一种基于激光测距传感器的树干轮廓测量方法与流程

本发明属于树干轮廓测量
技术领域：
，具体是涉及一种基于激光测距传感器的树干轮廓测量方法。
背景技术：
：木材声学断层成像技术使得林业生产研究人员可以在不破坏木材结构的前提下准确获取木材内部的各种信息，从而对活立木、原木的内部力学性能分布和腐朽程度进行准确有效的评估。目前，木材声学断层成像技术已经获得了广泛的关注，并成功应用于木材内部缺陷检测、原木锯切决策、名木古树保护等领域。在利用声波传播速度构建木材断层图像的时候，准确获取树干的横截面形状非常重要，虽然目前已经有各种不同的木材声学断层成像方法，也取得了较好的应用效果。但是在这些方法中，都假设树干的横截面为圆形。事实上，树木生长过程非常复杂，受周围的环境、光照、气候等因素影响较大，所以很多树干都不是圆形的，特别是名木古树，导致生成的木材声学断层图像与实际情况有较大的偏差。准确测量树干的轮廓，有助于提高木材声学断层成像的精度，对木材无损检测技术的发展、名木古树以及木质古建筑的保护都具有非常重要的意义。技术实现要素：发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光测距传感器的树干轮廓测量方法，该方法可以准确有效地测量树干轮廓，树干轮廓得到准确地估算。技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于激光测距传感器的树干轮廓测量方法，包括以下步骤：S1首先在树干轮廓周围建立一个等边三角形ΔABC，树干轮廓位于该等边三角形ΔABC内，设该等边三角形ΔABC的边长为L；S2通过所述等边三角形ΔABC的三条中线将树干轮廓分成三段弧线，三段弧线分别表示为A'B'、B'C'和C'A'，进入S3；S3建立直角坐标系xOy，分别测量A'B'段轮廓、B'C'段轮廓和C'A'段轮廓在该直角坐标系xOy中的坐标，进入S4；S4将测量得到的树干轮廓上各点坐标传送至PC机，PC机采用画图软件得到该树干轮廓。进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：S31将三段弧线A'B'、B'C'、C'A'中任意一段弧线对应的等边三角形ΔABC的边作为x轴，以该边的一个顶点作垂直于x轴的y轴，设该顶点为点O，得到直角坐标系xOy，设A'B'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为AB，B'C'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为BC，C'A'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为CA，设A'B'段轮廓对应的边AB为x轴，以点A作垂直于x轴的y轴，设点A为点O，得到直角坐标系xOy；S32测量A'B'段轮廓上任意一点D'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xD',yD')：利用步进电机驱动激光测距传感器从A点运动至点D'在x轴上的投影点D点，利用固定在步进电机上的光电编码器以及该步进电机的步距角计算得到A点与D点之间的距离AD，则xD'＝AD；利用激光测距传感器测量得到D点与D'点之间的距离DD'，则yD'＝DD'；则确定D'在直角坐标系xOy中的坐标(xD',yD')满足公式(1)：激光测距传感器在步进电机的作用下从A'B'段轮廓上点A'扫描至点B'，从而测量得到A'B'段轮廓上任意一点D'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xD',yD')；S33测量B'C'段轮廓上任意一点E'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xE',yE')：以B'C'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边BC为x'轴，以点B作垂直于x'轴的y'轴，得到直角坐标系x'By'；首先测量B'C'段轮廓上任意一点E'在直角坐标系x'By'中的坐标(x'E',y'E')：利用步进电机驱动激光测距传感器从B点运动至点E'在x'轴上的投影点E点，利用固定在步进电机上的光电编码器以及该步进电机的步距角计算得到B点与E点之间的距离BE，则x'E'＝BE；利用激光测距传感器测量得到E点与E'点之间的距离EE'，则y'E'＝EE'；则确定B'C'段轮廓上任意一点E'在直角坐标系x'By'中的坐标(x'E',y'E')满足公式(2)：根据公式(3)换算得到B'C'段轮廓上任意一点E'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xE',yE')：激光测距传感器在步进电机的作用下从B'C'段轮廓上点B'扫描至点C'，并计算得到B'C'段轮廓上任意一点E'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xE',yE')；S34测量C'A'段轮廓上任意一点F'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xF',yF')：以C'A'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边CA为m'轴，以点C作垂直于m'轴的n'轴，得到直角坐标系m'En'；首先测量C'A'段轮廓上任意一点F'在直角坐标系m'En'中的坐标(m'E',n'E')：利用步进电机驱动激光测距传感器从C点运动至点F'在m'轴上的投影点F点，利用固定在步进电机上的光电编码器以及该步进电机的步距角计算得到C点与F点之间的距离CF，则m'E'＝CF；利用激光测距传感器测量得到F'点与F点之间的距离FF'，则n'E'＝FF'；则确定C'A'段轮廓上任意一点F'在直角坐标系m'En'中的坐标(m'E',n'E')满足公式(4)：根据公式(5)换算得到C'A'段轮廓上任意一点F'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xF',yF')：激光测距传感器在步进电机的作用下从C'A'段轮廓上点C'扫描至点A'，并计算得到C'A'段轮廓上任意一点F'在直角坐标系xOy中的坐标(xF',yF')。有益效果：本发明与现有技术比较，具有的优点是：通过本发明提出的树干轮廓测量系统以及树干轮廓测量方法，可以准确有效地测量树干轮廓，树干轮廓得到准确地估算；测量效率高、测量效果佳。附图说明图1是测量树干轮廓需要建立的直角坐标系xOy。图2是测量B'C'段轮廓需要建立的两个辅助坐标系的示意图。图3是测量C'A'段轮廓需要建立的两个辅助坐标系的示意图。图4是树干轮廓测量系统示意图。图5是控制系统结构框图。图6是控制系统主程序流程图。图7是距离测量子程序流程图。图8是实施例一中的样本实物图。图9是实施例一的树干轮廓测量结果。图10是实施例二中的样本实物图。图11是实施例二的树干轮廓测量结果。具体实施方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。本发明提出一种基于激光测距传感器的树干轮廓测量方法，该思想是在树干轮廓周围建立一个直角坐标系，如果能求出树干轮廓上各点在该直角坐标系中的坐标值，就可以很容易画出该树干轮廓图像。为了实现这一目的，现在树干轮廓周围建立一个等边三角形ΔABC，设该等边三角形ΔABC的边长为L，树干轮廓正好均匀位于该等边三角形ΔABC内，借助于该等边三角形ΔABC的三条中线将树干轮廓分成三段弧线，三段弧线分别表示为A'B'、B'C'和C'A'，然后通过建立直角坐标系xOy，主要是将三段弧线A'B'、B'C'、C'A'中任意一段弧线对应的等边三角形ΔABC的边作为x轴，以该边的一个顶点作垂直于x轴的y轴，设该顶点为点O，得到直角坐标系xOy，分别测量A'B'段轮廓、B'C'段轮廓和C'A'段轮廓在该直角坐标系xOy中的坐标，最后将测量得到的树干轮廓上各点坐标值传送至PC机，PC机采用画图软件得到该树干轮廓图像；参照图1，设A'B'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为AB，B'C'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为BC，C'A'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为CA，设A'B'段轮廓对应的边AB为x轴，以点A作垂直于x轴的y轴，设点A为点O，得到直角坐标系xOy；测量A'B'段轮廓上任意一点D'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xD',yD')：利用步进电机驱动激光测距传感器从A点运动至点D'在x轴上的投影点D点，利用固定在步进电机上的光电编码器以及该步进电机的步距角计算得到A点与D点之间的距离AD，则xD'＝AD；利用激光测距传感器测量得到D点与D'点之间的距离DD'，则yD'＝DD'；则确定D'在直角坐标系xOy中的坐标(xD',yD')满足公式(1)：激光测距传感器在步进电机的作用下从A'B'段轮廓上点A'扫描至点B'，从而测量得到A'B'段轮廓上任意一点D'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xD',yD')；然后测量B'C'段轮廓上任意一点E'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xE',yE')：参照图2，为了测量B'C'段轮廓上任意一点E'在所述直角坐标系xOy中的坐标，需要建立两个辅助直角坐标系：x'By'和x”Ay”，以B'C'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边BC为x'轴，以点B作垂直于x'轴的y'轴，得到直角坐标系x'By'：首先，利用步进电机驱动激光测距传感器从B点运动至E点(E'在坐标系x'By'中x'轴上的投影点)，利用固定在步进电机上的光电编码器以及步进电机的步距角可以测得B点和E点之间的距离BE，记为x'E'；然后利用激光测距传感器测量出E点和E'点之间的长度EE'，记为y'E'，由此可以确定E'点在坐标系x'By'中的坐标(x'E',y'E')满足公式(2)：然后将坐标系x'By'平移到A点，得到坐标系x”Ay”，树干轮廓上各点E'在坐标系x”Ay”中的坐标(x”E',y”E')为：最后将坐标系x”Ay”顺时针旋转120°，得到坐标系xOy，根据坐标系旋转的知识得到，树干轮廓上的E'点在坐标系xOy中的坐标(xE',yE')为：激光测距传感器在步进电机的作用下从B'C'段轮廓上点B'扫描至点C'，并计算得到B'C'段轮廓上任意一点E'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xE',yE')；参照图3，为了测量C'A'段轮廓上任意一点F'在所述直角坐标系xOy中的坐标(xF',yF')，需要建立两个辅助直角坐标系：m'Bn'和m”An”，以C'A'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边CA为m'轴，以点C作垂直于m'轴的n'轴，得到直角坐标系m'En',首先测量C'A'段轮廓上任意一点F'在直角坐标系m'En'中的坐标(m'E',n'E')：利用步进电机驱动激光测距传感器从C点运动至点F'在m'轴上的投影点F点，利用固定在步进电机上的光电编码器以及该步进电机的步距角计算得到C点与F点之间的距离CF，则m'E'＝CF；利用激光测距传感器测量得到F'点与F点之间的距离FF'，则n'E'＝FF'；则确定C'A'段轮廓上任意一点F'在直角坐标系m'En'中的坐标(m'E',n'E')满足公式：m′F′n′F′T=CFFF′T;]]>然后将坐标系m'En'平移到A点，得到坐标系m”An”，得到点F'在直角坐标系m”An”中的坐标(m”E',n”E')满足公式：最后将坐标系m”An”顺时针旋转240°，便是坐标系xOy，根据坐标系旋转的知识可得到F'在直角坐标系xOy中的坐标：激光测距传感器在步进电机的作用下从C'A'段轮廓上点C'扫描至点A'，并计算得到C'A'段轮廓上任意一点F'在直角坐标系xOy中的坐标(xF',yF')。上述激光测距传感器、步进电机以及步进电机上的光电编码器等组成了一种树干轮廓测量系统中的一维扫描系统，在本发明实施例中通过三根支撑杆A、B、C，一维扫描系统和控制系统共同完成具体实验步骤，其中一维扫描系统包括激光测距传感器、步进电机、步进电机上的光电编码器以及滑动装置：实验过程中首先搭建树干轮廓测量系统：如图4所示，在待测树干周围分别固定三根支撑杆A、支撑杆B和支撑杆C，分别以支撑杆A上一点、支撑杆B上一点和支撑杆C上一点相同高度的三点的位置为顶点，连接三个顶点形成等边三角形ΔABC，使得树干轮廓与等边三角形ΔABC在同一平面上，设A'B'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为AB，B'C'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为BC，C'A'段轮廓对应的等边三角形ΔABC的边为CA，将一维扫描系统中滑动装置100一端置于其中一根支撑杆上，另一端置于另外一根支撑杆上，将激光测距传感器101置于滑动装置100上，使得激光测距传感器101沿滑动装置100可滑动，将载有光电编码器的步进电机103置于一侧，并将激光测距传感器101、载有光电编码器的步进电机103以及光电编码器分别与控制系统连接，在步进电机的驱动下，激光测距传感器101沿滑动装置100可移动，在不同的位置上进行测量，光电编码器输出的脉冲用于计算激光测距传感器的移动距离，在测试过程中，首先将一维扫描系统固定在支撑杆A和支撑杆B上，如图4所示，测量A'B'段树干轮廓，然后将一维扫描系统移动到支撑杆B和支撑杆C上，测量B'C'段树干轮廓，最后将一维扫描系统移动到支撑杆C和支撑杆A上，测量C'A'段树干轮廓；如图5所示，控制系统103包括微控制器、电平转换芯片、细分驱动芯片、光电耦合器、按键器、液晶显示器、JTAG接口以及为整个系统供电的铅酸电池，其中电平转换芯片与激光测距传感器连接，光电耦合器与光电编码器连接，细分驱动芯片与步进电机连接，微控制器采用高性能、低功耗的STM32F103ZET6芯片，步进电机的细分驱动芯片选用高细分两相混合式步进电机专用驱动芯片THB7128，细分数最高可达128，设计的控制系统具有步进电机过流保护、短路保护等功能，读取光电编码器脉冲信号时，采用光电耦合器PC817进行电气隔离，与激光测距传感器通讯时，采用电平转换芯片MAX3232进行电平转换；为了减小体积，降低成本，设计的控制系统只有一个RS232接口，测量时，电平转换芯片与激光测距传感之间采用RS232接口通讯，RS232接口与激光测距传感器相连，在测量结束后，控制系统通过RS232接口与PC机相连，将测量数据传送至PC机，用户进行不同的连接后，通过按键器设置RS232接口的工作模式；主控制器STM32F103ZET6需要协调步进电机的运动控制、激光测距传感器测距、向PC机传送数据等操作，具体流程图如图6所示，系统工作后，首先初始化各单元模块，然后进入主循环，在主循环中根据按键器扫描的结果，液晶显示器显示不同的内容，并进入不同的功能；如果按键设置要求测量A'B'、B'C'和C'A'段的树干轮廓，则调用距离测量子程序，然后设置已经完成测量标志，并将返回数据保存在相应的存储单元中；如果按键器设置要求传输数据，则首先检查A'B'、B'C'和C'A'段的树干轮廓是否都已经测量并保存好完整的数据，如果不是，则放弃本次数据传输，如果三段树干轮廓均已测量完毕，则将数据通过RS232接口输出至PC机；上述距离测量子程序的流程图如图7所示，在完成相应的初始化操作后，主控制器首先发送脉冲给步进电机细分驱动芯片THB7128，控制步进电机转动，与此同时，实时统计光电编码器的脉冲数，确保激光测距传感器移动一个步长的距离，然后通过RS232接口读取激光测距传感器的数据，如果测得的距离合理，则保存激光测距传感器的位移、激光测距传感器测得的树干与传感器之间的间距，否则不保存数据。再次参照图1和图4，通过上述实验装置测量树干轮廓的步骤如下：步骤一：在待测树干的周围固定好支撑杆A、B、C，构成等边三角形ΔABC，根据测试要求调整好支撑杆的高度；步骤二：将一维扫描系统首先固定在支撑杆A和支撑杆B上，通过按键器设置测量A'B'段树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光测距传感器沿滑动装置从A向B移动，实现步长为l0的一维扫描，得到数据DAB：x0x1x2x3x4...xN1y0y1y2y3y4...yN1T]]>扫描结束后，微控制器剔除无效数据，具体方法是：首先利用角尺和直尺手工获得A'、B'两点到滑动装置的垂直距离yA'和yB'；然后对上述数据从左侧开始进行比较运算：如果yi>yA'，则剔除否则停止比较；再对上述数据从右侧开始进行比较运算：如果yi>yB'，剔除否则停止比较；微处理器保存得到有效数据DAB；步骤三：将一维扫描系统移动到支撑杆B和支撑杆C上并固定，通过按键器设置测量B'C'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光测距传感器沿滑动装置从B向C移动，实现步长为l0的一维扫描，得到数据：x′0x′1x′2x′3x′4...x′N2y′0y′1y′2y′3y′4...y′N2T]]>扫描结束后，微处理器需要进行无效数据剔除和坐标转换操作，其中无效数据剔除的方法和步骤二中的原则相同，然后对剔除无效数据后的每一行进行坐标转换得到数据DBC，方法如下：数据DBC为B'C'段的树干轮廓坐标值，微处理器保存该数据DBC；步骤四：将一维扫描系统移动到支撑杆C和支撑杆A上并固定，通过按键器设置测量C'A'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光传感器沿滑动装置从C向A移动，实现步长为l0的一维扫描，得到数据：m′0m′1m′2m′3m′4...m′N3n′0n′1n′2n′3n′4...n′N3T]]>扫描结束后，微处理器需要进行无效数据剔除和坐标转换操作，其中无效数据剔除的方法和步骤二中的相同，然后对剔除无效数据后的每一行进行坐标转换得到数据DCA，方法如下：数据DCA为C'A'段的树干轮廓坐标值，微处理器保存得到的数据DCA；步骤五：断开微控制器与激光测距传感器之间的连接，连通微控制器与PC机，通过按键器设置为数据传输，将数据DAB、DBC和DCA传送到PC机。实施例一：对实验室内一侧已经腐朽的原木树干进行测量，测试样本如图8所示，实施本例时，等边三角形的边长L为50cm，一维扫描的步长l0为1cm，测量该样本10cm高度处的横截面轮廓：步骤一：在待测树干的周围固定好支撑杆和固定杆，构成等边三角形ΔABC；步骤二：将一维扫描系统固定在A、B两个支撑杆上，通过按键器设置测量A'B'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光测距传感器沿滑动装置从A向B移动，实现步长为1cm的一维扫描，得到坐标序列数据：131415161718192021222324252627282930313233343536371310.58.26.75.34.43.53.43.12.72.11.81.81.41.51.41.82.333.54.55.26.98.610.1T]]>利用角尺和直尺手工获得A'、B'两点到滑动装置的垂直距离yA'和yB'分别是10.5cm和6.9cm，通过按键器将这两个数据输入微控制器，微控制器通过遍历比较，将左侧大于10.5cm的数据剔除，将右侧大于6.9cm的数据剔除，得到有效数据DAB：DAB=1415161718192021222324252627282930313233343510.58.26.75.34.43.53.43.12.72.11.81.81.41.51.41.82.333.54.55.26.9T.]]>步骤三：将一维扫描系统移动到支撑杆B和支撑杆C上并固定，通过按键器设置测量B'C'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光测距传感器沿滑动装置从B向C移动，实现步长为1cm的一维扫描，得到数据：1314151617181920212223242526272829303132333435363712.397.25.94.943.32.72.11.40.90.90.70.60.81.14.15.28.912.91415.716.717.718.5T]]>利用角尺和直尺手工获得B'、C'两点到滑动装置的垂直距离yB'和yC'分别是10cm和13cm，通过按键器将这两个数据输入微处理器，微处理器通过遍历比较，将左侧大于10cm的数据剔除，将右侧大于13cm的数据剔除，得到数据：1415161718192021222324252627282930313297.25.94.943.32.72.11.40.90.90.70.60.81.14.15.28.912.9T]]>然后对剔除无效数据后的每一行数据进行坐标转换，方法如下：数据DBC为B'C'段的树干轮廓坐标值，微处理器保存该数据DBC：DBC=35.2136.2736.8937.2637.5437.6437.6637.6837.7937.7237.2236.8936.4835.8135.0531.9530.5026.8022.837.629.3910.9012.2713.5914.8015.9717.1418.3519.4720.3321.3022.2222.9823.7023.0623.3822.4021.27T]]>步骤四：将一维扫描系统移动到支撑杆C和支撑杆A上并固定，通过按键器设置测量C'A'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光传感器沿滑动装置从C向A移动，实现步长为1cm的一维扫描，得到数据：2021222324252627282930313233343586.71.80.60.60.91.21.522.23.73.54.75.46.88.5T]]>然后对剔除无效数据后的每一行进行坐标转换，方法如下：数据DCA为C'A'段的树干轮廓坐标值，微处理器保存得到的数据DCA：DCA=22.8020.3015.5614.0213.5213.2813.0412.8012.7312.4113.2013.5313.0713.1713.8914.8621.4821.7623.3523.0822.2221.2020.1819.1718.0517.0915.4714.7013.2412.0210.468.74T]]>根据数据DAB、DBC和DCA，PC机采用画图软件，可以画出树干轮廓，如图9所示。实施例二：对实验室内另一原木样本进行测试，测试样本如图10所示，实施本例时，等边三角形的边长L为50cm，一维扫描的步长l0为1cm，测量该样本10cm高度处的横截面轮廓：步骤一：在待测树干的周围固定好支撑杆和固定杆，构成等边三角形ΔABC；步骤二：将一维扫描系统固定在A、B两个支撑杆上，通过按键器设置测量A'B'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光传感器沿滑动装置从A向B移动，实现步长为1cm的一维扫描，得到坐标序列数据：15161718192021222324252627282930313233349.78.57.56.565.95.35.15554.74.85.45.65.96.47.38.49.5T]]>利用角尺和直尺手工获得A'、B'两点到滑动装置的垂直距离yA'和yB'分别是10cm和9.1cm，通过按键器将这两个数据输入微控制器，微控制器通过遍历比较，将左侧大于10cm的数据剔除，将右侧大于9.1cm的数据剔除，得到有效数据DAB：DAB=151617181920212223242526272829303132339.78.57.56.565.95.35.15554.74.85.45.65.96.47.38.4T]]>步骤三：将一维扫描系统移动到支撑杆B和支撑杆C上并固定，通过按键器设置测量B'C'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光测距传感器沿滑动装置从B向C移动，实现步长为1cm的一维扫描，得到数据：17181920212223242526272829303132338.77.876.56.25.966.15.74.855.25.86.77.48.19.4T]]>然后剔除无效数据后的每一行进行坐标转换，方法如下：数据DBC为B'C'段的树干轮廓坐标值，微处理器保存该数据DBC：DBC=33.9734.2534.4434.3734.1333.8933.3032.7232.5632.8432.1731.5030.4829.2028.0926.9925.3610.3711.6912.9514.0715.0916.1016.9217.7318.8020.1220.8821.6522.2122.6323.1523.6623.88T]]>步骤四：将一维扫描系统移动到支撑杆C和支撑杆A上并固定，通过按键器设置测量C'A'段的树干轮廓，在步进电机的驱动下，激光传感器沿滑动装置从C向A移动，实现步长为1cm的一维扫描，得到数据：1718192021222324252627282930313233349.88.57.26.25.85.14.73.83.643.83.94.14.34.85.66.57.8T]]>利用角尺和直尺手工获得C'、A'两点到滑动装置的垂直距离m'C'和m'A'分别是10cm和8cm，通过按键器将这两个数据输入微控制器，微控制器通过遍历比较，左侧没有大于10cm的数据，右侧没有大于8cm的数据；然后对剔除无效数据后的每一行进行坐标转换，方法如下：数据DCA为C'A'段的树干轮廓坐标值，微处理器保存得到的数据DCA：DCA=24.9923.3621.7420.3719.5218.4217.5716.2915.6215.4614.7914.3814.0513.7213.6613.8514.1314.7623.6823.4623.2522.8822.2121.7021.0320.6219.8518.7818.0217.1016.1415.1714.0512.7911.479.96T]]>根据数据DAB、DBC和DCA，PC机采用画图软件，可以画出树干轮廓，如图11所示。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
技术领域：
的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3