斷面，j表示測量的是第i個斷面的第j個點。通過數(shù)據(jù)后處理軟件將所測點的數(shù)據(jù)進行處理，生成所測表面的網(wǎng)格圖，如圖6所示，圖中X軸平行于（或重合于）隧道中線，Y軸與隧道中線垂直，因此，XOY坐標(biāo)平面為水平面，Z軸為垂直于XOY坐標(biāo)平面（水平面）的軸。

表1 實際測量的部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖6 墻面的三維圖

5 結(jié)束語

本文采用激光測距元件作為測量傳感器，設(shè)計研制了激光隧道表面測量儀，并對該儀器的硬件組成、控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件進行了分析和設(shè)計。該儀器可以實現(xiàn)繞相互垂直的X軸和Y軸轉(zhuǎn)動，能對隧道表面的形狀進行測量，并生成被測量表面的三維圖。使用該儀器對實際墻面進行了測量，測量數(shù)據(jù)和生成的墻面圖形符合被測表面的實際形狀。該測量儀除了可以測量隧道表面形狀外，還可以用于一般物體的外形測量，如煤堆、土堆等外形的掃描測量，以此來推算其體積和重量。儀器測量速度快、測量準(zhǔn)確、便于攜帶、用途較為廣泛。

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