Триангуляционный лазерный сканер – Все о 3D-сканерах: от разновидностей до применения

Содержание

Все о 3D-сканерах: от разновидностей до применения

Все о 3D-сканерах: от разновидностей до применения

3D-сканер представляет собой специальное устройство, которое анализирует определённый физический объект или же пространство, чтобы получить данные о форме предмета и, по возможности, о его внешнем виде (к примеру, о цвете). Собранные данные в дальнейшем применяются для создания цифровой трехмерной модели этого объекта.

Создать 3D-сканер позволяют сразу несколько технологий, различающиеся между собой определёнными преимуществами, недостатками, а также стоимостью. К тому же, существуют некоторые ограничения по объектам, которые могут быть оцифрованы. В частности, возникают трудности с блестящими, прозрачными или обладающими зеркальными поверхностями предметами.

Не стоит забывать и том, что сбор 3D-данных важен и для других применений. Так, они необходимы в индустрии развлечений для создания фильмов и видеоигр. Также эта технология востребована в промышленном дизайне, ортопедии и протезировании, реверс-инжиниринге, разработке прототипов, а также для контроля качества, осмотре и документировании культурных артефактов.

 

Функциональные возможности

Цель 3D-сканера в том, чтобы создать облако точек геометрических образцов на поверхности объекта. В дальнейшем эти точки могут быть экстраполированы для воссоздания формы предмета (процесс, называемый реконструкцией). Если были получены данные и о цвете, то и цвет реконструированной поверхности также можно определить.

3D-сканеры немного похожи на обычные камеры. В частности, у них есть конусообразное поле зрения, и они могут получать информацию только с тех поверхностей, которые не были затемнены. Различия между двумя этими устройствами в том, что камера передаёт только информацию о цвете поверхности, что попала в ее поле зрения, а вот 3D-сканер собирает информацию о расстояниях на поверхности, которая также пребывает в его поле зрения. Таким образом «картинка», полученная с помощью 3D-сканера, описывает расстояние до поверхности в каждой точке изображения. Это позволяет определить положение каждой точки на картинке сразу в 3 плоскостях.

В большинстве случаев одного сканирования недостаточно для создания полноценной модели предмета. Таких операций потребуется несколько. Как правило, приличное множество сканирований с разных направлений понадобится для того, чтобы получить информацию обо всех сторонах объекта. Все результаты сканирования должны быть приведены к общей системе координат – процесс, называемый привязкой изображений или выравниванием, и только после этого создаётся полная модель. Вся эта процедура от простой карты с расстояниями до полноценной модели называется  3D конвейер сканирования.

 

Технология

Существует несколько технологий для цифрового сканирования формы и создание 3D-модели объекта. Однако была разработана специальная классификация, которая делит 3D-сканеры на 2 типа: контактные и бесконтактные. В свою очередь, бесконтактные 3D-сканеры можно поделить ещё на 2 группы – активные и пассивные. Под эти категории сканирующих устройств могут подпадать сразу несколько технологий.

 

Координатно-измерительная машина с двумя фиксированными взаимно перпендикулярными измерительными руками

 

Контактные 3D-сканеры

Контактные 3D-сканеры исследуют (зондируют) объект непосредственно через физический контакт, пока сам предмет пребывает на прецизионной поверочной плите, отшлифованной и отполированной до определённой степени шероховатости поверхности. Если объект сканирования неровный или не может стабильно лежать на горизонтальной поверхности, то его будут удерживать специальные тиски.

 

Механизм сканера бывает трёх различных форм:

  • Каретка с фиксированной измерительной рукой, расположенной перпендикулярно, а измерение по осям происходит, пока рука скользит вдоль каретки. Эта система оптимальна для плоских или обычных выпуклых кривых поверхностей.
  • Манипулятор с фиксированными составляющими и с высокоточными угловыми датчиками. Расположение конца измерительной руки влечет за собой сложные математические вычисления, касающиеся угла вращение шарнира запястья руки, а также угла разворота каждого из соединений руки. Этот механизм идеально подходит для зондирования углублений или внутренних пространств с небольшим входным отверстием.
  • Одновременное использование предыдущих двух методов. К примеру, манипулятор можно совместить с кареткой, что позволить получить 3D-данные от больших объектов, обладающих внутренними полостями или перекрывающими друг друга поверхностями.

КИМ (координатно-измерительная машина) представляет собой яркий пример контактного 3D-сканера. Они используются в основном в производстве и могут быть сверхточными. К недостаткам КИМ можно отнести необходимость непосредственного контакта с поверхностью объекта. Поэтому существует возможность изменить предмет или даже повредить его. Это весьма важно в том случае, если сканируются тонкие или ценные предметы, например, исторические артефакты. Ещё один недостаток КИМ перед другими методами сканирования – медлительность. Перемещение измерительной руки с установленным зондом может оказаться очень медленным. Самый быстрый результат работы КИМ не превышает несколько сотен герц. В то же время, оптические системы, к примеру, лазерный сканер, может работать от 10 до 500 кГц.

Ещё одним примером могут послужит ручные измерительные зонды, с помощью которых оцифровывают глиняные модели для компьютерной анимации.

 

Устройство Лидар используется для того, чтобы сканировать здания, скалы и т.д., что дает возможность создавать их 3D-модели. Лазерный луч Лидара может использоваться в широком диапазоне: его головка поворачивается по горизонтали, а зеркало перемещается по вертикали. Сам же лазерный луч используется для того, чтобы измерить расстояние до первого объекта, на его пути.

 

Бесконтактные активные сканеры

Активные сканеры используют определённые виды излучения или просто свет и сканируют объект через отражение света или прохождение излучения через объект или среду. В таких устройствах применяется свет, ультразвук или рентгеновские лучи.

 

Времяпролётные сканеры

Времяпролётный лазерный 3D-сканер – это активный сканер, который использует  лазерный луч, чтобы исследовать объект. В основе этого типа сканера лежит времяпролётный лазерный дальномер. В свою очередь, лазерный дальномер определяет расстояние до поверхности объекта, исходя из времени пролёта лазера туда и обратно. Сам лазер используется для создания светового импульса, в то время как детектор измеряет время до того момента, пока свет не отразится. Учитывая, что скорость света  (c) – величина постоянная, то зная время пролёта луча туда-обратно, можно определить расстояние, на которое переместился свет, оно будет в два раза больше расстояния между сканером и поверхностью объекта. Если (t) – это время полёта луча лазера туда-обратно, тогда расстояние будет равно  (c*t\2). Точность времени пролёта лазерного луча 3D-сканера зависит от того, насколько точно мы можем измерить само время (t): 3,3 пикосекунды (приблизительно) необходимо для того, чтобы лазер преодолел 1 миллиметр.
Лазерный дальномер определяет расстояние только одной точки в заданном направлении. Поэтому устройство сканирует все своё поле зрения по отдельным точкам за раз, меняя при этом направление сканирования. Менять направление лазерного дальномера можно либо путем вращения самого прибора, либо с помощью системы вращающихся зеркал. Зачастую используют последний метод, ведь он намного быстрее, точнее, а также легче в обращении. К примеру, времяпролётные 3D-сканеры могут измерять расстояние от 10 000 до 100 000 точек за одну секунду.
Времяпролётные девайсы также доступны в конфигурации 2D. В основном, это касается времяпролётных камер.

 

Триангуляционные сканеры

 

Принцип работы датчика лазерной триангуляции. Показано две позиции объекта.

 

Облако точек создаётся с помощью триангуляциии лазерной полосой.

 

Триангуляционные лазерные 3D-сканеры также относятся к активным сканерам, которые используют лазерный луч для того, чтобы прозондировать объект. Подобно времяпролётным 3D-сканерам триангуляционные устройства посылают на объект сканирования лазер, а отдельная камера фиксирует расположение точки, куда попал лазер. В зависимости от того, как далеко лазер продвигается по поверхности, точка появляется в различных местах поля зрения камеры. Эта технология названа триангуляцией потому, что лазерная точка, камера и сам лазерный излучатель образуют своеобразный треугольник. Известна длина одной стороны этого треугольника – расстояние между камерой и лазерным излучателем. Также известен угол лазерного излучателя. А вот угол камеры можно определить по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. Эти 3 показателя полностью определяют форму и размер треугольника и указывают на расположение угла лазерной точки. В большинстве случаев, чтобы ускорить процесс получения данных, вместо лазерной точки пользуются лазерной полосой. Так, Национальный научно-исследовательский совет Канады был среди первых научных организаций, разработавших основы технологии триангуляционного лазерного сканирования ещё в 1978 году.

 

Преимущества и недостатки сканеров

Как времяпролётные, так и триангуляционные сканеры обладают своими сильными и слабыми сторонами, что определяет их выбор для каждой конкретной ситуации. Преимущество времяпролётных устройств в том, что они оптимально подходят для работы на очень больших расстояниях вплоть до нескольких километров. Они идеальны для сканирования зданий или географических объектов. В то же время, к их недостаткам можно отнести точность измерений. Ведь скорость света довольно высока, поэтому при подсчете времени, которое требуется лучу, дабы преодолеть расстояние до и от объекта, возможны некоторые огрехи (до 1 мм). А это делает результаты сканирования приблизительными.

Что же касается триангуляционных дальномеров, то у них ситуация с точностью до наоборот. Диапазон их действия составляет лишь несколько метров, а вот точность относительно высока. Такие устройства могут измерить расстояние с точностью до десятков микрометров.

Негативно на точность работы времяпролётных сканеров влияет исследование края объекта. Лазерный импульс посылается один, а отражается сразу из двух мест. Координаты рассчитываются, исходя из позиции самого сканера, при этом берётся среднее значение двух отражений луча лазера. Это приводит к тому, что точка будет определена в неправильном месте. При использовании сканеров с высоким разрешением шансы на то, что лазерный луч попадёт точно на край объекта возрастают, но при этом за краем появится шум, что негативно отразится на результатах сканирования. Сканеры с небольшим лучом могут решить проблему сканирования края, но у них ограничен диапазон действия, поэтому ширина луча превысит расстояние. Существует также специальное программное обеспечение, которое позволяет сканеру воспринимать только первое отражение луча, игнорируя при этом второе.

При скорости работы 10 000 точек за секунду сканеры с низким разрешением справятся с задачей в течение нескольких секунд. А вот для сканеров с высоким разрешением нужно сделать несколько миллионов операций, на что уйдут минуты. Стоит учитывать, что данные могут исказиться, если объект или сканер будут двигаться. Так, каждая точка фиксируется в определённый момент времени в определённом месте. Если объект или сканер переместится в пространстве, то результаты сканирования будут ложными. Поэтому так важно устанавливать и объект, и сканер, на фиксированной платформе, и свести возможность вибрации к минимуму. Следовательно, сканирование объектов в движении практически невыполнимо. Однако в последнее время ведутся активные исследования того, как можно компенсировать влияние вибрации на искажение данных.

Стоит учесть и тот факт, что при сканировании в одном положении в течение длительного времени небольшое смещение сканера может произойти из-за изменения температуры. Если сканер установлен на штативе и одна из сторон сканера подвержена сильному влиянию солнечных лучей, то в таком случае штатив будет расширяться, а данные сканирования будут постепенно искажаться с одной стороны на другую. Вместе с тем, некоторые лазерные сканеры обладают встроенными компенсаторами, которые противодействуют любому движению сканера во время работы.

 

Коноскопическая голография

В коноскопической системе лазерный луч проецируется на поверхность объекта, после чего луч отражается по той же траектории, но уже через коноскопический кристалл, и проецируется на ПЗС (прибор с зарядовой связью). В результате получается дифракционный образец, из которого с помощью частотного анализа можно определить расстояние до поверхности объекта. Основное преимущество коноскопической голографии в том, что для измерения расстояния нужен только один ход луча, что позволяет определить, к примеру, глубину небольшого отверстия.

 

Ручные лазерные сканеры

Ручные лазерные сканеры создают 3D-изображение по принципу триангуляции, описанному выше. Лазерный луч или полоса проецируются на объект из ручного излучателя, а сенсор (зачастую, ПЗС или координатно-чувствительный детектор) измеряет расстояние до поверхности объекта. Данные собираются относительно внутренней системы координат и следовательно для получения результатов, если сканер находится в движении, место положения устройства должно быть точно определено. Это можно сделать с помощью базовых пространственных объектов на сканируемой поверхности (наклеивающиеся отражающие элементы или природные особенности) или же посредством метода внешнего слежения. Последний способ зачастую принимает форму лазерного трекера (предоставляющего датчик положений) со встроенной камерой (для определения ориентации сканера). Также можно использовать фотограмметрию, обеспечивающуюся 3 камерами, которая придаёт сканеру шесть степеней свободы (возможность совершать геометрические движения в трехмерном пространстве). Обе техники, как правило, используют инфракрасные светодиоды, подключённые к сканеру. За ними наблюдают камеры через фильтры, обеспечивающие стойкость амбиентного освещения (отражение света с разных поверхностей).

Данные сканирования собираются компьютером и записываются в качестве точек трехмерного пространства, которые после обработки преобразуются в триангулированную сетку. Затем система автоматизированного проектирования создаёт модель, используя для этого неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS (специальная математическая форма для создания кривых и поверхностей). Ручные лазерные сканеры могут совмещать эти данные с пассивными датчиками видимого света, которые захватывают текстуру поверхности и ее цвет, что позволяет создать или провести обратный инжиниринг полноценной 3D-модели.

 

Структурированный свет

3D-сканеры, работающие по технологии структурированного света, представляют собой проекцию световой сетки непосредственно на объект, деформация этого рисунка и представляет собой модель сканируемого предмета. Сетка проецируется на объект с помощью жидкокристаллического проектора или другого постоянного источника света. Камера, расположенная чуть в стороне от проектора, фиксирует форму сети и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения.
Сканирование структурированным светом до сих пор остаётся активной областью исследований, которой ежегодно посвящается довольно много научно-исследовательских работ. Идеальные карты также признаны полезными, как структурированные световые узоры, которые могут решить проблемы соответствия и позволяют не только обнаружить ошибки, но и исправить их.

Преимущество 3D-сканеров, использующих структурированный свет, в их скорости и точности работы. Вместо сканирования одной точки в один момент времени, структурированные сканеры сканируют одновременно несколько точек или все поле зрения сразу. Сканирование всего поля зрения занимает долю секунды, а сгенерированные профили являются более точными, чем лазерные триангуляции. Это полностью решает проблему искажения данных, вызванного движением. Кроме того, некоторые существующие системы способны сканировать даже движущиеся объекты в режиме реального времени. К примеру, VisionMaster – сканирующая система в формате 3D – обладает 5-мегапиксельной камерой, благодаря чему каждый кадр содержит 5 миллионов точек.

Сканеры, работающие в режиме реального времени, используют цифровую проекцию края и фазосдвигающую технику (одна из методик применения структурированного света), что позволяет захватить, восстановить и создать компьютерную модель с высокой плотностью деталей динамически изменяющихся объектов (к примеру, мимика) при 40 кадрах в секунду. Недавно был создан новый тип сканера. Различные модели могут быть использованы в этой системе. Частота кадров для захвата и обработки данных достигает 120 кадров в секунду. Этот сканер может обрабатывать и отдельные поверхности. Например, 2 движущиеся руки. Используя метод бинарной дефокусировки, скорость съемки может достигать сотен, а то и тысяч кадров в секунду.

 

Модулированный свет

При использовании 3D-сканеров на основе модулированного света световой луч, направленный на объект, постоянно меняется. Зачастую смена света проходит по синусоиде. Камера фиксирует отражённый свет и определяет расстояние до объекта, учитывая путь, который преодолел луч света. Модулированный свет позволяет сканеру игнорировать свет от других источников, кроме лазера, что позволяет избежать помех.

 

Объемные техники

 

Медицина

Компьютерная томография (КТ) – специальный медицинский метод визуализации, который создаёт трехмерное изображение внутреннего пространства объекта, используя большую серию двухмерных рентгеновских снимков. По похожему принципу работает и магнитно-резонансная томография – ещё один приём визуализации в медицине, который отличается более контрастным изображением мягких тканей тела, чем КТ. Поэтому МРТ используют для сканирования мозга, опорно-двигательного аппарата, сердечно-со

can-touch.ru

Лазерные триангуляционные датчики положения, разработка и производство лазерных датчиков

Примечание 1: Все значения приведены для белой матовой поверхности, для других видов поверхностей значения могут отличаться.
Примечание 2: Датчик РФ603-R-39/4 предназначен для контроля зеркальных объектов и стекла.

Примечание 1: Все значения приведены для белой матовой поверхности, для других видов поверхностей значения могут отличаться.

Примечание 1: Все значения приведены для белой матовой поверхности, для других видов поверхностей значения могут отличаться.

Модель РФ603Р РФ603Р РФ607 РФ607 РФ607 РФ603Txt
Базовое расстояние X, мм 125 245 190 210 230 30
Диапазон, мм 500 1000 500 200 250 30
Линейность, % от  диапазона ±0.05 ±0.03 ±0.05
Разрешение, % от  диапазона 0,01 (только для цифрового выхода)
Температурный дрейф 0,02% диапазона/°С
Максимальная частота обновления данных, Гц 9400 70000 9400
Источник излучения видимый красный полупроводниковый лазер, длина волны 660 нм
Мощность излучения, мВт <20 <50 <20 <1
Класс лазерной безопасности (IEC/EN 60825-1:2014) 2
Форма лазерного пятна эллипс круг
Размер лазерного пятна»начало-середина-конец диапазона», мм 1,7х3- 0,16х0,2- 3х5 1,6х2,5- 0,5х0,8- 1,6х3,5 0,9-1-0,9 0,8-0,7-0,6 0,8-0,7-0,5 0,06-0,025-0,06
Выходной интерфейс:
  цифровой 1 RS232 или RS485 (макс. 921600 бод)
цифровой 2 Ethernet (макс. 100 Мбит)
аналоговый 4…20 мА (нагрузка ≤ 500 Ом) или 0…10 В 0…10 В 4…20 мА (нагрузка
≤ 500 Ом) или 0…10 В
Вход синхронизации 2,4 – 5 В (CMOS, TTL)
Логический выход программируемые функции, NPN: 100 мА max; 40 В max
Напряжение питания, В 9…36
Потребляемая мощность, Вт 1,5..2
Вес (без кабеля), грамм 100 150 100
Материал корпуса алюминий

Устойчивость
к внешним  воздействиям:

  Класс защиты IP67 (только для датчиков с разъемом на корпусе)
Уровень вибраций 20 г /10…1000Гц, 6 часов для каждой из XYZ осей
Ударные нагрузки 30 г / 6 мс
Окружающая температура, °С -10…+60, (-30…+60 для датчиков со встроенным нагревателем),
(-30…+120 для датчиков со встроенным нагревателем и защитным корпусом)
Окружающая освещенность, люкс >30000
Относительная влажность 5-95% (без конденсации)
Температура хранения, °С -20…+70

riftek.com

настоящие возможности и будущие перспективы – GRIDDER

Люди давно хотели получить возможность создавать цифровые образы любых объемных объектов. Изобретенные для этих целей 3D-сканеры еще до недавнего времени существовали в единичных экземплярах ввиду их большой стоимости. Большим шагом в развитии технологии объемного сканирования стал переход компаний на трехмерное проектирование выпускаемых изделий. Теперь, для оценки качества изделий при массовом их производстве на абсолютно автоматических станках, работающих на программном управлении, уже не получится просто сверится с чертежами. Для этого необходимо применение технологий объемного сканирования.

Принципы работы 3D-сканера

Контактные 3D-сканеры — это одни из первых такого рода устройств, принцип работы которых был очень прост: по всей поверхности объекта сканирования, который был установлен на вращающейся подставке, двигался специальный «щуп». Поступавшая с него информация записывалась и потом обрабатывалась компьютером. Чтобы оцифровать объект со «сложной» поверхностью, такие установки могли «трудится» много времени (до месяца!). Появившиеся цифровые фотоматрицы и полупроводниковые лазеры кардинально изменили ситуацию.

Установки для лазерно-дальномерного сканирования работают по принципу определения расстояния до определенной точки на объекте (это производится с помощью вычисления времени, за которое луч лазера проходит до этой точки и обратно). Компьютер рассчитывает такое время с большой точностью. Негативная сторона данного процесса заключается в том, что сканирование идет только в одной точке, вот почему для того, чтобы построить полноценную модель необходимо ждать много времени. Так, лазерно-дальномерный сканер сегодня может считать до 100000 точек за секунду. Полученный таким образом массив из точек соединяется в разного рода поверхности. Теперь компьютеру остается воссоздать поверхность объекта, удалив при этом ненужные неточности и шероховатости.

Так работает триангуляционный лазерный сканер

Триангуляционный лазерный сканер — это более новый тип сканера, принцип работы которого основан на измерении отклонения отраженного от оптической оси детектора линзы луча. Так, лазерный луч изменяет свое положение на специальном приемнике в зависимости от того, какое расстояние до сканируемой поверхности. Преимущество данного метода — это возможность создать луч лазера плоским и, при помощи специальной двухмерной матрицы, сразу отсканировать всю проекцию такого луча на поверхность, а не отдельные точки. Такое решение намного ускоряет оцифровку и делает легче обработку полученных данных. Но есть и недостатки: отверстия сбоку от оптической лазерной оси затеняются, что требует проводить дополнительное сканирование и применять особенные алгоритмы для сведения отсканированных фрагментов.

Оптический сканер — это прибор, состоящий из проектора (например, лазера), транслирующего сетку на всю поверхность предмета, и камеры, которая находится под определенным углом к данному проектору и регистрирует все искажения, которые происходят с линиями сетки. Затем программное обеспечение сканера проанализирует все искривления сетки и на их основе создаст карту глубины. Такой метод обладает как большей скоростью сканирования, так и дешевизной при изготовлении необходимых компонентов. Такой сканер можно изготовить даже дома, предварительно купив нужные компоненты и скачав ПО в интернете. Такие сканеры даже способны воспринимать цвета сканируемого объекта.

Там, где необходимо провести сканирование больших по размерах объектов и точность такого сканирования не слишком важна, нашли свое применение радарные и ультразвуковые методы сканирования.

Сегодня 3D-сканеры применяются во многих областях — от астрономии до медицины.

Сканирование в процессе производства

Промышленный лазерно-дальномерный 3D-сканер FARO Focus3D способен за пару минут выдать трехмерную модель как открытого пространства, так и помещения!

Мы привыкли считать, что объемное сканирования для проведения контроля качества — это использование сканеров для воссоздания поверхностей небольших объектов. Сегодня это уже не так. Например Арсеньевский завод «Прогресс», который выпускает вертолеты «Ка-52», начал применение технологии сканирование полностью готовых вертолетов, вместо сканирования отдельных их запчастей. Такой подход позволяет сделать процесс контроля качества более точным.

Некоторые лидирующие компании предлагают такие устройства, которые способны провести объемное сканирование целых зданий. Например, высочайший Дубайский небоскреб «Бурдж-Халифа» был просканирован при помощи таких устройств.

Также, стоит отметить, что эти технологии пошли и в космос. Сегодня на орбите нашей планеты движутся несколько десятков геологических спутников, задача которых — составление трехмерных карт планеты очень высокой точности. Добытая таким образом информация используется как в геологии, так и для планирования инфраструктуры и обеспечения точности при навигации.

Вершина объемного сканирования — БКК (беспилотные космические корабли), задача которых — исследования далеких объектов в Солнечной системе. Так, ученые уже получили 3D-модели поверхности Марса, которые в ближайшее время будут дополнены данными сканирования бортового 3D-сканера марсохода Curiosity.

Проектирование и сканирование

В процессе проектирования предметов обихода и всего того, чем активно пользуется человек в процессе своей жизненной деятельности, в виртуальной среде обеспечить должный уровень эргономичности таких предметов очень сложно. Результат этого — появление на рынке разного рода приборов и устройств, которые имеют красивый внешний вид, но совсем неудобны в каждодневном использовании. Среди таких устройств, например, компьютерная мышь: таких устройств тысячи, а по-настоящему удобных — всего несколько.

Вот тут и приходит на помощь 3D-сканер. Ведь производитель легко оцифрует созданный вручную макет изделия, сгладит неточности, которые возникают в процессе ручного изготовления и получит подходящую для серийного производства модель. Все программное обеспечение, которое для этого необходимо, есть на рынке. Например, пакет программ Rapid Works от NextEngine и много-много других.

Творчество и 3D-сканер

 Компьютерная графика — это та область, в которой 3D-сканеры совершили переворот. Раньше художники тратили много времени на моделирование персонажей для фильмов и компьютерных игр. Сегодня же просто находят подходящего по всем параметрам человека и «оцифровывают» его 3D-сканером.

Работа ручного сканера VIUscan

Также, данные устройства упростили массовое производство разного рода фигурок, ведь теперь достаточно просто создать одну фигурку и провести ее сканирование — можно делать много точных копий при помощи станков с ЧПУ.

Одной из наиболее перспективных считают установку Orbital Camera System (OrcaM) немецкой фирмы Nek.

В основе данной уникальной установки — оптическая система, которая состоит из 7 подвижных высокого разрешения цифровых камер, которые расположены по всей внутренней площади сферы. Также на внутренней поверхности имеется множество светодиодов, который обеспечивают динамическое освещение.

Внутрь сферы помещают объект для сканирования. Габариты этого объекта, на сегодняшний день, должны быть до 800 миллиметров в поперечнике, масса объекта — до 90 кг. Создание трехмерной модели объекта происходит в полностью автоматическом режиме.

Объёмное изображение формируется как при помощи данных о положении всех камер, так и при помощи света, а именно изменение его интенсивности в сочетании со специально разработанными алгоритмами визуализации. Все это позволяет воссоздавать любые предметы с потрясающей точностью — до долей миллиметра — всего за несколько минут. Также происходит формирование специальной карты материалов, цветов и «отражений» всех поверхностей предмета. Таким образом, 3D-модель на выходе повторяет как текстуру предмета, так и его остальные характеристики, например, блеск (для вазы).

Особенности этой уникальной установки таковы:

  • Фотографии объекта проводятся с 7 ракурсов в одно и тоже время;
  • Проекторы и камеры имеют как фиксированную, так и настраиваемую фокусировку;
  • Имеется возможность проектирования на предмет специальных узоров, которые облегчают дальнейшую обработку;
  • Сканируемая сцена может быть отрегулирована по высоте. Есть опция, позволяющая проводить съемку снизу;
  • Бестеневая съемка;
  • Съемка предмета с направленным из любой стороны освещением;
  • Высокодиффузное освещение.

Разработчики OrcaM хотят реализовать в данной установке возможность получения еще более точных данных об отражающих способностях большинства известных типов материалов и сканирования полупрозрачных предметов. Сегодня такой сканер существует только в одном экземпляре. Разработчики хотят сделать конструкцию данного устройства портативной, что позволит начать серийное производство автоматических студий. Конечно же, спрос на такие студии будет, ведь их задача — это создание цифровых образов разного рода объектов в высоком качестве для их последующего размещения в сети Интернет, применения в видеоиграх, фильмах и т.д.

Не так давно созданные 3D-сканеры уже нашли свое применение во многих областях науки и техники современного мира. Усовершенствование технологий трехмерного сканирования способно принести еще не мало пользы людям!

Дайте свою оценку данной статье

Загрузка…0/50

Поделитесь этой статьей со своими друзьями

Оставьте свой отзыв

Вы должны Войти, чтобы оставлять отзывы. Вы также можете войти через соцсеть:

Читайте также

gridder.ru

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ — Студопедия.Нет

ОТЧЁТ ПО УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ

 

по профессиональному модулю

ПМ.01 Создание и корректировка компьютерной (цифровой) модели

Наименование профессионального модуля

Выполнил:

Студент(ка) группы _11АДТ__

Наименование группы

Ольшанская Анна Сергеевна

ФИО студента

Проверил:

Руководитель практики_____________

ФИО руководителя

Оценка___________________

Москва,2017

СОДЕРЖАНИЕ

  стр.
1 Виды лазерных сканеров……………………………………………
1.1 Фазовые лазерные сканеры……………………………………….
1.2 Импульсные лазерные сканеры……………………………………
1.3 Триангуляционные лазерные сканеры……………………………
3
4
4
5
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ………………….
2.1 Области применения наземного лазерного сканирования………
2.2. Технические характеристики лазерных сканеров……………….
6
6
8
3. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ……………………………………………………….
3.1 Преимущества лазерного сканирования ………………………….
3.2 Недостатки лазерного сканирования………………………………
9
 
9
9
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 11

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО 3D СКАНЕРА

ВИДЫ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ

По характеристикам и назначениям лазерные сканеры различаются между собой, и провести классификацию довольно нелегко. Прежде всего, в принципе не существует совершенно универсального сканера, который мог бы использоваться для решения всех задач. Так, одни сканеры лучше использовать для съёмок объектов средних размеров (на расстояниях до 100 м.), другие – для съёмок крупных объектов (200 м. и более), третьи же предназначены для съёмки небольших объектов в пределах всего лишь нескольких метров. Определённый тип лазерных сканеров может применяться для решения определённого круга задач. Воспользуемся наиболее распространённой классификацией, в которой лазерные сканеры подразделяются по принципу определения пространственных координат на импульсные, фазовые и триангуляционные. (Рис.1)


(Рис.1)

 

Фазовые лазерные сканеры

 

Принцип их работы состоит в определении количества целых длин волн между локатором и объектом и разности фаз излученной и принятой волны модулирующего колебания. При этом зондирующее излучение должно быть непрерывным, что в общем случае значительно повышает требования по выходной мощности излучающего лазера по сравнению с импульсным методом. Главное преимущество фазового метода измерения — более высокая точность, которая может достигать первых миллиметров.

Импульсные лазерные сканеры

Импульсные лазерные сканеры используют принцип расчета времени прохождения лазерным лучом двойного расстояния от сканера до цели. (Рис.2)

Импульсный метод измерения расстояний по точности уступает фазовому методу. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать влияние на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами являются:

— длительность и форма (в частности, крутизна переднего фронта) зондирующего импульса;



— отражательные характеристики объекта;

— текстура и ориентация элементарной поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования;

-другие.

Рис.2

Триангуляционные лазерные сканеры

 

Триангуляционный лазерный сканер — это более новый тип сканера, принцип работы которого основан на измерении отклонения отраженного от оптической оси детектора линзы луча. Так, лазерный луч изменяет свое положение на специальном приемнике в зависимости от того, какое расстояние до сканируемой поверхности. Преимущество данного метода — это возможность создать луч лазера плоским и, при помощи специальной двухмерной матрицы, сразу отсканировать всю проекцию такого луча на поверхность, а не отдельные точки. Такое решение намного ускоряет оцифровку и делает легче обработку полученных данных. Но есть и недостатки: отверстия сбоку от оптической лазерной оси затеняются, что требует проводить дополнительное сканирование и применять особенные алгоритмы для сведения отсканированных фрагментов.

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ

Лазерный сканер — это съёмочная система, измеряющая с высокой скоростью (от нескольких тысяч до миллиона точек в секунду) расстояния от сканера до поверхности объекта и регистрирующая соответствующие направления (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием трёхмерного изображения (скана) в виде облака точек, каждая из которых имеет

свою прямоугольную координату X’, Y’, Z’.(Рис.3) Лазерное сканирование представляет собой метод определения поверхности различных объектов – зданий, сооружений, рельефа местности.        Рис.3

 

studopedia.net

Самодельный сканирующий лазерный дальномер / Habr



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

В принципе, электронная часть триангуляционного дальномера достаточно проста и содержит всего два ключевых компонента -светочувствительную линейку и микроконтроллер. Если с выбором контроллера проблем нет, то с линейкой все значительно сложнее. Светочувствительная линейка, используемая в подобном дальномере, должна одновременно иметь достаточно высокую световую чувствительность, позволять считывать сигнал с высокой скоростью и иметь маленькие габариты. Различные CCD линейки, применяемые в бытовых сканерах, обычно довольно длинные. Линейки, используемые в сканерах штрихкодов — тоже не самые короткие и быстрые.

В первой и второй версии дальномера я использовал линейки TSL1401 и ее аналог iC-LF1401. Эти линейки хорошо подходят по размеру, они дешевые, но содержат всего 128 пикселей. Для точного измерения расстояния до 3 метров этого мало, и спасает только возможность субпискельного анализа изображения.

В третьей версии дальномера я решил использовать линейку ELIS-1024:

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.

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:





Расстояние Разброс
1 м <1 см
2 м 2 см
5 м 7 см

Стоимость изготовления дальномера:


















DIY, $ Опт., $
Основание


Пластина основания 1,00 0,50
Двигатель 0,00 1,00
Подшипник 1,50 1,00
Щеточный узел 7,50 5,00
Крепежные детали 0,00 2,00
Сканирующая головка


Контроллер STM32F303CBT6 5,00 4,00
Фотоприемная линейка 18,00 12,00
Остальная электроника 4,00 3,00
Плата 1,50 0,50
Объектив 2,00 1,50
Держатель объектива 1,00 0,50
Лазер 1,00 0,80
Пластиковые детали 3,00 2,00
Крепежные детали 0,00 1,00
Сборка 0,00 20,00
Итого: 45,50 54,80

В первой колонке — во сколько дальномер обошелся мне, во второй — сколько он мог бы стоить при промышленном изготовлении (оценка очень приблизительная).

Программная часть дальномера

Перед написанием программы нужно рассчитать тактовую частоту, на которой будет работать фотоприемная линейка.

В старых версиях дальномера частота сканирования была ограничена 3 Гц, в новом дальномере я решил сделать ее выше — 6Гц (это учитывалось при выборе линейки). Дальномер делает 360 измерений на один оборот, так что при указанной скорости он должен быть способен производить 2160 измерений в секунду, то есть одно измерение должно занимать менее 460 мкс. Каждое измерение состоит из двух этапов — экспозиция (накопление света линейкой) и считывание данных с линейки. Чем быстрее будет произведено считывание сигнала, тем длиннее может быть время экспозиции, а значит, и тем больше будет амплитуда сигнала. При тактовой частоте линейки 8 МГц время считывания 1024 пикселей будет составлять 128 мкс, при 6 МГц — 170 мкс.

При тактовой частоте микроконтроллера серии STM32F303 в 72 МГц максимальная частота выборок АЦП — 6 MSPS (при разрядности преобразования 10 бит). Так как я хотел проверить работу дальномера при тактовой частоте линейки 8 МГц, я решил использовать режим работы АЦП, в котором два АЦП работают одновременно (Dual ADC mode — Interleaved mode). В этом режиме по сигналу от внешнего источника начала запускается ADC1, а затем, через настраиваемое время, ADC2:

Как видно из диаграммы, суммарная частота выборок АЦП в два раза выше, чем частота триггера (в данном случае это сигнал от таймера TIM1).

При этом TIM1 также должен формировать сигнал тактовой частоты для фотоприемной линейки, синхронный с выборками АЦП.

Чтобы получить с одного таймера два сигнала с частотами, различающимися в два раза, можно переключить один из каналов таймера в режим TIM_OCMode_Toggle, а второй канал должен формировать обычный ШИМ сигнал.

Структурная схема программы дальномера:

Ключевой частью программы является именно захват данных с линейки и управление ей. Как видно из схемы, этот процесс идет на аппаратном уровне, за счет совместной работы TIM1, ADC1/2 и DMA. Для того, чтобы время экспозиции линейки было постоянным, используется таймер TIM17, работающий в режиме Single Pulse.

Таймер TIM3 генерирует прерывания при срабатывании компаратора, соединенного с энкодером. За счет этого рассчитывается период вращения сканирующей головки дальномера и ее положение. По полученному периоду вращения рассчитывается период таймера TIM16 таким образом, чтобы он формировал прерывания при повороте головки на 1 градус. Именно эти прерывания служат для запуска экспозиции линейки.

После того, как DMA передаст все 1024 значения, захваченные ADC, в память контроллера, программа начинает анализ эти данных: сначала производится поиск положения максимума сигнала с точностью до пикселя, затем, при помощи алгоритма поиска центра тяжести — с более высокой точностью (0.1 пикселя). Полученное значение сохраняется в массив результатов. После того, как сканирующая головка сделает полный оборот, в момент прохождения нуля этот массив предаются в модуль UART при помощи еще одного канала DMA.

Использование дальномера

Качество работы этого дальномера, как предыдущих, проверялось при помощи самописной программы. Ниже пример изображения, формируемого этой программой в результате работы дальномера:


Однако дальномер делался не для того, чтобы просто лежать на столе — он был установлен на старый пылесос Roomba 400 вместо дальномера второй версии:


Также на роботе установлен компьютер Orange Pi PC, предназначенный для управления роботом и связи с ним.

Как оказалось, из-за большой просадки напряжения на линейном источнике питания двигателя дальномера, для работы на скорости 6 об/сек дальномеру требуется питающее напряжение 6В. Поэтому Orange Pi и дальномер питаются от отдельных DC-DC преобразователей.

Для управления роботом и анализа данных от дальномера я использую ROS.

Данные от дальномера обрабатываются специальным ROS-драйвером (основанном на драйвере дальномера Neato), который получает по UART данные от дальномера, пересчитывает их в расстояния до объектов (используя данные калибровки) и публикует их в стандартном формате ROS.

Вот так выглядит полученная информация в rviz (программа для визуализации данных ROS), робот установлен на полу:


Длина стороны клетки — 1 метр.

После того, как данные попали в ROS, их можно обрабатывать, используя уже готовые пакеты программ. Для того, чтобы построить карту квартиры, я использовал hector_slam. Для справки: SLAM — метод одновременного построения карты местности и определения положения робота на ней.

Пример получившейся карты квартиры (форма несколько необычна, потому что дальномер «видит» мебель, а не стены, и не все комнаты показаны):


ROS позволяет объединять несколько программ («узлов» в терминологии ROS), работающих на разных компьютерах, в единую систему. Благодаря этому, на Orange Pi можно запускать только ROS-драйверы Roomba и дальномера, а анализ данных и управление роботом вести с другого компьютера. При этом эксперименты показали, что hector_slam нормально работает и на Orange Pi, приемлемо загружая процессор, так что вполне реально организовать полностью автономную работу робота.

Система SLAM благодаря данным от дальномера позволяет роботу определять свое положение в пространстве. Используя данные о положении робота и построенную карту, можно организовать навигационную систему, позволяющую «направить» робота в указанную точку на карте. ROS содержит в себе пакет программ для решения этой задачи, но, к сожалению, я так и не смог заставить его качественно работать.

Видео работы дальномера:

Более подробное видео построения карты при помощи hector_slam:

Исходные коды программы контроллера

P. S. Также у меня есть проект более простого лидара.

habr.com

История и применение 3D-сканирования

История и виды 3D-сканирования

 

История 3D-сканирования

 

Появление технологии 3D-сканирования приходится на последнюю половину 20 века. Первый 3D-сканер увидел свет в 1960 году. Правда, он имел весьма ограниченные возможности, поэтому для получения результата и какой-то точности данных приходилось тратить немало времени и усилий. После 1985 года сканирующие устройства изменились, в них стали использовать источники белого света, лазеры и затемнение для лучшего «захвата» сканируемого объекта.

 

 

В 80-х уже появились контактные датчики, которые использовались в 3D-сканерах для отцифровки поверхности твердых несложных объектов, но этот способ был очень медленным, да и результат был далек от идеального. Поэтому разработчики сосредоточились на возможностях оптических технологий, которые вскоре разделились на три типа по зоне «охвата»:

 

  • точечный, очень медленный способ (point)
  • захват определенной площади поверхности (area)
  • полосной; как выяснилось, самый быстрый метод ,так как он использовал множество точек, который полосой проходили по поверхности. Он также обеспечивал и нужную точность сканирования объекта (stripe)

 

 

3D-сканирование представляло интерес не только для разработчиков из автомобильных и конструкторских дизайн-бюро, но и для киноиндустрии (отцифровка людей применялась затем в создании образов в анимации). Такие компании как Cyberware Laboratories, Digibotics занялись разработкой своих 3D-сканеров. Например, первая компания создала Head Scanner, который давал относительно неплохую точность и даже мог передавать цвет. А в 1994 году компаний 3D Scanners выпустила 3D-сканер REPLICA, который давал точный (для того времени) и быстрый результат, это стало серьезным успехом.

С тех пор 3D-сканеры были усовершенствованы, они стали точнее, мобильнее, передают цвет. В общем, можно найти 3D-cканер под любую задачу.

 

Виды 3D-сканирования

 

Существуют два базовых типа 3D-сканирования: контактное и бесконтактное. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и находит применение в своей области.

 

Что такое контактное 3D-сканирование?

 

Контактное 3D-сканирование подразумевает физический контакт специального щупа с поверхностью сканируемого объекта. Контактный механизм таких сканеров бывает трех видов:

 

  • движущаяся каретка с фиксированной измерительной рукой, которая перпендикулярна объекту
  • подвижный манипулятор с высокоточными угловыми датчиками
  • комбинированный вариант из двух первых

 

 

Контактное 3D-сканирование можно применять на объектах с простой геометрией, если же у объекта богатая детализация, то контактное 3D-сканирование может занять крайне много времени и будет неэффективно. Также обязательно поверхность предмета должна быть твердой.

 

Что такое бесконтактное 3D-сканирование?

 

Бесконтактные 3D-сканеры также бывают разных типов:

 

  • активные
  • пассивные

Активные 3D-сканеры генерируют волновой сигнал, это может быть свет, лазер, ультразвук или даже рентгеновское излучение. Некоторые активные 3D-сканеры также проецируют сетку из белого света на объект, который сканируют. Это не спроста: искажения проекции от наложения на поверхность объекта приносят дополнительную информацию для алгоритмов 3D-сканера.

Пассивные же 3D-сканеры ничего не излучают, а используют окружающий свет и анализируют отражение от предмета. Грубо говоря, пассивные 3D-сканеры представляют собой фото или видеокамеру, они оснащены специальным программным обеспечением , которое сводит материал в единую объемную фигуру.

 

 

Разновидностей бесконтактных 3D-сканеров насчитывается много, но мы хотели бы остановиться на тех, что используются чаще остальных. Это времяпролетные лазерные сканеры, триангуляционные, ручные лазерные и бесконтактные пассивные сканеры. Рассмотрим их по очереди.

 

Времяпролетные лазерные сканеры

 

Времяпролетные сканеры относятся к активным. Для того, чтобы получить информацию о сканируемом объекте, они используют лазерный луч, а в основе устройства самого устройства лежит времяпролетный лазерный дальномер. 3D-cканер посылает в сторону объекта лазерный луч, специальный счетчик фиксирует время, когда луч отражается от поверхности объекта. Затем используя значение скорости света, высчитывается расстояние до точек поверхности объекта.

 

 

Сейчас времяпролетные сканеры могут «захватывать» от 10 000 до 100 000 точек за секунду. Точность таких принтеров напрямую зависит от точности измерения времени пролета луча.

 

Триангуляционные сканеры

 

Этот метод 3D-сканирования также использует лазер для оцифровки объекта. Процесс 3D-сканирования включает в себя трех участников: лазерный излучатель, камеру и точки на поверхности объекта, потому и называется триагнуляционным. Лазерный излучатель посылает луч к поверхности, а камера тем временем фиксирует места падения точек. Для ускорения процесса оцифровки объекта часто вместо лазерной точки применяют лазерную полосу.

 

Ручные лазерные сканеры

 

В этом виде 3D-сканирования применяется все тот же принцип триангуляции: есть фиксирующий сенсор, лазерный луч или полоса и ручной излучатель. И снова излучатель излучает, а сенсор измеряет расстояние до объекта. В роли сенсора обычно используют прибор с зарядовой связью или координатно-чувствительный детектор.

 

 

Движения ручного 3D-сканера во время сканирования может фиксироваться средствами внешнего слежения. Для этих целей зачастую используют лазерный трекер со встроенной камерой, который определяет положение 3D-сканера в пространстве. Еще одним способом слежения за сканером является фотограмметрия. Для обеспечения данного способа используют 3 камеры, которые фиксируют движение сканера в трехмерном пространстве. Зачастую, в обоих методах используют инфракрасные светодиоды, движение которых фиксируется камерами со специальными фильтрами.

Чтобы определить точное положение 3D-сканера в пространстве (ведь он ручной и в процессе 3D-сканирования перемещается), используют специальные метки на поверхности.

 

Бесконтактные пассивные сканеры

 

Этот вид сканеров работает только с отраженным естественным светом и с другими типами излучений, например, инфракрасным. Для 3D-сканирования таким методом не требуется дорогое оборудование, будет достаточно цифровой камеры (если их будет две, то они будут представлять собой стереоскопическую систему) и специализированное программное обеспечение. Для того, чтобы получить 3D-модель, необходимо будет применить «силуэтную технику», которая подразумевает анализ серии фотографий объекта на контрастном фоне. Но у этого метода 3D-сканирования есть один весомый недостаток: с его помощью невозможно отсканировать предмет сложной геометрии и различные углубления на поверхности.

 

Разные виды 3D-сканирования находят применение в разных областях деятельности. По ссылке ниже, вы можете прочитать, где чаще всего применяют технологию трехмерного сканирования.

Читайте также

Метки: 3D-сканирование, трехмерное сканирование

can-touch.ru

3D видеокамеры для лазерной триангуляции.

Серия камер Baumer LX VisualApplets с интегрированной предварительной обработкой изображения пополнилась скоростными моделями на 2 и 12 мегапикселей с шириной строки 2k и 4k и частой профилей более чем 2.5 кГц при 128 строках. Серийное производство камер начинается в первом квартале 2017.
3D камеры обладают специально разработанным апплетом для лазерной триангуляции на основе технологии VisualApplets. Это позволяет определять положение лазерной линии непосредственно в камере с субпиксельной точностью, таким образом, передаваться будут только данные профиля. Уменьшение объема передаваемых и обрабатываемых данных позволяет использовать экономически эффективный и гибкий интерфейс Gigabit Ethernet. Высокое разрешение и частота профилей делают 3D измерения более точными, что позволяет идентифицировать даже малейшие отклонения надежно с высокой скоростью обработки. Агрегирующиеся профили гарантируют надежную высокоскоростную передачу, также значительно уменьшая загрузку ЦП. Благодаря предварительно установленному 3D апплету нет необходимости в дополнительном программировании. 3D камеры могут быть быстро интегрированы, используя внешнее программное обеспечение, такое как HALCON.
Камеры Baumer LX VisualApplets позволяют пользователям быстро реализовывать задачи по предварительной обработке изображений с максимальной гибкостью прямо в FPGA камеры с помощью графической среды программирования VisualApplets от Silicon Software. Дополнительным преимуществом является значительная экономия времени на разработку, отладку в реальном времени и максимальная защита вашего ноу-хау. Одновременно, объем данных, которые передаются, снижается для разгрузки ресурсов ПК , который не должен выполнять сложные алгоритмы, потребляющие значительную энергию процессора. Используя интерфейс GigE Vision снижаются затраты на интеграцию и систему в целом.

 

www.cameraiq.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о