项目研究报告论文

1、项目研究报告论文：立木树干移动探测算法误差补偿研究摘要当前，障碍药带精准对靶施药技术的最首要的问题：如何自动准确的获得树木树干的位置、轮廓等特征信息，这个问题也是制约其实现的瓶颈所在。激光测距为非接触式测量，利用了激光的反射性原理。采用LMS511激光扫描仪（2D型的激光扫描仪），采集树干的轮廓信息。利用最小二乘法得到KASA算法、MLS算法、AI算法三种定位识别算法，利用VC+将这三种算法编成程序，LMS511激光扫描仪测得数据分别采用KASA算法、MLS算法、AI算法，对树干进行定位识别。记录下三种算法测得的数据，对三种算法测得的数据与人工测量数据进行对比，分析这些算法所测得数据的误差变化

2、规律，对三种算法的误差精度进行对比。从而选定最合适的定位识别算法，以实现立木树干的精准、自动、快速识别，从而为精准是要提供信息。关键词：激光测距，LMS511，激光扫描仪，定位识别算法，误差分析1绪论1.1激光测距机组成、原理及其优点1.1.1激光测距原理激光测距机是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的一种距离测量仪。利用激光脉冲的称为脉冲激光测距机，利用连续波激光束的称为连续波激光测距机。 激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为，则A、B两点间距离可用下列表示。式中：-表示测站点A、B两点间的距离； -表示光在大气中的传播

3、速度； -表示光在站点A、B之间的往返时间。1.1.2激光测距机的组成 激光接收机由接收光学系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器组成，其作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波并计算和显示目标距离。激光电源由高压电源和低压电源组成，其作用是提供电能。激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离。其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，起动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样器采集发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，起动计数器，钟频振荡器向计数器有

4、效地输入钟频脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计算器的关门信号，计数器停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的钟频脉冲个数，经过运算得到目标距离，在显示器上显示出来1。1.1.3激光测距机的优点由于激光器与普通光源有显著的区别，它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应，使得所发光束具有一系列特点：激光有小的光束发散角，即所谓的方向性好或准直性好；激光的单色性好，或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光；激光的输出功率虽然有限度，但光束细，所以功率密度很高，一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。因而

5、采用激光器做光源的测距仪也就有一些优于其他测距仪的特点。1.1.3.1测距精度高 高精度是激光测距最大的一个优点，激光测距的误差仅仅取决于仪器的精度，与实际操作者的操作和被测距离都无关。通常，战术激光测距仪的误差一般再5m以内，科学实验用到的测距仪精度更高，例如，由于在月球上安放有角反射器（合作目标），最好的测距距离是 384401km，误差仅为10cm，而将激光测距应用在卫星的精密测轨上，精度可以达到lcm。在日本，将测距设备用于预防地震的长距离监测系统，全程84km，误差小于lmm2。1.1.3.2测距仪体积小重量轻 小型化重量轻是测距设备的一个重要特点。在军事装备上的激光测距仪，体积小巧

6、，只有普通手机那么大，重量只有 10kg， 而最小测距仪的重量仅有 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，一般可达到 1/20mrad，因此，在实际的应用中，激光不需要很大的天线，只要直径为 7.62cm 的天线即可发射出小发散角的激光光束，而想要让微波也能发射出同样发散角的光束，只需天线的直径达到305m 以上即可。1.1.3.3分辨率高，抗干扰能力强 要求一定的分辨率和具备足够的抗干扰能力是设备必须达到的技术指标，激光所具有的的窄光束和短脉冲宽度的特点，不但大大提高了微波的横纵双向的目标分辨率，而且还使得其不会受到电磁波和地波的干扰。例如，在导弹的初始阶

7、段，微波测距由于受到地波的严重干扰，使其不能得到应用，而激光却能在此发挥良好的作用。在微波雷达中结合激光测距仪进行应用，可以充分发挥激光波速窄的特点，能有效的弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。而如果将激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组合而成光电跟踪测量系统，不但可以作为靶场试验的测量设备，还可以用作武器的光电火力控制系统。目前，该激光测距仪在地面火炮的火控系统以及坦克火炮的控制系统中得到了广泛的应用，大大地提高了命中率4。1.2激光测距的国内外发展状况 测距在军事和民用方面都有广泛的用途。传统的测距方法主要有超声波测距和射频电磁波测距等。激光作为测距手段，其方向性明显优

8、于前二者，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力，尤其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显。 激光器问世虽然只有半个世纪，但是发展迅速。从红宝石激光器到YAG激光器、饵玻璃激光器、二氧化碳激光器、受激拉曼射频激光器、半导体激光器、光参震荡激光器等，纷至沓来，激光测距技术迅猛发展。第一代红宝石激光器已经淘汰了；第二代Nd：YAG激光器上世纪80年代美欧国家大量装备部队，但对人眼不安全；第三代受激拉曼射频激光器有着其优点和缺点。还有最近研制的光参震荡激光器，半导体激光器5。激光测距是指根据激光往返时间测定距离的方法,激光测距无论在军事应用,还是在科学技术、生产建设方面都起着重要作用。由于激光

9、方向性强、高亮度、单色性好等特点,且激光测距仪结构小巧,安装调整方便,故激光测距机是目前测距中较理想的仪器。具体可以用于测量长度、距离、速度等。由激光器特性,使其测量精度比一般仪器精度高很多,月J吏用方法简便,对研究激光测距具有重要意义。近20年来,激光技术!微电子技术和计算机技术的飞速发展,一批新型的电子测距仪试制成功并迅速投入生产,如各种测程的激光测距机和红外测距机等。激光测距机作为非接触式的测量仪器,已被广泛使用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域,研究激光测距涉及多种学科技术。本次研究的目的和意义就是研究提高测量精度的方法,将新型器件与技术应用于激光测距机之中6。1.

10、2.1激光测距技术国外发展状况国内外在20世纪70年代初的一些测量仪器开始采用了激光技术，西方国家开发出了用途不同的测距系统，有单光束激光测距系统、二维激光扫描式测距系统等。其中一维激光测距系统用于测量距离，二维激光测距系统用于扫描平面，监测一片区域，三维测距系统用于对空间的定位与三维轮廓测量等领域。由于激光测距有很多优点而备受推崇。国内外很多大学和研究机构在此领域展开研究。 2008年，全球工业安全领域的迈赛展示了全新的LMS30，能够产生一个达到190度的不可见的非接触的监控平面，并且可用软件来自由控制监控的区域，较易于满足特殊的工业要求。近年来，劳意斯提出了一系列的测距系统，其分辨率可达

11、30mm。同时，莱卡公司也推出了用于不同场景的不同型号的激光测距系统，由其测距的快速性及电磁干扰的不敏感性而广泛应用于各个领域7。1.2.2激光测距的国内情况20世纪70年代，国内激光器样机的研究出现了。北京光学仪器厂，苏州第一光学仪器厂先后研制出He-Ne气体激光器作光源的经纬仪。可以说，在起步阶段我国的激光技术迅速发展，在技术上都已经接近国际先进水平。在激光测距方面的研究，我国于1972年成功研制出了JCY1型精密气体激光测距机，第二年推出了，JCY2型精密气体激光测距机。1996年上海光机所成功设计出了便携式半导体激光测距机，测距精度为0.5m。接下来几年里，体积小、精度高的便携式的测距

12、机成为研究的主题。在1999年，为了提高测量精度，详细的判别了误差来源。2007年中国科学院上海物理研究所采用了专用的时间间隔芯片，不仅增加了测距范围，提高了测量精度，还便于控制和使用。2008年，中科院成功研制出了基于时辐转换的激光测距系统，精度达到5mm，处于国际先进水平。 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地址，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲，户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。当前激

13、光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统耗能小、体积小型化方向发展。激光测距仪一般分为两种：脉冲式激光测距仪和相位式激光测距仪。其中脉冲激光测距的应用领域越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨迹跟踪以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。脉冲激光测距法利用激光脉冲时间非常短，能量相对集中，瞬时功率大的特点（可达几兆瓦），再有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用北侧目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。而相位式激光测距仪以其精度高、功率小和便携的特点，适用于民用范畴，有较大的市场和应用前景8。半导体激光测距机的研究起始于20世

14、纪60年代末,到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统及信号处理电路中的关键技术,80年代后期转入应用研究阶段,并研制出了各种不同用途的样机,90年代中期,各种成熟的产品不断出现,近期将是其应用产品大发展的阶段,半导体激光测距机在中、近程激光测距应用方面有取代YAG激光的趋势。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机,用于对车辆的测距和测速,激光重复频率40Hz,探测角4ITirad。近期又有几家美国公司开展这方面研究的报道,19%年下半年,美国Bushnell公司推出了测距能力400m的400型LD激光测距机物ddaga400,1997年被评为世界100

15、项重要科技成果之一,同年又推出了测距能力800m的800型激光钡距机1998年美国几sco公司研制出测距能力800m的摄像机型LasersiteLD激光测距机。美国Leica公司展出了实用的小型LD测距机,测量距离0.2一30m。另外,1995年以来,国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速,已开展了波长在800一900nm范围内、峰值功率为10砰、脉冲宽度加一50ns、重复频率1一10kHz、测量距离10m一Ikm无合作目标的激光测距机研究9。1.3激光测距方法和存在的问题测距仪在实际使用时，测量效果会由四方面因素决定：目标大小、物体形状、空气质量、阳光强弱。相信大家都经常听到，有的

16、使用者说“这台测距仪厂家标1000米”但我们使用时为什么测不了这么远？这种问题在测距仪行业是经常会提到的一个问题，其实这个问题，主要由于使用者并不知道测距仪的原理，且厂家与使用者沟通不到位造成的。目标物体越大，反射回来的光波越多，越容易被机器接受，效果越好；目标表面越平，反射回来的光波越多，越容易被机器接受，效果越好；目标颜色越浅对光波的反射效果越好，越容易被机器接受；空气质量越好对反射光波越好；阳光强烈对反射光波会造成影响10。1.3.1激光测距的方法典型激光测距的方法有脉冲法、相位法、干涉法等，这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。脉冲法的测量范围从几十米到上万千米，精度为

17、米量级，主要应用于科研与军事领域，比如地月距离测量等；相位法的测量范围从几米到几千米，精度达到毫米量级，主要应用于大地测量与工程测量；干涉法一般测量厘米左右的距离，精度高达微米量级，主要应用于地质灾害的预报。在实际测量工作中，要根据不同激光测距方法的测量范围和精度，正确选择合适的测量方法，以达到测量设计的基本要求11。1.3.1.1脉冲式激光测距法激光脉冲测距与微波雷达测距在原理上是完全相同的:在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲,光脉冲发射到目标上后其中一小部分激光反射到测距点被接收器接收。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间为t,那么被测目标的距离R为R=12ct式中,c为

18、光速。当不考虑大气中光速的微小变化时,测距精度主要是由测时精度确定12。 本文所介绍的激光测距机主要包括激光发射系统、激光接收系统和信息处理单元(如图1.1所示)。激光发射系统的任务是发射峰值功率高、光束发散角小的激光脉冲,使其经发射光学系统进一步准直后射向目标。接收系统是接收从被测目标反射回来的微弱脉冲信号,经接收光学系统聚焦或缩小光束截面后，照在光电探测器的光敏面上,使光信号变为电信号并经放大器放大，送到时间测量单元。至于时间测量单元，其主要作用是测量激光脉冲从测距机到被测目标往返一次的时间t，并计算出精确的距离1213。图1.1 脉冲测距法原理图1.3.1.2相位法激光测距 相位式激光测

19、距是用测量相位延迟的间接测量时间的方法代替直接测量激光往返所需的时间的高精度测量方法，即利用激光器发出的调制光波在被测距离上往返一次所产生的相位变化量，再结合调制光波的波长，计算出该相位延迟所代表的距离相位式激光测距仪，是利用固定频率的高频正弦信号，连续调制激光源的发光强度并测定调制激光往返一次所产生的相位延迟。通过相位延迟计算测量的距离。相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级1415，相位式激光测距原理(如图1.2）所示。图1.2 相位法测距图位法激光测距技术就是利用发射的调制

20、光和被目标反射的接收光之间光波的相位差所包含的距离信息来实现对被测目标距离量的测量。由于采用调制和差频测相技术，具有测量精度高的优点，广泛应用于有合作目标的精密测距场合。基本原理如下1617181920:相位测距是测定连续的调制激光在待测距离上往返的相位差来间接测量传播时间的。我们知道光波在传播过程中位相是不断变化的,每传播波长的一段距离,位相就变化，所以距离、光波往返位相差和光波波长之间的关系为 或 。这里相当于测尺的长度Ls,相当于d内包含测尺长度Ls的数目（如图1.3）。若令,其中N为正整数或0,是中不足的尾数,并考虑到,则关于d的公式可改写为。需要指出,任何测量交变信号位相移的方法都不

21、能确定出位相移的整周期数,而只能测定其中不足2相位移的尾数。因此,式中N是不能确定的,这样, d也就不能确定。换句话说,当距离d大于测尺长Ls时,仅用一把光波测尺是无法测定距离的。但是,当d小于Ls时, N=0,于是上式变为，此时d就完全可以通过测量而确定了21。图1.3 相位计算图1.3.1.3其他激光测距技术 调频连续波激光测距主要是通过发射频率连续可调的激光,测量接收到激光的频率来推算距离。所发射的激光调制频率为时间的函数,这样通过测量回波激光调制频率和当前发射激光调制频率即可得到激光飞行时间,进而得到目标物距离。光子计数测距法是基于量子理论,发射和接收都建立在光子计数的基础上,即把能量

22、和功率变成某一段时间内的光子数"由于研究的对象是大量微观粒子组成的光子系统,或与光子相互作用的分子、原子系统,即把激光发射看成发射光子团,接收回波信号看成在光子噪声或背景光子噪声限工作时的光子数"光子计数测距法不是通过测量发射脉冲的飞行时间来测量距离,而是通过测量接收的光子数与距离的关系来测量目标距离的,这也是光子计数测距与传统激光测距法的区别所在22。1.4研究意义目前，利用激光扫描测径技术实现精准定位已经有了一定的发展，也有了较高的测量精度，但是，针对特殊场合的树干直径、高精度的识别上还存在些问题。在激光精准对靶仿形施药机还是会存在对靶不精准的状况，这样很浪费药液而且又

23、减小了工作效率2324,激光精准定位识别有利于提升工作的效率，建立适应移动探测的林木树干定位识别算法，以实现林木树干的精准、自动、快速识别，从而为精准施药提供指导信息。152扫描式激光测距机2.1扫描式激光测距机的工作原理扫描式激光测距机（Laser range finder或Laser radar）作为一种新兴的激光传感仪器开始逐渐应用到机器人和农业领域。它是一种非接触式的光学传感器，通过发出脉冲激光束来检测其扫描范围内距离目标物之间的距离，其基本原理就是基于激光脉冲测距技术（TOF）的。在激光测距机内有一个激光源可以发射脉冲激光束。当发射出的脉冲激光束撞击到某个物体时，部分的激光束就会反射

24、回来，被测距机内的探测器接收到。从发出激光束到接受到反射回波之间的时间差和测距机与该物体之间的距离有直接的比例关系。测距机内安装了一个可以旋转的镜子，能够按照一定的间隔角将激光源产生的脉冲激光束顺序地发散出去，从而对周围环境形成一个二维的扇形扫描区域如图（2.1）所示。目标物的轮廓就可以通过接收到的激光束序列确定出来。图2.1 扫描式激光测距机的测量原理激光测距机2.2激光测距机的选型SICK公司生产的常见的激光测距机产品主要有两种如图2.2所示：一种是SICK LMS 511-20100型（图左）；另一种是SICK LMS 511-10100型（图右）。图2.2 sick激光测距机（蓝色为L

25、MS511-20100，灰色为LMS511-10100）LMS511-20100型激光测距机的扫描视野为190°，扫描角度分辨率为0.1667°，0.25°，0.5°，0.,6666°和1°，扫描频率为25Hz，35Hz，50Hz，75Hz，100Hz，可测量的范围是020m，在该范围内测量精度为±15mm，适用于室内测量。而LMS511-10100型激光测距机测距范围080m，比较大，适用于室外测量。实验选取的激光扫描仪的型号为LMS511-10100，LMS511-10100室外型激光扫描雷达主要用于室外型的物体测量及防

26、撞。LMS511采用成熟的激光时间飞行原理及多重回波技术，非接触式检测，是室外防撞、区域保护、及恶劣环境测量的理想产品。LMS511有两种型号，LMS511-20100采用小光点的激光，能够较准确的测量物体的尺寸及距离，其主要用于要求测量精度较高，距离较尽的应用；LMS511-10100针对10反射率的物体，距离可以达到40米，主要针对较远距离的测量及防撞应用。是新推出的高性能的LMS511的主要特点为：灵活的区域配置（可以根据现场需要，设置各种图形的保护区域，且可以根据现场的需要，随时简单的修改图形）可靠的抗干扰性能（通过内部滤波及多重回波），大保护距离（最远65米的保护区域），以太网等多种

27、通讯接口（更方便客户系统集成），内部具有自检功能等优点。是室外型防撞/障碍测量或物体外形测量的最佳方案。其主要用于室外车辆轮廓扫描、港口设备定位、轮廓扫描及防撞、地图扫描、散货体积测量、无人车导航2829、安防追踪及区域防护等。 本次实验研究，激光与圆柱形树干之间的检测距离需要灵活变动，可测距离有时达40m甚至更远，可以知道LMS511-10100符合要求。2.2.1 LMS511-10100的特点与规格可以用于户外恶劣的天气情况、采用多次回波技术、具有自检功能、工作范围80米，扫描角度190°、IP67防护等级、内部集成加热器、采用1级激光、可以设置十个保护区域、通过以太网实时输出

28、测量数据。2.2.2 LMS511-10100的优点方便客人安装集成、保证设备的正常运行、对人体安全,无害、更好的过滤外界干扰、测量更可靠、保证可以用于户外恶劣天气、使得其可以在零下30度温度下使用、客户可以设置多个保护区域、可以有效过滤粉尘,昆虫等干扰物体、可用于高速的应用、更方便客户系统集成。2.2.3 LMS511的操作LMS511前面板上的LED和数显表示当前LMS511状态，可在SOPAS内修改（如图2.3所示）。图2.3 LMS511-10100前面板LED（如图所示）表2.1 LMS511-10100前面板LED的意思显示内容 表达意思LMS511正在测量，无报错LMS511停止

29、测量无：前镜无污染常量：前镜污染报警闪烁：前镜污染报错至少有一个区域被侵入保存表2.2 七段显示码说明显示LMS511状态修正无报错设备处在测量状态休眠状态，输出关闭，激光关闭无报错，发送指令或在SOPAS上选择开始测量电机开始工作无报错LMS511出错请送回SICK维修部检测从站同步丢失重修建立从站链接设备周围环境工作温度过低（仅限于LMS511室内型）周围环境温度过低，导致设备无法测量在温度过低的环境下加热器没有连接（仅限于LMS511室外型）1. 等待设备加热；2. 检查加热线连接3. 送回SICK维修部检测3测量数据分析与误差分析实验总共测得四大类数据，KASA算法的测的数据，AI34

30、算法测得数据，MLS算法353637测得数据还有实际测量数据。LMS511激光扫描仪采用了5种精度分别为25Hz/0.1667°，35Hz/0.25°，50Hz/0.3333°，75Hz/0.5°，100Hz/0.6666°。对这三种算法测的纵向距离与半径进行数据分析，分别对其半径误差率、纵向距离与实际距离进行对比。3.1测得的纵向距离数据对这三种算法测得的纵向距离图进行粗略的分析，绘制出三种算法纵向距离与实际距离的对比大致图谱，以精度35Hz/0.25°为例如图6.1所示：图6.1三种算法纵向距离与实际距离对比图从图中看出AI算法的

31、误差波动较大，测算的距离不准确；而KASA算法和MLS算法得到的纵向距离相差不大，很难看出两者之间误差大小差距，需做进一步数据处理。对这三种算法测的纵向距离进行准确的数据分析，分别对其纵向距离与实际距离进行对比，计算它们的纵向误差率，利用excel表格处理数据，将KASA算法的纵向距离数据、MLS算法的纵向距离数据和AI算法纵向距离制成表格形式进行对比，计算出误差率。3.2半径数据分析对三种算法得到的半径先进行粗略分析，首先分析单个精度下的差距，以精度为25Hz/0.167°为例如图6.2.1所示：图6.2三种算法算法半径柱状图从图中能明显看出AI算法的误差偏高，波动较大；而KASA

32、算法和MLS算法之间的差距很小，几乎无法从图中看出，徐作进一步数据计算。用这三种算法测的纵向距离进行三种算法的最小二乘法拟合，得到半径进行数据分析，分别对其纵向距离与实际距离进行对比，计算它们的半径误差率.3.4误差分析受物体的轮廓形状、线结构光传感器的结构和摄像机视场等因素的制约，测量中获取的光条圆弧弧长较短，提取的特征点所拟合的圆弧在整个圆中所占比例偏小(一般不及 1/ 3)， 参与拟合的数据最少；受测量样本的加工制造和测量误差、图像采集中的量化因素以及图像特征提取中的不确定度等因素的影响，提取圆弧上的特征点数据必然存在噪声。圆拟合精度与数据精度、数据量以及拟合算法都有直接关系。从误差理论来分析，扫描系统测量误差可分为系统误差和偶然误差。系统误差引起激光扫描点的坐标偏差, 可通过公式改正或修正系统予以消除或减小。测量系统的偶然性误差是一些随机性误差的综合体现。激光测量误差的影响因素较多，大致可分为三类：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件。仪器误差是仪器本身性能缺陷造成的测量误差,包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；与目标物体反射面有关的误差主要是目标物体表面粗糙度的影响；外界环境条