非接觸式三維掃描儀的設(shè)計(jì)

齊建家

摘要：非接觸式三維掃描儀以Horus為上位機(jī)，控制系統(tǒng)基于ArduinoZUMBT-3288主板，由激光模塊、攝像模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。上位機(jī)發(fā)布控制命令控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)攝像模塊和激光模塊的三角測(cè)距將被測(cè)物的位置傳回上位機(jī)，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)成像，實(shí)現(xiàn)掃描的目的。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，程序運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的掃描成像功能。

Abstract： The non-contact scanner used Horus as upper computer， and control system is based on Arduino ZUM BT-3288. It is composed of laser module， camera module， power supply module and motor drive circuit. PC issued the orders with which control stepper motor rotated. The location of the measured object is sent back to the host through trigonometric ranging which is executed by the camera module and laser module. Host computer will process data and form imagine to achieve the purpose of scanning. The scanner has simple structure， high reliability and stable operation， which can realize the anticipated function.

關(guān)鍵詞：非接觸式;桌面級(jí);三維掃描;激光模塊;三角測(cè)距

Key words： non-contact;desktop;3D scanning;laser module;trigonometric ranging

中圖分類號(hào)：TP731 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）07-0135-02

0 引言

三維激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？梢钥焖佟⒋罅康牟杉臻g點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。由于其具有快速性，不接觸性，穿透性，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，其應(yīng)用推廣很有可能會(huì)像GPS一樣引起測(cè)量技術(shù)的又一次革命。

設(shè)計(jì)的三維掃描儀主要由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制部分、信息處理部分及輔助部分四大部分組成。其中控制部分以Arduino控制器為核心是整個(gè)掃描過(guò)程最重要的環(huán)節(jié)，常被稱為其運(yùn)動(dòng)的心臟。通過(guò)激光三角測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量物體距攝像頭的距離，從而掃描出物體的形狀。該三維掃描儀為桌面級(jí)掃描儀，適用于掃描空間體積大于5×5厘米（空間直徑及高度），小于20.3×20.3厘米，重量低于3公斤、穩(wěn)定不動(dòng)、不透明的物體。將物體掃描為三維圖像格式后，可供3D打印機(jī)等設(shè)備使用。

1 掃描儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)

主要包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，掃描儀的機(jī)架主要采用3D打印，鏈接部分用絲桿鏈接，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)將亞克力嵌入到3D打印材料中。選用3D打印材料，對(duì)機(jī)架形狀的控制程度更高，結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)價(jià)格經(jīng)濟(jì)。

2 掃描儀的硬件設(shè)計(jì)

主要由單片機(jī)，激光頭，攝像頭、步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板組成。

控制模塊：采用Arduino UNO作為主控制芯片。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。該芯片的存儲(chǔ)空間能滿足設(shè)計(jì)要求，可以方便地利用串口下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要。采用該芯片可以較靈活地選擇各模塊控制芯片，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出時(shí)間，有很好的實(shí)時(shí)性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：考慮到掃描儀整體的尺寸限制和功耗，選用體積小，功耗小的步進(jìn)電機(jī)，其勵(lì)磁磁通是恒定的。在控制系統(tǒng)中，通常采用電壓做為控制信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，端電壓的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，改變電壓極性，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向也隨之改變。利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定長(zhǎng)步進(jìn)性能，可以方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準(zhǔn)確的測(cè)量速度、路程以及時(shí)間，簡(jiǎn)化編程和硬件連接的工作量。

本設(shè)計(jì)采用A4988做為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過(guò)流保護(hù)的DMOS微步驅(qū)動(dòng)器。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35V。A4988包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。 只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步。無(wú)須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。

攝像模塊與激光模塊：由高清攝像頭，線激光模塊，光敏電阻組成掃描模塊。利用光線及其返回值測(cè)距的方式收集物體的形狀。高清攝像頭與光敏電阻的安裝距離以及與物體的距離共同約束物體尺寸的范圍。攝像模塊采用羅技C270高清攝像頭，激光模塊采用兩個(gè)5V直流電源，波長(zhǎng)650nm，外徑6mm的激光器分別置于攝像模塊兩側(cè)。單個(gè)激光器、攝像頭和被測(cè)物體以三角測(cè)距實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)，通過(guò)對(duì)位置的確定來(lái)確定被測(cè)物體的形狀。

3 掃描儀的軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，還需根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。軟件設(shè)計(jì)包括各控制部分的上位機(jī)及掃描儀運(yùn)行的控制程序設(shè)計(jì)。

電腦端上位機(jī)使用Horus，分別連接Arduino UNO和高清攝像頭。掃描物體時(shí)Arduino控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并打開(kāi)激光模組，此時(shí)上位機(jī)通過(guò)高清攝像頭實(shí)時(shí)記錄電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)脈沖被測(cè)物上的紅外光數(shù)據(jù)。上位機(jī)還會(huì)檢測(cè)是否有掃描遺漏的地方，如發(fā)生遺漏，電機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)對(duì)遺漏地方重新掃描，最后電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一周，上位機(jī)記錄下的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理便形成被測(cè)物形狀。

4 結(jié)束語(yǔ)

該掃描儀啟動(dòng)后，可通過(guò)激光模塊和攝像模塊采集物體的形狀信息，并將數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，在上位機(jī)上形成三維圖像。該圖像可供其他設(shè)備使用，若將三維掃描儀與3D打印機(jī)配合使用，可實(shí)現(xiàn)3D復(fù)印的功能。

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