項(xiàng)目研究報(bào)告論文

1、項(xiàng)目研究報(bào)告論文：立木樹干移動(dòng)探測算法誤差補(bǔ)償研究摘要當(dāng)前，障礙藥帶精準(zhǔn)對(duì)靶施藥技術(shù)的最首要的問題：如何自動(dòng)準(zhǔn)確的獲得樹木樹干的位置、輪廓等特征信息，這個(gè)問題也是制約其實(shí)現(xiàn)的瓶頸所在。激光測距為非接觸式測量，利用了激光的反射性原理。采用LMS511激光掃描儀（2D型的激光掃描儀），采集樹干的輪廓信息。利用最小二乘法得到KASA算法、MLS算法、AI算法三種定位識(shí)別算法，利用VC+將這三種算法編成程序，LMS511激光掃描儀測得數(shù)據(jù)分別采用KASA算法、MLS算法、AI算法，對(duì)樹干進(jìn)行定位識(shí)別。記錄下三種算法測得的數(shù)據(jù)，對(duì)三種算法測得的數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析這些算法所測得數(shù)據(jù)的誤差變化

2、規(guī)律，對(duì)三種算法的誤差精度進(jìn)行對(duì)比。從而選定最合適的定位識(shí)別算法，以實(shí)現(xiàn)立木樹干的精準(zhǔn)、自動(dòng)、快速識(shí)別，從而為精準(zhǔn)是要提供信息。關(guān)鍵詞：激光測距，LMS511，激光掃描儀，定位識(shí)別算法，誤差分析1緒論1.1激光測距機(jī)組成、原理及其優(yōu)點(diǎn)1.1.1激光測距原理激光測距機(jī)是指利用射向目標(biāo)的激光脈沖或連續(xù)波激光束測量目標(biāo)距離的一種距離測量儀。利用激光脈沖的稱為脈沖激光測距機(jī)，利用連續(xù)波激光束的稱為連續(xù)波激光測距機(jī)。 激光測距是光波測距中的一種測距方式，如果光以速度在空氣中傳播在A、B兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為，則A、B兩點(diǎn)間距離可用下列表示。式中：-表示測站點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間的距離； -表示光在大氣中的傳播

3、速度； -表示光在站點(diǎn)A、B之間的往返時(shí)間。1.1.2激光測距機(jī)的組成 激光接收機(jī)由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器和放大器、接收電路和計(jì)數(shù)顯示器組成，其作用是接收從目標(biāo)漫反射回來的激光脈沖回波并計(jì)算和顯示目標(biāo)距離。激光電源由高壓電源和低壓電源組成，其作用是提供電能。激光測距機(jī)的工作原理是利用脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或激光脈沖串，計(jì)數(shù)器測量激光脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)返回到接收機(jī)的往返時(shí)間，由此運(yùn)算目標(biāo)的距離。其工作過程是：首先瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后接通激光電源，起動(dòng)激光器，通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，向瞄準(zhǔn)的目標(biāo)發(fā)射激光脈沖信號(hào)。同時(shí)，采樣器采集發(fā)射信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器開門的脈沖信號(hào)，起動(dòng)計(jì)數(shù)器，鐘頻振蕩器向計(jì)數(shù)器有

4、效地輸入鐘頻脈沖，由目標(biāo)反射回來的激光回波經(jīng)過大氣傳輸，進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)，作用在光電探測器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，經(jīng)過放大器放大，進(jìn)入計(jì)數(shù)器，作為計(jì)算器的關(guān)門信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器從開門到關(guān)門期間，所進(jìn)入的鐘頻脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算得到目標(biāo)距離，在顯示器上顯示出來1。1.1.3激光測距機(jī)的優(yōu)點(diǎn)由于激光器與普通光源有顯著的區(qū)別，它利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應(yīng)，使得所發(fā)光束具有一系列特點(diǎn)：激光有小的光束發(fā)散角，即所謂的方向性好或準(zhǔn)直性好；激光的單色性好，或者說相干性好，普通燈源或太陽光都是非相干光；激光的輸出功率雖然有限度，但光束細(xì)，所以功率密度很高，一般的激光亮度遠(yuǎn)比太陽表面的亮度大。因而

5、采用激光器做光源的測距儀也就有一些優(yōu)于其他測距儀的特點(diǎn)。1.1.3.1測距精度高 高精度是激光測距最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，激光測距的誤差僅僅取決于儀器的精度，與實(shí)際操作者的操作和被測距離都無關(guān)。通常，戰(zhàn)術(shù)激光測距儀的誤差一般再5m以內(nèi)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)用到的測距儀精度更高，例如，由于在月球上安放有角反射器（合作目標(biāo)），最好的測距距離是 384401km，誤差僅為10cm，而將激光測距應(yīng)用在衛(wèi)星的精密測軌上，精度可以達(dá)到lcm。在日本，將測距設(shè)備用于預(yù)防地震的長距離監(jiān)測系統(tǒng)，全程84km，誤差小于lmm2。1.1.3.2測距儀體積小重量輕 小型化重量輕是測距設(shè)備的一個(gè)重要特點(diǎn)。在軍事裝備上的激光測距儀，體積小巧

6、，只有普通手機(jī)那么大，重量只有 10kg， 而最小測距儀的重量僅有 0.36kg3。激光由于其具有很好的方向性和干涉性，所以激光的散射角很小，一般可達(dá)到 1/20mrad，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，激光不需要很大的天線，只要直徑為 7.62cm 的天線即可發(fā)射出小發(fā)散角的激光光束，而想要讓微波也能發(fā)射出同樣發(fā)散角的光束，只需天線的直徑達(dá)到305m 以上即可。1.1.3.3分辨率高，抗干擾能力強(qiáng) 要求一定的分辨率和具備足夠的抗干擾能力是設(shè)備必須達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，激光所具有的的窄光束和短脈沖寬度的特點(diǎn)，不但大大提高了微波的橫縱雙向的目標(biāo)分辨率，而且還使得其不會(huì)受到電磁波和地波的干擾。例如，在導(dǎo)彈的初始階

7、段，微波測距由于受到地波的嚴(yán)重干擾，使其不能得到應(yīng)用，而激光卻能在此發(fā)揮良好的作用。在微波雷達(dá)中結(jié)合激光測距儀進(jìn)行應(yīng)用，可以充分發(fā)揮激光波速窄的特點(diǎn)，能有效的彌補(bǔ)微波雷達(dá)低仰角工作時(shí)受地面干擾的不足。而如果將激光測距與光學(xué)經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，組合而成光電跟蹤測量系統(tǒng)，不但可以作為靶場試驗(yàn)的測量設(shè)備，還可以用作武器的光電火力控制系統(tǒng)。目前，該激光測距儀在地面火炮的火控系統(tǒng)以及坦克火炮的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大大地提高了命中率4。1.2激光測距的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 測距在軍事和民用方面都有廣泛的用途。傳統(tǒng)的測距方法主要有超聲波測距和射頻電磁波測距等。激光作為測距手段，其方向性明顯優(yōu)

8、于前二者，而且激光具有良好的抵抗電磁波干擾的能力，尤其在探測距離較長時(shí)，激光測距的優(yōu)越性更為明顯。 激光器問世雖然只有半個(gè)世紀(jì)，但是發(fā)展迅速。從紅寶石激光器到Y(jié)AG激光器、餌玻璃激光器、二氧化碳激光器、受激拉曼射頻激光器、半導(dǎo)體激光器、光參震蕩激光器等，紛至沓來，激光測距技術(shù)迅猛發(fā)展。第一代紅寶石激光器已經(jīng)淘汰了；第二代Nd：YAG激光器上世紀(jì)80年代美歐國家大量裝備部隊(duì)，但對(duì)人眼不安全；第三代受激拉曼射頻激光器有著其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。還有最近研制的光參震蕩激光器，半導(dǎo)體激光器5。激光測距是指根據(jù)激光往返時(shí)間測定距離的方法,激光測距無論在軍事應(yīng)用,還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面都起著重要作用。由于激光

9、方向性強(qiáng)、高亮度、單色性好等特點(diǎn),且激光測距儀結(jié)構(gòu)小巧,安裝調(diào)整方便,故激光測距機(jī)是目前測距中較理想的儀器。具體可以用于測量長度、距離、速度等。由激光器特性,使其測量精度比一般儀器精度高很多,月J吏用方法簡便,對(duì)研究激光測距具有重要意義。近20年來,激光技術(shù)!微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,一批新型的電子測距儀試制成功并迅速投入生產(chǎn),如各種測程的激光測距機(jī)和紅外測距機(jī)等。激光測距機(jī)作為非接觸式的測量儀器,已被廣泛使用于遙感、精密測量、工程建設(shè)、安全監(jiān)測以及智能控制等領(lǐng)域,研究激光測距涉及多種學(xué)科技術(shù)。本次研究的目的和意義就是研究提高測量精度的方法,將新型器件與技術(shù)應(yīng)用于激光測距機(jī)之中6。1.

10、2.1激光測距技術(shù)國外發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)外在20世紀(jì)70年代初的一些測量儀器開始采用了激光技術(shù)，西方國家開發(fā)出了用途不同的測距系統(tǒng)，有單光束激光測距系統(tǒng)、二維激光掃描式測距系統(tǒng)等。其中一維激光測距系統(tǒng)用于測量距離，二維激光測距系統(tǒng)用于掃描平面，監(jiān)測一片區(qū)域，三維測距系統(tǒng)用于對(duì)空間的定位與三維輪廓測量等領(lǐng)域。由于激光測距有很多優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。國內(nèi)外很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域展開研究。 2008年，全球工業(yè)安全領(lǐng)域的邁賽展示了全新的LMS30，能夠產(chǎn)生一個(gè)達(dá)到190度的不可見的非接觸的監(jiān)控平面，并且可用軟件來自由控制監(jiān)控的區(qū)域，較易于滿足特殊的工業(yè)要求。近年來，勞意斯提出了一系列的測距系統(tǒng)，其分辨率可達(dá)

11、30mm。同時(shí)，萊卡公司也推出了用于不同場景的不同型號(hào)的激光測距系統(tǒng)，由其測距的快速性及電磁干擾的不敏感性而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域7。1.2.2激光測距的國內(nèi)情況20世紀(jì)70年代，國內(nèi)激光器樣機(jī)的研究出現(xiàn)了。北京光學(xué)儀器廠，蘇州第一光學(xué)儀器廠先后研制出He-Ne氣體激光器作光源的經(jīng)緯儀?？梢哉f，在起步階段我國的激光技術(shù)迅速發(fā)展，在技術(shù)上都已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平。在激光測距方面的研究，我國于1972年成功研制出了JCY1型精密氣體激光測距機(jī)，第二年推出了，JCY2型精密氣體激光測距機(jī)。1996年上海光機(jī)所成功設(shè)計(jì)出了便攜式半導(dǎo)體激光測距機(jī)，測距精度為0.5m。接下來幾年里，體積小、精度高的便攜式的測距

12、機(jī)成為研究的主題。在1999年，為了提高測量精度，詳細(xì)的判別了誤差來源。2007年中國科學(xué)院上海物理研究所采用了專用的時(shí)間間隔芯片，不僅增加了測距范圍，提高了測量精度，還便于控制和使用。2008年，中科院成功研制出了基于時(shí)輻轉(zhuǎn)換的激光測距系統(tǒng)，精度達(dá)到5mm，處于國際先進(jìn)水平。 在當(dāng)今這個(gè)科技發(fā)達(dá)的社會(huì)，激光測距的應(yīng)用越來越普遍。在很多領(lǐng)域，如電力，水利，通訊，環(huán)境，建筑，地址，警務(wù)，消防，爆破，航海，鐵路，軍事，農(nóng)業(yè)，林業(yè)，房地產(chǎn)，休閑，戶外運(yùn)動(dòng)等都可以用到激光測距儀。激光測距儀一般具有精確度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用領(lǐng)域廣、行業(yè)需求眾多，市場需求空間大。當(dāng)前激

13、光測距儀的發(fā)展趨勢(shì)是向測量更安全、測量精度高、系統(tǒng)耗能小、體積小型化方向發(fā)展。激光測距儀一般分為兩種：脈沖式激光測距儀和相位式激光測距儀。其中脈沖激光測距的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬廣，比如，地形測量、戰(zhàn)術(shù)前沿測距、導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡跟蹤以及人造衛(wèi)星、地球到月球距離的測量等。脈沖激光測距法利用激光脈沖時(shí)間非常短，能量相對(duì)集中，瞬時(shí)功率大的特點(diǎn)（可達(dá)幾兆瓦），再有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測程；如果只是利用北側(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的漫反射所取得的微弱反射信號(hào)，也是可以測距的。而相位式激光測距儀以其精度高、功率小和便攜的特點(diǎn)，適用于民用范疇，有較大的市場和應(yīng)用前景8。半導(dǎo)體激光測距機(jī)的研究起始于20世

14、紀(jì)60年代末,到80年代中期陸續(xù)解決了激光器件、光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理電路中的關(guān)鍵技術(shù),80年代后期轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段,并研制出了各種不同用途的樣機(jī),90年代中期,各種成熟的產(chǎn)品不斷出現(xiàn),近期將是其應(yīng)用產(chǎn)品大發(fā)展的階段,半導(dǎo)體激光測距機(jī)在中、近程激光測距應(yīng)用方面有取代YAG激光的趨勢(shì)。1992年美國亞特蘭大激光公司為警方專門設(shè)計(jì)的手持式人眼安全激光二極管測距機(jī),用于對(duì)車輛的測距和測速,激光重復(fù)頻率40Hz,探測角4ITirad。近期又有幾家美國公司開展這方面研究的報(bào)道,19%年下半年,美國Bushnell公司推出了測距能力400m的400型LD激光測距機(jī)物ddaga400,1997年被評(píng)為世界100

15、項(xiàng)重要科技成果之一,同年又推出了測距能力800m的800型激光鋇距機(jī)1998年美國幾sco公司研制出測距能力800m的攝像機(jī)型LasersiteLD激光測距機(jī)。美國Leica公司展出了實(shí)用的小型LD測距機(jī),測量距離0.2一30m。另外,1995年以來,國際上對(duì)人眼安全的半導(dǎo)體激光測距技術(shù)發(fā)展十分迅速,已開展了波長在800一900nm范圍內(nèi)、峰值功率為10砰、脈沖寬度加一50ns、重復(fù)頻率1一10kHz、測量距離10m一Ikm無合作目標(biāo)的激光測距機(jī)研究9。1.3激光測距方法和存在的問題測距儀在實(shí)際使用時(shí)，測量效果會(huì)由四方面因素決定：目標(biāo)大小、物體形狀、空氣質(zhì)量、陽光強(qiáng)弱。相信大家都經(jīng)常聽到，有的

16、使用者說“這臺(tái)測距儀廠家標(biāo)1000米”但我們使用時(shí)為什么測不了這么遠(yuǎn)？這種問題在測距儀行業(yè)是經(jīng)常會(huì)提到的一個(gè)問題，其實(shí)這個(gè)問題，主要由于使用者并不知道測距儀的原理，且廠家與使用者溝通不到位造成的。目標(biāo)物體越大，反射回來的光波越多，越容易被機(jī)器接受，效果越好；目標(biāo)表面越平，反射回來的光波越多，越容易被機(jī)器接受，效果越好；目標(biāo)顏色越淺對(duì)光波的反射效果越好，越容易被機(jī)器接受；空氣質(zhì)量越好對(duì)反射光波越好；陽光強(qiáng)烈對(duì)反射光波會(huì)造成影響10。1.3.1激光測距的方法典型激光測距的方法有脈沖法、相位法、干涉法等，這些方法各有特點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同的測量環(huán)境和測量領(lǐng)域。脈沖法的測量范圍從幾十米到上萬千米，精度為

17、米量級(jí)，主要應(yīng)用于科研與軍事領(lǐng)域，比如地月距離測量等；相位法的測量范圍從幾米到幾千米，精度達(dá)到毫米量級(jí)，主要應(yīng)用于大地測量與工程測量；干涉法一般測量厘米左右的距離，精度高達(dá)微米量級(jí)，主要應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)。在實(shí)際測量工作中，要根據(jù)不同激光測距方法的測量范圍和精度，正確選擇合適的測量方法，以達(dá)到測量設(shè)計(jì)的基本要求11。1.3.1.1脈沖式激光測距法激光脈沖測距與微波雷達(dá)測距在原理上是完全相同的:在測距點(diǎn)向被測目標(biāo)發(fā)射一束短而強(qiáng)的激光脈沖,光脈沖發(fā)射到目標(biāo)上后其中一小部分激光反射到測距點(diǎn)被接收器接收。假定光脈沖在發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)間來回一次所經(jīng)歷的時(shí)間為t,那么被測目標(biāo)的距離R為R=12ct式中,c為

18、光速。當(dāng)不考慮大氣中光速的微小變化時(shí),測距精度主要是由測時(shí)精度確定12。 本文所介紹的激光測距機(jī)主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)和信息處理單元(如圖1.1所示)。激光發(fā)射系統(tǒng)的任務(wù)是發(fā)射峰值功率高、光束發(fā)散角小的激光脈沖,使其經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步準(zhǔn)直后射向目標(biāo)。接收系統(tǒng)是接收從被測目標(biāo)反射回來的微弱脈沖信號(hào),經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦或縮小光束截面后，照在光電探測器的光敏面上,使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)放大器放大，送到時(shí)間測量單元。至于時(shí)間測量單元，其主要作用是測量激光脈沖從測距機(jī)到被測目標(biāo)往返一次的時(shí)間t，并計(jì)算出精確的距離1213。圖1.1 脈沖測距法原理圖1.3.1.2相位法激光測距 相位式激光測

19、距是用測量相位延遲的間接測量時(shí)間的方法代替直接測量激光往返所需的時(shí)間的高精度測量方法，即利用激光器發(fā)出的調(diào)制光波在被測距離上往返一次所產(chǎn)生的相位變化量，再結(jié)合調(diào)制光波的波長，計(jì)算出該相位延遲所代表的距離相位式激光測距儀，是利用固定頻率的高頻正弦信號(hào)，連續(xù)調(diào)制激光源的發(fā)光強(qiáng)度并測定調(diào)制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲。通過相位延遲計(jì)算測量的距離。相位式測距是通過測量連續(xù)的幅度調(diào)制信號(hào)在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲，間接地測定信號(hào)傳播時(shí)間，從而得到被測距離的。這種方法測量精度高，通常在毫米量級(jí)1415，相位式激光測距原理(如圖1.2）所示。圖1.2 相位法測距圖位法激光測距技術(shù)就是利用發(fā)射的調(diào)制

20、光和被目標(biāo)反射的接收光之間光波的相位差所包含的距離信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測目標(biāo)距離量的測量。由于采用調(diào)制和差頻測相技術(shù)，具有測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有合作目標(biāo)的精密測距場合?；驹砣缦?617181920:相位測距是測定連續(xù)的調(diào)制激光在待測距離上往返的相位差來間接測量傳播時(shí)間的。我們知道光波在傳播過程中位相是不斷變化的,每傳播波長的一段距離,位相就變化，所以距離、光波往返位相差和光波波長之間的關(guān)系為 或 。這里相當(dāng)于測尺的長度Ls,相當(dāng)于d內(nèi)包含測尺長度Ls的數(shù)目（如圖1.3）。若令,其中N為正整數(shù)或0,是中不足的尾數(shù),并考慮到,則關(guān)于d的公式可改寫為。需要指出,任何測量交變信號(hào)位相移的方法都不

21、能確定出位相移的整周期數(shù),而只能測定其中不足2相位移的尾數(shù)。因此,式中N是不能確定的,這樣, d也就不能確定。換句話說,當(dāng)距離d大于測尺長Ls時(shí),僅用一把光波測尺是無法測定距離的。但是,當(dāng)d小于Ls時(shí), N=0,于是上式變?yōu)椋藭r(shí)d就完全可以通過測量而確定了21。圖1.3 相位計(jì)算圖1.3.1.3其他激光測距技術(shù) 調(diào)頻連續(xù)波激光測距主要是通過發(fā)射頻率連續(xù)可調(diào)的激光,測量接收到激光的頻率來推算距離。所發(fā)射的激光調(diào)制頻率為時(shí)間的函數(shù),這樣通過測量回波激光調(diào)制頻率和當(dāng)前發(fā)射激光調(diào)制頻率即可得到激光飛行時(shí)間,進(jìn)而得到目標(biāo)物距離。光子計(jì)數(shù)測距法是基于量子理論,發(fā)射和接收都建立在光子計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上,即把能量

22、和功率變成某一段時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)"由于研究的對(duì)象是大量微觀粒子組成的光子系統(tǒng),或與光子相互作用的分子、原子系統(tǒng),即把激光發(fā)射看成發(fā)射光子團(tuán),接收回波信號(hào)看成在光子噪聲或背景光子噪聲限工作時(shí)的光子數(shù)"光子計(jì)數(shù)測距法不是通過測量發(fā)射脈沖的飛行時(shí)間來測量距離,而是通過測量接收的光子數(shù)與距離的關(guān)系來測量目標(biāo)距離的,這也是光子計(jì)數(shù)測距與傳統(tǒng)激光測距法的區(qū)別所在22。1.4研究意義目前，利用激光掃描測徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位已經(jīng)有了一定的發(fā)展，也有了較高的測量精度，但是，針對(duì)特殊場合的樹干直徑、高精度的識(shí)別上還存在些問題。在激光精準(zhǔn)對(duì)靶仿形施藥機(jī)還是會(huì)存在對(duì)靶不精準(zhǔn)的狀況，這樣很浪費(fèi)藥液而且又

23、減小了工作效率2324,激光精準(zhǔn)定位識(shí)別有利于提升工作的效率，建立適應(yīng)移動(dòng)探測的林木樹干定位識(shí)別算法，以實(shí)現(xiàn)林木樹干的精準(zhǔn)、自動(dòng)、快速識(shí)別，從而為精準(zhǔn)施藥提供指導(dǎo)信息。152掃描式激光測距機(jī)2.1掃描式激光測距機(jī)的工作原理掃描式激光測距機(jī)（Laser range finder或Laser radar）作為一種新興的激光傳感儀器開始逐漸應(yīng)用到機(jī)器人和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。它是一種非接觸式的光學(xué)傳感器，通過發(fā)出脈沖激光束來檢測其掃描范圍內(nèi)距離目標(biāo)物之間的距離，其基本原理就是基于激光脈沖測距技術(shù)（TOF）的。在激光測距機(jī)內(nèi)有一個(gè)激光源可以發(fā)射脈沖激光束。當(dāng)發(fā)射出的脈沖激光束撞擊到某個(gè)物體時(shí)，部分的激光束就會(huì)反射

24、回來，被測距機(jī)內(nèi)的探測器接收到。從發(fā)出激光束到接受到反射回波之間的時(shí)間差和測距機(jī)與該物體之間的距離有直接的比例關(guān)系。測距機(jī)內(nèi)安裝了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的鏡子，能夠按照一定的間隔角將激光源產(chǎn)生的脈沖激光束順序地發(fā)散出去，從而對(duì)周圍環(huán)境形成一個(gè)二維的扇形掃描區(qū)域如圖（2.1）所示。目標(biāo)物的輪廓就可以通過接收到的激光束序列確定出來。圖2.1 掃描式激光測距機(jī)的測量原理激光測距機(jī)2.2激光測距機(jī)的選型SICK公司生產(chǎn)的常見的激光測距機(jī)產(chǎn)品主要有兩種如圖2.2所示：一種是SICK LMS 511-20100型（圖左）；另一種是SICK LMS 511-10100型（圖右）。圖2.2 sick激光測距機(jī)（藍(lán)色為L

25、MS511-20100，灰色為LMS511-10100）LMS511-20100型激光測距機(jī)的掃描視野為190°，掃描角度分辨率為0.1667°，0.25°，0.5°，0.,6666°和1°，掃描頻率為25Hz，35Hz，50Hz，75Hz，100Hz，可測量的范圍是020m，在該范圍內(nèi)測量精度為±15mm，適用于室內(nèi)測量。而LMS511-10100型激光測距機(jī)測距范圍080m，比較大，適用于室外測量。實(shí)驗(yàn)選取的激光掃描儀的型號(hào)為LMS511-10100，LMS511-10100室外型激光掃描雷達(dá)主要用于室外型的物體測量及防

26、撞。LMS511采用成熟的激光時(shí)間飛行原理及多重回波技術(shù)，非接觸式檢測，是室外防撞、區(qū)域保護(hù)、及惡劣環(huán)境測量的理想產(chǎn)品。LMS511有兩種型號(hào)，LMS511-20100采用小光點(diǎn)的激光，能夠較準(zhǔn)確的測量物體的尺寸及距離，其主要用于要求測量精度較高，距離較盡的應(yīng)用；LMS511-10100針對(duì)10反射率的物體，距離可以達(dá)到40米，主要針對(duì)較遠(yuǎn)距離的測量及防撞應(yīng)用。是新推出的高性能的LMS511的主要特點(diǎn)為：靈活的區(qū)域配置（可以根據(jù)現(xiàn)場需要，設(shè)置各種圖形的保護(hù)區(qū)域，且可以根據(jù)現(xiàn)場的需要，隨時(shí)簡單的修改圖形）可靠的抗干擾性能（通過內(nèi)部濾波及多重回波），大保護(hù)距離（最遠(yuǎn)65米的保護(hù)區(qū)域），以太網(wǎng)等多種

27、通訊接口（更方便客戶系統(tǒng)集成），內(nèi)部具有自檢功能等優(yōu)點(diǎn)。是室外型防撞/障礙測量或物體外形測量的最佳方案。其主要用于室外車輛輪廓掃描、港口設(shè)備定位、輪廓掃描及防撞、地圖掃描、散貨體積測量、無人車導(dǎo)航2829、安防追蹤及區(qū)域防護(hù)等。 本次實(shí)驗(yàn)研究，激光與圓柱形樹干之間的檢測距離需要靈活變動(dòng)，可測距離有時(shí)達(dá)40m甚至更遠(yuǎn)，可以知道LMS511-10100符合要求。2.2.1 LMS511-10100的特點(diǎn)與規(guī)格可以用于戶外惡劣的天氣情況、采用多次回波技術(shù)、具有自檢功能、工作范圍80米，掃描角度190°、IP67防護(hù)等級(jí)、內(nèi)部集成加熱器、采用1級(jí)激光、可以設(shè)置十個(gè)保護(hù)區(qū)域、通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)輸出

28、測量數(shù)據(jù)。2.2.2 LMS511-10100的優(yōu)點(diǎn)方便客人安裝集成、保證設(shè)備的正常運(yùn)行、對(duì)人體安全,無害、更好的過濾外界干擾、測量更可靠、保證可以用于戶外惡劣天氣、使得其可以在零下30度溫度下使用、客戶可以設(shè)置多個(gè)保護(hù)區(qū)域、可以有效過濾粉塵,昆蟲等干擾物體、可用于高速的應(yīng)用、更方便客戶系統(tǒng)集成。2.2.3 LMS511的操作LMS511前面板上的LED和數(shù)顯表示當(dāng)前LMS511狀態(tài)，可在SOPAS內(nèi)修改（如圖2.3所示）。圖2.3 LMS511-10100前面板LED（如圖所示）表2.1 LMS511-10100前面板LED的意思顯示內(nèi)容 表達(dá)意思LMS511正在測量，無報(bào)錯(cuò)LMS511停止

29、測量無：前鏡無污染常量：前鏡污染報(bào)警閃爍：前鏡污染報(bào)錯(cuò)至少有一個(gè)區(qū)域被侵入保存表2.2 七段顯示碼說明顯示LMS511狀態(tài)修正無報(bào)錯(cuò)設(shè)備處在測量狀態(tài)休眠狀態(tài)，輸出關(guān)閉，激光關(guān)閉無報(bào)錯(cuò)，發(fā)送指令或在SOPAS上選擇開始測量電機(jī)開始工作無報(bào)錯(cuò)LMS511出錯(cuò)請(qǐng)送回SICK維修部檢測從站同步丟失重修建立從站鏈接設(shè)備周圍環(huán)境工作溫度過低（僅限于LMS511室內(nèi)型）周圍環(huán)境溫度過低，導(dǎo)致設(shè)備無法測量在溫度過低的環(huán)境下加熱器沒有連接（僅限于LMS511室外型）1. 等待設(shè)備加熱；2. 檢查加熱線連接3. 送回SICK維修部檢測3測量數(shù)據(jù)分析與誤差分析實(shí)驗(yàn)總共測得四大類數(shù)據(jù)，KASA算法的測的數(shù)據(jù)，AI34

30、算法測得數(shù)據(jù)，MLS算法353637測得數(shù)據(jù)還有實(shí)際測量數(shù)據(jù)。LMS511激光掃描儀采用了5種精度分別為25Hz/0.1667°，35Hz/0.25°，50Hz/0.3333°，75Hz/0.5°，100Hz/0.6666°。對(duì)這三種算法測的縱向距離與半徑進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)其半徑誤差率、縱向距離與實(shí)際距離進(jìn)行對(duì)比。3.1測得的縱向距離數(shù)據(jù)對(duì)這三種算法測得的縱向距離圖進(jìn)行粗略的分析，繪制出三種算法縱向距離與實(shí)際距離的對(duì)比大致圖譜，以精度35Hz/0.25°為例如圖6.1所示：圖6.1三種算法縱向距離與實(shí)際距離對(duì)比圖從圖中看出AI算法的

31、誤差波動(dòng)較大，測算的距離不準(zhǔn)確；而KASA算法和MLS算法得到的縱向距離相差不大，很難看出兩者之間誤差大小差距，需做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。對(duì)這三種算法測的縱向距離進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)其縱向距離與實(shí)際距離進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算它們的縱向誤差率，利用excel表格處理數(shù)據(jù)，將KASA算法的縱向距離數(shù)據(jù)、MLS算法的縱向距離數(shù)據(jù)和AI算法縱向距離制成表格形式進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出誤差率。3.2半徑數(shù)據(jù)分析對(duì)三種算法得到的半徑先進(jìn)行粗略分析，首先分析單個(gè)精度下的差距，以精度為25Hz/0.167°為例如圖6.2.1所示：圖6.2三種算法算法半徑柱狀圖從圖中能明顯看出AI算法的誤差偏高，波動(dòng)較大；而KASA

32、算法和MLS算法之間的差距很小，幾乎無法從圖中看出，徐作進(jìn)一步數(shù)據(jù)計(jì)算。用這三種算法測的縱向距離進(jìn)行三種算法的最小二乘法擬合，得到半徑進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)其縱向距離與實(shí)際距離進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算它們的半徑誤差率.3.4誤差分析受物體的輪廓形狀、線結(jié)構(gòu)光傳感器的結(jié)構(gòu)和攝像機(jī)視場等因素的制約，測量中獲取的光條圓弧弧長較短，提取的特征點(diǎn)所擬合的圓弧在整個(gè)圓中所占比例偏小(一般不及 1/ 3)， 參與擬合的數(shù)據(jù)最少；受測量樣本的加工制造和測量誤差、圖像采集中的量化因素以及圖像特征提取中的不確定度等因素的影響，提取圓弧上的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)必然存在噪聲。圓擬合精度與數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)量以及擬合算法都有直接關(guān)系。從誤差理論來分析，掃描系統(tǒng)測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差, 可通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。測量系統(tǒng)的偶然性誤差是一些隨機(jī)性誤差的綜合體現(xiàn)。激光測量誤差的影響因素較多，大致可分為三類：儀器誤差、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差、外界環(huán)境條件。儀器誤差是儀器本身性能缺陷造成的測量誤差,包括激光測距的誤差、掃描角度測量的誤差；與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要是目標(biāo)物體表面粗糙度的影響；外界環(huán)境條