基于激光测距模块的管道内径测量装置设计与实现

基于激光测距模块的管道内径测量装置设计与实现

卢毅

上海慧沣智能科技有限公司   201601

摘要：本论文设计并实现了一种基于激光测距模块的管道内径测量装置，通过精确控制伺服电机带动激光测距模块对电缆管道内径实现测量。装置具备高分辨率、定位精度和快速响应能力，满足了自动化测量中对精度和效率的要求。

关键词：伺服电机；激光测距模块；管道内径测量

1. 激光测距概述及原理

激光测距是一种利用激光脉冲或连续激光进行距离测量的技术。它广泛应用于各种领域，如工业制造、地理测绘、军事应用、环境监测等。其原理基于光的传播速度恒定以及接收到反射光的时间差来计算目标物体与测距模块之间的距离。

激光测距模块通过激光发射器产生一束高强度、狭窄方向性的激光束，该激光束直接打到待测量的目标物体表面。激光束照射到目标物体表面后，会发生反射。大部分激光能量会以反射光的形式回到激光测距模块的接收器。接收器会接收到反射回来的激光信号，并记录下接收到这个信号的时间。由于光在空气中的传播速度非常快，大约每秒30万公里，测距模块能够精确计算从激光发射到接收器接收反射光之间的时间差，进而计算出待测物体和测距模块之间的距离。

2基于激光测距模块的管道内径测量装置设计原则

2.1稳定性和精度

由于激光测距模块是固定在以伺服电机为基础的装置上，为保证激光测距模块在测距过程中的精度不受影响，要求装置的整体构造必须设计成足够稳固，以承受伺服电机和激光测距模块的重量及其运动时产生的惯性力。同时也需要考虑如何将装置在管道中行走时产生的振动最小化。

2.2精确的定位和控制

选择合适的伺服电机以提供所需的转动精度和速度。伺服电机应具备高分辨率的位置反馈系统（如编码器），以便实现精确的角度控制。需要开发或选择合适的控制算法，以确保平台能够按预期的角度和速度旋转，并能够快速响应来自激光测距模块的指令。

3. 基于激光测距模块的管道内径测量装置系统架构设计

本装置是以测量管道内径为主要目的，通过在设备前端设置高清摄像头来视觉勘测管道内部的情况，对于管道内部的异物和变形比较大的部分可由摄像头直接识别。对于管道变形比较小，不便于肉眼识别的部分，则由激光测距模块来进行管道内径的测量来分辨。装置的行走支架轮毂上设有里程计，当装置在管道内行走时，轮毂上的强磁铁会触发里程计并对外发出动作脉冲，通过统计脉冲数量进而计算装置在管道中行走的距离。

3.1高清摄像部分

高清摄像部分整个装置的组成部分之一，用于捕捉管道内部的高清视频图像，并由补光灯为其提供适当的照明。这个系统可以发现管道内部肉眼可以直接分辨的异物和状态，提高管道勘测的效率。

图1 装置构造

3.2激光测距部分

激光测距部分主要是由以伺服电机为动力平台，通过带动激光测距仪在管道内转动从而对管道内径进行测量。本系统选用高精度伺服电机，具备良好的定位性能和较小的转动惯量，能够满足高速、高精度旋转的需求。

该装置配备了两个激光测距模块，可以增加管道内径测量时的稳定性和准确性。通过同时或交替使用两个激光测距模块，系统可以进一步提高测量的可靠性，尤其在复杂环境或长距离测量时尤为有效。激光测距仪具有的高精度，高灵敏度，抗干扰能力强的特点，充分满足管道内径测量的需求。

3.3舱体部分

舱体内部布置有装置的主控模组和伺服电机的控制器，通过设置在舱壁上的防水接插件与外部进行供电和信号传输。为减轻装置的整体重量，提高激光测距模块工作时的测量精度，舱体部分主体部分采用高强度铝合金材质，通过本色氧化来提升设备的防腐蚀能力。舱体圆形构造的设计更容易通过采用O型密封圈的形式对设备内部进行密封，将设备的防护性能提升到IP68的防护等级。激光测距模块部分的舱体采用的亚克力圆管，该段圆管有很强的透光性，可减少对激光测距精度的影响。

主控模组

主控模组采用单片机为控制单元，其拥有很好的图像数据处理能力，可以将装置前端的摄像头采集的图像数据处理后传输至上位机，还可以接收上位机发出的控制指令，完成对伺服电机的控制和激光测距仪的测量工作。

控制器

控制器是连接伺服电机和主控模组的桥梁，负责接收主控模组发出的指令，控制伺服电机的旋转，调节伺服电机的转速和定位位置。控制器具备强大的处理能力和灵活的编程接口。

3.4行走支架部分

装置前后两端均设置一套行走支架，该支架为三等分构造，可以将整套装置固定在测量管道中，使激光测距模块位于管道居中部分，并于其更精确的完成管道内径的测量。每套支架都有三组独立的轮毂和轮毂支架，轮毂支架一端固定在住舱体上，另外一端固定在可以沿着支架中心轴自由滑动的滑块上，滑块的位置由固定在轴上的弹簧来调整。通过弹簧自身的压缩属性来调整滑块的位置，这样可以增加装置在管道中行走的适应性和装置本身的减震效果。

里程计测量

每套支架中的两组轮毂支架上有2个里程计，对应的轮毂上布置有6个强磁铁。当轮毂转动时，强磁铁会间歇性地触发里程计，从而产生脉冲信号。这些脉冲信号通过累计可以用来计算装置的行程或移动距离。

4. 基于激光测距模块的管道内径测量装置性能评估

表1 性能效果

表1所示的性能效果显示，基于激光测距模块的管道内径测量装置在各项性能指标上均达到了预期目标值。特别是在旋转范围、分辨率、定位精度和重复定位精度等方面，系统表现出较高的准确性和稳定性。

5. 总结与展望

本文设计的基于激光测距模块的管道内径测量装置，通过精心选择硬件组件和优化软件控制策略，实现了全方位、高精度的测量功能。该装置具有广泛的应用前景，如自动化检测、地形测绘、管道机器人等领域。未来，随着技术的进一步发展，该系统在精度、速度和稳定性方面还有进一步提升的空间，以满足更加苛刻的测量需求。