邰其樂，江朝暉，朱家微，岳旭東，高 健

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.國(guó)際竹藤中心，北京 100102）

0 引 言

在林木生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)便攜式、自動(dòng)式測(cè)量?jī)x器對(duì)樹木長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便于實(shí)施者采取適當(dāng)?shù)母深A(yù)措施來(lái)保證林木的正常生長(zhǎng)，對(duì)林木管理和科研教學(xué)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外已有一些關(guān)于林木高度測(cè)量的儀器[1]，如常用的測(cè)樹槍，雖然便攜，但需要人工測(cè)量，肌肉顫抖和測(cè)量高度不固定等因素會(huì)造成測(cè)量結(jié)果存在誤差[2]。利用魚眼鏡頭曲面測(cè)量樹高的方法，測(cè)量樹高的準(zhǔn)確度取決于對(duì)林木圖像桶形失真的還原程度，且攜帶不便[3]。部分功能完善但價(jià)格昂貴的儀器設(shè)備，如全站儀，難以推廣[4]。針對(duì)上述問題，本文采用三角測(cè)量、圖像獲取和激光測(cè)距等方法設(shè)計(jì)了自動(dòng)化林木測(cè)高儀，減少了人工操作的誤差，實(shí)現(xiàn)了林木圖像、傾角數(shù)據(jù)、水平標(biāo)定信息的自動(dòng)獲取，具有通用性、易操作性、便攜性好、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

1 測(cè)量原理

測(cè)高原理如圖1所示。根據(jù)攝像頭高度H和水平距離L求得∠γ，∠α由∠β與∠γ得出。由h1、L和∠α的關(guān)系得出h1，計(jì)算被測(cè)物體高度h：

圖1 測(cè)高原理

式中：H為固定支架的高度；L為激光測(cè)距模塊自動(dòng)獲取的水平距離；∠β為攝像頭觀測(cè)被測(cè)物體過(guò)程中偏轉(zhuǎn)的角度（∠β的精確測(cè)定是測(cè)高的關(guān)鍵）。

∠β的測(cè)定原理：利用二自由度平臺(tái)中舵機(jī)輸入特定的PWM波形，即可完成特定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，得出圖2中基準(zhǔn)線從被測(cè)物體最低點(diǎn)到最高點(diǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖2 ∠β的測(cè)定原理

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)高儀由視頻圖像獲取、激光測(cè)距、云臺(tái)控制等模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。MCU（STM32F429IGT6）控制攝像頭（OV5640）和激光測(cè)距模塊獲取林木圖像和水平距離并實(shí)時(shí)顯示，用戶通過(guò)按鍵控制二自由度平臺(tái)，根據(jù)圖2中∠β的測(cè)定原理，完成被測(cè)物體的高度測(cè)量。儀器使用電池供電。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 視頻獲取模塊

MCU（STM32F429IGT6）根據(jù)SCCB協(xié)議對(duì)其關(guān)鍵寄存器進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)寄存器初始化。攝像頭采集圖像時(shí)[5]選擇的視頻采集參數(shù)為480 dpi，刷新率為15 FPS，圖像格式為RGB 565。由此算出PCLK時(shí)鐘頻率至少為11.52 MHz，故PCLK實(shí)際頻率大于11.52 MHz。

圖像數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖4所示。RGB 565圖像數(shù)據(jù)的單一像素由2個(gè)8位數(shù)據(jù)組成，故OV5640在單一像素時(shí)鐘中，OV_D[7：0]的8位數(shù)據(jù)口輸出0.5像素?cái)?shù)據(jù)。像素?cái)?shù)據(jù)在行同步時(shí)鐘下，輸出一行像素?cái)?shù)據(jù)，在幀同步時(shí)鐘下，完成一幀圖像數(shù)據(jù)的輸出[6]。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，DCMI接收的攝像頭數(shù)據(jù)通過(guò)通用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DMA將圖像數(shù)據(jù)直接寫入LCD的寄存器中顯示。攝像頭模塊引腳見表1所列。

圖4 圖像傳輸時(shí)序示意圖

表1 攝像頭模塊引腳

2.2 激光測(cè)距模塊

選用LP系列激光測(cè)距模塊LP40。LP40發(fā)出一束經(jīng)過(guò)系統(tǒng)簽名的脈沖激光，當(dāng)脈沖激光遇到物體時(shí)，雖然脈沖會(huì)受到物體的影響，但簽名信息依然存在。如圖5所示，LP40接收到調(diào)制后的簽名后[7-8]，精確算出飛行時(shí)間t與物體到激光測(cè)距模塊的距離L。

圖5 激光測(cè)距原理示意圖

MCU通過(guò)串口與模塊通信，LP40模塊掛載在MCU的UART2串口上，TX接PA2，RX接PA3。MCU向模塊發(fā)送獲取設(shè)備信息（0x01）、設(shè)置測(cè)量頻率（0x03）、設(shè)置數(shù)據(jù)格式（0x04）、設(shè)置測(cè)量模式（0x0D）、啟動(dòng)測(cè)量（0x05）、停止測(cè)量（0x06）等命令，獲取模塊的設(shè)備信息和距離測(cè)量數(shù)據(jù)等。

2.3 云臺(tái)控制模塊

舵機(jī)和攝像頭綁定，用來(lái)控制攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)特定的角度。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，可產(chǎn)生周期為20 ms，寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差輸出。電壓差的振幅輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。如圖6所示，在脈沖為1～1.5 ms范圍內(nèi)時(shí)，舵機(jī)可以右轉(zhuǎn)90°；在1.5～2 ms之間[9]，舵機(jī)可以左轉(zhuǎn)90°。

圖6 舵機(jī)PWM工作時(shí)序

可以通過(guò)MCU產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制舵機(jī)一次轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度。舵機(jī)的PWM信號(hào)由MCU的PA3引腳提供。對(duì)舵機(jī)控制的測(cè)試表明，PWM占空比（0.5～2.5 ms的正脈沖寬度）和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角（-90°～90°）線性度較好。因此設(shè)置舵機(jī)的單次最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度[10]為0.9°。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

測(cè)高儀軟件由圖像顯示任務(wù)、激光測(cè)距任務(wù)、二自由度平臺(tái)控制任務(wù)組成，軟件流程如圖7所示。測(cè)高儀首先完成系統(tǒng)初始化，并檢測(cè)OV 5640攝像頭是否正常工作。根據(jù)圖2的工作原理記錄被測(cè)物體最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的狀態(tài)值，得出舵機(jī)帶動(dòng)攝像頭偏轉(zhuǎn)的角度。最后根據(jù)激光測(cè)距得出的水平距離、攝像頭固定高度計(jì)算被測(cè)物體的高度。

圖7 軟件流程

3.2 高度計(jì)算

將按鍵RECODE設(shè)置為三次觸發(fā)計(jì)算，前兩次按鍵觸發(fā)分別為圖2中最低點(diǎn)和最高點(diǎn)舵機(jī)所在位置，即運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)和最低點(diǎn)時(shí)，需要操作的UP和DOWN的次數(shù)。第三次按鍵觸發(fā)后，計(jì)算被測(cè)對(duì)象高度。

式中：Flagup1和Flagdown1為最低點(diǎn)的狀態(tài)值；Flagup2和Flagdown2為最高點(diǎn)的狀態(tài)值。

用戶界面如圖8所示，最上方為KEY1、KEY2、KEY3的按鍵功能說(shuō)明；第二行顯示舵機(jī)狀態(tài)值UP、DOWN的次數(shù)；第三行為測(cè)得的α和β的角度值；第四行為根據(jù)公式（2）計(jì)算的h1和激光測(cè)距得到的水平距離L；第五行為算得的被測(cè)物體高度h，以及KEY3按下的次數(shù)Time；最下方顯示實(shí)時(shí)獲取的物體圖像。

圖8 用戶界面

4 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)備的可靠性與實(shí)用性，使用測(cè)高儀對(duì)室內(nèi)的小目標(biāo)物體和室外高大樹木進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表2中，1～12組實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)針對(duì)小目標(biāo)物體進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，13～15組實(shí)驗(yàn)是在室外針對(duì)大目標(biāo)物體進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。圖9為15組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中測(cè)試高度與實(shí)際高度的柱狀對(duì)比。

圖9 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從測(cè)量結(jié)果對(duì)比來(lái)看，測(cè)試高度和實(shí)際高度的誤差率會(huì)受被測(cè)物體高度、被測(cè)物體與攝像頭水平距離的影響，但高度測(cè)量的準(zhǔn)確率均維持在97%以上。

儀器整體功耗約為0.73 W，使用5 V/10 A·h的可充電鋰電池供電，可保證儀器連續(xù)工作68.5 h，續(xù)航能力強(qiáng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用普通攝像頭、激光測(cè)距模塊、二自由度平臺(tái)等設(shè)計(jì)了基于角度計(jì)算的手持式林木測(cè)高儀。該儀器的突出特點(diǎn)是測(cè)量原理簡(jiǎn)單、硬件性價(jià)比高、儀器設(shè)計(jì)小巧、攜帶方便等。雖然在攝像頭獲取圖像的過(guò)程中會(huì)存在些微的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)誤差，但誤差處于可接受范圍內(nèi)。后續(xù)任務(wù)是進(jìn)一步降低功耗，拓展樹高數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行可視化分析。該儀器可以便捷地測(cè)量喬木、毛竹等高大林木的高度信息，有利于林木資源的管理和林木學(xué)專業(yè)的教學(xué)研究，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。