Как сделать дальномер своими руками
Самодельный сканирующий лазерный дальномер
В этой статье я расскажу о том, как я делал самодельный лазерный сканирующий дальномер, использующий триангуляционный принцип измерения расстояния, и об опыте его использования на роботе.
Зачем нужен сканирующий дальномер?
На сегодняшний день в робототехнике не так уж и много методов навигации внутри помещений. Определение положения робота в пространстве с использованием лазерного сканера — один из них. Важное достоинство этого метода — он не требует установки в помещении каких-либо маяков. В отличие от систем, использующих распознавание изображения с камер, обработка данных с дальномера не так ресурсоемка. Но есть и недостаток — сложность, и соответственно, цена дальномера.
Традиционно в робототехнике используются лазерные сканеры, использующие фазовый или времяпролетный принцип для измерения расстояния до объектов. Реализация этих принципов требует довольно сложной схемотехники и дорогих деталей, хотя и характеристики при этом получаются приличные — используя эти принципы, можно добиться высокой скорости сканирования и большой дальности измерения расстояния.
Но для домашних экспериментов в робототехнике такие сканеры мало подходят — цена на них начинаются от 1000$.
На помощь приходят дальномеры, использующие триангуляционный принцип измерения расстояния. Дальномер такого типа впервые появился в роботах-пылесосах Neato:
Довольно быстро любители расшифровали протокол этого дальномера, и начали использовать его в своих проектах. Сами дальномеры в качестве запчастей появились на ebay в небольших количествах по цене около 100$. Через несколько лет китайская компания смогла выпустить сканирующий дальномер RPLIDAR, который поставлялся как полноценный прибор, а не запчасть. Только цена этих дальномеров оказалась достаточно высокой — 400$.
Самодельный дальномер
Как только я узнал о дальномерах Neato, мне захотелось собрать самому аналогичный. В конце концов, мне это удалось, и процесс сборки я описал на Робофоруме.
Первая версия дальномера: 
Позже я сделал еще одну версию дальномера, более пригодную для использования на реальном роботе, но и ее качество работы не полностью устроило меня. Настало время третьей версии дальномера, и именно она будет описана далее.
Устройство сканирующего триангуляционного лазерного дальномера
Принцип измерения расстояния до объекта основан на измерении угла между лазерным лучом, попадающим на объект, и объективом дальномера. Зная расстояние лазер-объектив (h) и измеренный угол, можно вычислить расстояние до объекта — чем меньше угол, тем больше расстояние.
Принцип хорошо иллюстрирует картинка из статьи:
Таким образом, ключевые оптические компоненты такого дальномера — лазер, объектив и фотоприемная линейка.
Так как дальномер сканирующий, то все эти детали, а так же управляющая электроника устанавливаются на вращающейся головке.
Тут может возникнуть вопрос — зачем нужно вращать оптику и электронику, ведь можно установить вращающееся зеркало? Проблема в том, что точность дальномера зависит от расстояния между объективом и лазером (базового расстояния), так что оно должно быть достаточно большим. Соответственно, для кругового сканирования понадобится зеркало диаметром, большим базового расстояния. Дальномер с таким зеркалом получается достаточно громоздким.
Сканирующая головка дальномера при помощи подшипника закрепляется на неподвижном основании. На нем же закрепляется двигатель, вращающий головку. Также в состав дальномера должен входить энкодер, предназначенный для получения информации о положении головки.
Как видно, дальномеры Neato, RPLIDAR и мои самодельные сделаны именно по этой схеме.
Самое сложное в самодельном дальномере — изготовление механической части. Именно ее работа вызывала у меня больше всего нареканий в ранних версиях дальномера. Сложность заключается в изготовлении сканирующей головки, которая должна быть прочно закреплена на подшипнике, вращаться без биений и при этом не нее нужно каким-то образом передавать электрические сигналы.
Во второй версии дальномера первые две проблемы я решил, использовав части старого HDD — сам диск использовался как основание сканирующей головки, а двигатель, на котором он закреплен, уже содержал качественные подшипники. В то же время, при этом возникла третья проблема — электрические линии можно было провести только через небольшое отверстие в оси двигателя. Мне удалось сделать самодельный щеточный узел на 3 линии, закрепленный в этом отверстии, но получившаяся конструкция получилась шумной и ненадежной. При этом возникла еще одна проблема — линии, чтобы пробросить сигнал энкодера, не было, и датчик энкодера в такой конструкции должен быть установлен на головке, а диск энкодера с метками — на неподвижном основании. Диск энкодера получился не жестким, и это часто вызывало проблемы.
Фотография второй версии дальномера:
Еще один недостаток получившегося дальномера — низкая скорость сканирования и сильное падение точности на расстояниях больше 3м.
Именно эти недостатки я решил устранить в третьей версии дальномера.
Электроника
Однако купить ее оказалось непросто. У основных поставщиков электроники этих линеек просто нет.
Первая линейка, которую я смог купить на Taobao, оказалась нерабочей. Второю я купил на Aliexpress (за 18$), она оказалась рабочей. Обе линейки выглядели паянными — обе имели облуженные контакты и, судя по маркировке, были изготовлены в 2007 году. Причем даже на фотографиях у большинства китайских продавцов линейки именно такие. Похоже, что действительно новую линейку ELIS-1024 можно купить только напрямую у производителя.
Светочувствительная линейка ELIS-1024, как следует из названия, содержит 1024 пикселя. Она имеет аналоговый выход, и достаточно просто управляется.
Еще более хорошими характеристиками обладает линейка DLIS-2K. При сходных размерах, она содержит 2048 пикселей и имеет цифровой выход. Насколько мне известно, именно она используется в дальномере Neato, и возможно, в RPLIDAR. Однако, найти ее в свободной продаже очень сложно, даже в китайских магазинах она появляется не часто и дорого стоит — более 50$.
Так как я решил использовать линейку с аналоговым выходом сигнала, то микроконтроллер дальномера должен содержать достаточно быстрый АЦП. Поэтому я решил использовать серию контроллеров — STM32F303, которые, при относительно небольшой стоимости, имеют несколько быстрых АЦП, способных работать одновременно.
В результате у меня получилась такая схема: 
Сигнал с линейки (вывод 10) имеет достаточно высокий уровень постоянной составляющей, и ее приходится отфильтровывать при помощи разделительного конденсатора.
Далее сигнал нужно усилить — для этого используется операционный усилитель AD8061. Далеко расположенные объекты дают достаточно слабый сигнал, так что пришлось установить коэффициент усиления равным 100.
Как оказалось в результате экспериментов, даже при отсутствии сигнала, на выходе выбранного ОУ по какой-то причине постоянно присутствует напряжение около 1.5В, что мешает обработке результатов и ухудшает точность измерения амплитуды сигнала. Для того, чтобы избавится от этого смещения, мне пришлось подать дополнительное напряжение на инвертирующий вход ОУ.
3D рендер разведенной печатной платы: 
Плату разводил двухстороннюю, сделать такую плату в домашних условиях качественно довольно сложно, так что заказал изготовление плат в Китае (пришлось заказать сразу 10 штук):
В этом дальномере я использовал дешевый объектив с резьбой M12, имеющий фокусное расстояние 16мм. Объектив закреплен на печатной плате при помощи готового держателя объектива (такие используются в различных камерах).
Лазер в данном дальномере — инфракрасный (780 нм) лазерный модуль, мощностью 3.5 мВт.
Изначально я предполагал, что излучение лазера нужно будет модулировать, но позже оказалось, что с используемой линейкой в этом нет смысла, и поэтому сейчас лазер включен постоянно.
Для проверки работоспособности электроники была собрана вот такая конструкция, имитирующая сканирующую головку дальномера:
Уже в таком виде можно было проверить, какую точность измерения расстояния позволяет обеспечить дальномер.
Для анализа сигнала, формируемого линейкой, были написаны тестовые программы для микроконтроллера и ПК.
Пример вида сигнала с линейки (объект на расстоянии 3 м).
Изначально схема была не совсем такая, как приведена выше. В ходе экспериментов мне пришлось частично переделать изначальную схему, так что, как видно из фотографий, некоторые детали пришлось установить навесным монтажом.
Механическая часть
После того, как электроника была отлажена, настало время изготовить механическую часть.
В этот раз я не стал связываться с механикой из HDD, и решил изготовить механические детали из жидкого пластика, заливаемого в силиконовую форму. Эта технология подробно описана в Интернете, в том числе и на Гиктаймс.
Уже после того, как я изготовил детали, стало понятно, что изготовить детали на 3D принтере было бы проще, они могли выйти тверже, и возможно, можно было бы сделать одну деталь вместо двух. Доступа к 3D принтеру у меня нет, так что пришлось бы заказывать изготовление детали в какой-либо компании.
Фото одной из деталей сканирующей головки дальномера:
Эта деталь является основой головки. Она состоит из втулки, на которую позже надевается подшипник, и диска. Диск предназначен для крепления второй детали башни, кроме того, на него снизу наклеивается диск энкодера.
Втулка и диск содержат сквозное отверстие, в которое вставляется покупной щеточный узел на 6 линий — его видно на фотографии. Именно те провода, что видны на фотографии, могут вращаться относительно корпуса этого узла. Для повышения стабильности работы для передачи сигналов GND и UART TX используется 2 пары линий щеток. Оставшиеся 2 линии используются для передачи напряжения питания и сигнала энкодера.
Силиконовая форма для отливки этой детали:
Вторая деталь сканирующей головки была изготовлена тем же способом. Она предназначена для крепления печатной платы и лазера к диску. К сожалению, фотографий изготовления этой детали у меня не сохранилось, так что ее можно увидеть только в составе дальномера.
Для крепления сканирующей головки к основанию дальномера используется шариковый подшипник. Я использовал дешевый китайский подшипник 6806ZZ. Честно говоря, качество подшипника мне не понравилось — ось его внутренней втулки могла отклонятся относительно оси внешней на небольшой угол, из-за чего головка дальномера тоже немного наклоняется. Крепление подшипника к детали с диском и основанию будет показано ниже.
Основание я сделал из прозрачного оргстекла толщиной 5 мм. К основанию крепится подшипник, датчик энкодера, двигатель дальномера и маленькая печатная плата. Само основание устанавливается на любую подходящую поверхность при помощи стоек.
Вот так выглядит основание дальномера снизу: 
Печатная плата содержит регулируемый линейный стабилизатор напряжения для питания двигателя, и площадки для подключения проводов узла щеток. Сюда же подводится питание дальномера.
Как и в других дальномерах, двигатель вращает сканирующую головку при помощи пассика. Для того, чтобы он не сваливался с втулки, на ней имеется специальное углубление.
Как видно из фотографии, подшипник закреплен в основании при помощи трех винтов. На сканирующей головке подшипник удерживается за счет выступа на втулке и прижимается к ней другими винтами, одновременно удерживающими щеточный узел.
Энкодер состоит из бумажного диска с напечатанными рисками и оптопары с фототранзистором, работающей на отражение. Оптопара закреплена при помощи стойки на основании так, что плоскость диска оказывается рядом с ней:
Сигнал от оптопары через щетки передается на вход компаратора микроконтроллера. В качестве источника опорного напряжения для компаратора выступает ЦАП микроконтроллера.
Для того, чтобы дальномер мог определить положение нулевого угла, на диск энкодера нанесена длинная риска, отмечающая нулевое положение головки (она видна справа на фотографии выше).
Вот так выглядит собранный дальномер: 
Вид сверху: 
Разъем сзади дальномера используется для прошивки микроконтроллера.
Для балансировки сканирующей головки на нее спереди устанавливается крупная гайка — она практически полностью устраняет вибрацию при вращении головки.
Собранный дальномер нужно отюстировать — установить лазер в такое положение, чтобы отраженный от объектов свет попадал на фотоприемную линейку. Обе пластмассовые детали содержат соосные отверстия, располагающиеся под пазом лазера. В отверстия вворачиваются регулировочные винты, упирающиеся в корпус лазера. Поворачивая эти винты, можно изменять наклон лазера.
Наблюдая в программе на компьютере форму и амплитуду принятого сигнала и изменяя наклон лазера, нужно добиться максимальной амплитуды сигнала.
Также триангуляционные дальномеры требуют проведения калибровки, о чем я писал ранее:
Для того, чтобы при помощи датчика можно было измерять расстояние, нужно произвести его калибровку, т.е. определить закон, связывающий результат, возвращаемый датчиком, и реальное расстояние. Сам процесс калибровки представляет собой серию измерений, в результате которых формируется набор расстояний от датчика до некоторого объекта, и соответствующих им результатов.
В данном случае калибровка представляла собой серию измерений расстояний до различных объектов самодельным дальномером и лазерной рулеткой, после чего по полученным парам измерений выполняется регрессионный анализ и составляется математическое выражение.
Получившийся дальномер имеет существенный недостаток — из-за отсутствия модуляции излучения лазера он некорректно работает при любой сильной засветке. Обычное комнатное освещение (даже при использовании мощной люстры) не влияет на работу дальномера, но вот расстояние до поверхностей, прямо освещенных Солнцем, дальномер измеряет неправильно. Для решения этой проблемы в состав дальномера нужно включить интерференционный светофильтр, пропускающий световое излучение только определенной длины волны — в данном случае 780 нм.
Эволюция самодельных дальномеров:
Габаритные размеры получившегося дальномера:
Размер основания: 88×110 мм.
Общая высота дальномера: 65 мм (может быть уменьшена до 55 при уменьшении высоты стоек).
Диаметр сканирующей головки: 80 мм (как у mini-CD диска).
Как и у любого другого триангуляционного дальномера, точность измерения расстояния этого дальномера резко падает с ростом расстояния.
При измерениях расстояния до объекта с коэффициентом отражения около 0.7 у меня получились примерно такие точностные характеристики:
Упрощаем замеры расстояния: ультразвуковой дальномер на ардуино
На чтение: 4 минуты Нет времени?
При производстве ремонта очень часто необходимы точные замеры расстояния от точки до точки. Да и помимо ремонта подобная задача бывает актуальной. И хорошо, если эти расстояния небольшие – можно воспользоваться рулеткой. Иногда использование этого инструмента бывает попросту невозможным. И вот тут на помощь приходят лазерные или ультразвуковые приборы. Но приобретение такого высокоточного инструмента не всем по карману. Поэтому попробуем разобраться, насколько сложным может быть самостоятельное изготовление дальномера из запчастей с китайских ресурсов на базе ардуино.
Что потребуется приобрести для сборки ультразвукового дальномера
Для того чтобы изготовить ультразвуковой дальномер на базе ардуино, не придётся тратить большие суммы. На китайских ресурсах, которые стали столь популярны в последнее время, такие элементы стоят довольно дёшево.
Основным видимым элементом, позволяющим визуально считывать данные с прибора, будет, конечно же, жидкокристаллический дисплей.
Вторым элементом, который напрямую будет контактировать с дисплеем, отметим I2C модуль (1602) для arduino. По сути, это ЖК-адаптер. Он может продаваться отдельно, хотя намного удобнее приобрести жидкокристаллический дисплей уже в сборе с модулем.
Следующий элемент – «глаза» будущего дальномера. В их роли выступает плата ультразвукового дальномера. Она довольно компактна, а потому проблем с размещением её в небольшой коробочке не будет.
ФОТО: YouTube.com Ультразвуковой дальномер – именно он будет собирать и передавать данные о расстоянии к «мозгу» собранного прибора
И наконец, «сердце и мозг» изготавливаемого устройства – сама плата ардуино. В продаже она ещё девственно чиста, поэтому понадобится залить на неё скетч. Ссылка на него обязательно будет в сегодняшней статье.
ФОТО: YouTube.com «Сердце и мозг» собираемого прибора – готовая печатная плата ардуино
Ну, и напоследок ‒ оставшиеся мелочи, необходимые для работы ультразвукового дальномера, среди которых:
ФОТО: YouTube.com Остальные мелкие детали, которые понадобятся для работы
Первые шаги по изготовлению дальномера на ардуино
Начать работу следует с разметки коробки под приобретённые элементы. После разметки излишки пластика вырезаются. Для этого можно воспользоваться различными способами, но все они элементарны и не требуют подробного рассмотрения.
ФОТО: YouTube.com Излишки пластика вырезаются любым доступным способом
Дисплей и ультразвуковой дальномер устанавливаются на свои места, после чего можно переходить к более сложным действиям.
ФОТО: YouTube.com Элементы встали на место, пора поработать с ардуино
Программирование ардуино: как залить скетч
Те, кто уже сталкивался с подобным вопросом, знают, что ардуино работает со специальными программами. Их несложно скачать из сети интернет. А вот нужный именно для дальномера скетч мы не в праве не предоставить в рамках данной статьи. Его можно скачать на ПК.
ФОТО: YouTube.com Заливаем скетч на ардуино, после чего можно полностью собрать ультразвуковой дальномер
Окончательная сборка ультразвукового дальномера и оценка результата
Дальнейшая работа потребует некоторых навыков владения паяльником. При помощи подготовленных заранее отрезков проводов нужно собрать все детали в единый прибор. Схему сложной назвать нельзя, при определённой доле внимательности с ней справится даже школьник.
ФОТО: YouTube.com Схема ультразвукового дальномера на ардуино – ничего сложного, обозначена каждая точка
Что же должно получиться в итоге
После сборки схемы останется зафиксировать все детали внутри пластиковой коробки при помощи термоклея и закрыть её. Должен получиться аккуратный приборчик, который уже пора испытать.
ФОТО: YouTube.com Все элементы зафиксированы, можно закрыть коробку
ФОТО: YouTube.com Вот такой аккуратный прибор должен получиться в итоге
Проверка показаний ультразвукового дальномера
Для того чтобы проверить точность измерений и работоспособность собранного прибора, можно воспользоваться обычной линейкой. Здесь стоит учитывать, что измерения производятся прибором от уровня задней его стенки.
ФОТО: YouTube.com Точно, как в аптеке: 30 см линейки + 1 см по причине выхода границы за шкалу
Заключительная часть
Многим начинающим домашним мастерам может показаться, что работать с ардуино очень сложно и этому нужно учиться долгое время. На самом деле стоит только один раз попробовать, чтобы это занятие увлекло человека настолько, что он сам начнёт изобретать различные приборы, требующие наличия подобной микросхемы. Тем более что стоимость необходимых элементов минимальна, а найти в сети нужные скетчи для той или иной цели крайне просто. Что же касается дальномера, то его можно сделать не только ультразвуковым, но и лазерным. Второй вариант будет даже более предпочтительным – всегда можно увидеть, нет ли препятствия на пути луча.
Надеемся, что начинающие работать с ардуино домашние мастера возьмут на вооружение представленный сегодня способ изготовления ультразвукового дальномера. Редакция Homius с удовольствием ответит на все вопросы по сегодняшней статье, если таковые возникли в процессе ознакомления с информацией. Вам нужно лишь изложить их суть в комментариях ниже. Там же вы можете поделиться своим вариантом использования ардуино или даже указать на некомпетентность автора, если вдруг наличие таковой вами обнаружено. Да, и пожалуйста, не забывайте об оценке статьи. Ваше мнение крайне важно для нас. И, конечно же, в свете распространяющейся по миру инфекции берегите себя, своих близких и будьте здоровы!