Изготовление и тестирование лазерного ротационного триангуляционного 3D-сканера Cyclop Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.89

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО РОТАЦИОННОГО ТРИАНГУЛЯЦИОННОГО Эй-СКАНЕРА CYCLOP

Иван Александрович Кноль

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (903)903-54-99, e-mail: Ivan_knol@mail.ru

Руслан Владимирович Гришин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, обучающийся, тел. (913)956-52-09, e-mail: grihinruska@mail.ru

В статье представлен процесс изготовления, тестирования лазерного 3D-сканера Cyclop. Приведена схема сборки 3D-сканера в целом. Определены основные детали, необходимые для функционирования 3D-сканера: плата Arduino UNO, лазеры, веб-камера, двигатель и корпус. Собран прототип 3D-сканера. Приведен пример цикла работы 3D-сканера для получения пространственных координат объекта.

Ключевые слова: пространственно-временное состояние объекта, лазер, облако точек, 3D модель, пространственные координаты, 3D визуализация.

MANUFACTURE AND TESTING OF CYCLOP LASER ROTARY TRIANGULAR 3D-SCANNER

Ivan A. Knol

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D. Student, phone: (903)903-54-99, e-mail: Ivan_knol@mail.ru

Ruslan V. Grishin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Student, phone: (913)956-52-09, e-mail: grihinruska@mail.ru

The article presents the process of manufacturing and testing of 3D laser scanner Cyclop. Assembly diagram of the 3D scanner as a whole. The main parts necessary for 3D scanner operation are determined: Arduino UNO, lasers, web-camera, engine, and body. Assembled a prototype 3D scanner. An example of the cycle 3D scanner to obtain the spatial coordinates of the object is shown.

Key words: space-time state of the object, laser, point cloud, 3D model, spatial coordinates, 3D visualization.

В нашу жизнь постоянно проникают 3D технологии, которым присущи свои проблемы. Из-за развития 3D печати и других технологий, использующих 3D модели, возникает острая потребность в достаточно скоростном и быстром режиме их создания.

Для удовлетворения таких потребностей были придуманы 3D сканеры, которые имеют свои методики и технологии сканирования предмета моделирования.

На сегодняшний день выделяют два основных метода:

1. Контактный. Устройство зондирует предмет посредством физического контакта, пока объект находится на прецизионной поверочной плите. Контактный ЭБ-сканер отличается сверхточной работой.

2.Бесконтактный. Применяется излучение или особый свет (ультразвук, рентгеновские лучи). В данном случае предмет сканируется через отражение светового потока.

Существующие технологии трехмерного сканирования:

1. Лазерная. Функционирование устройств основывается на принципе работы лазерных дальномеров. Лазерные ЭБ-сканеры характеризуются точностью получаемой трехмерной модели.

2. Оптическая. В данном случае применяется специальный лазер второго класса безопасности. Оптический ЭБ-сканер отличается большей скоростью сканирования.

Основной целью работы является анализ процесса изготовления лазерного ротационного триангуляционного ЭБ-сканера Cyclop, а так же его тестирование и калибровка для получения первых пространственных координат объекта, которые послужат объектом дальнейших исследований для получения облака точек, обработка которого поможет получить 3D модель объекта. Под объектами в рамках данной работы понимаются предметы являющиеся прототипами для создания 3D моделей (здания, детали, робототехнические комплексы и т.д.). Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: рассмотреть структуру ЭБ-сканера и принцип функционирования лазерного сканера при сканировании объекта; создать ЭБ модель корпуса сканера; собрать кор -пус; подключить электронику; настроить ПО; произвести калибровку сканера.

ЭБ сканирование - это бесконтактный процесс перевода физической формы реального объекта в цифровую форму. Итогом процесса является трехмерная модель объекта в виде файла, в котором описана информация о полигонах объекта. Файл имеет формат STL, который возможно конвертировать в такие форматы как OBJ, WRML,AOP и др. Лазерные сканеры используются в геодезии для получения облака точек.

За основу был взят Cyclop - Б1У сканер от Испанской компании bq, использующий метод лазерной триангуляции, а также оснащенный вращающимся поворотным столом. Детали корпуса могут быть как распечатаны на любом ЭБ принтере, так и вырезаны при помощи лазерного станка.

Доработав детали корпуса в программном продукте T-flex САБ, чтобы электронные компоненты подходили под пазы корпуса, мы приступили к самому долгому процессу в сборке, а именно печати корпуса на ЭБ принтере.

Завершив процесс распечатки корпуса и приготовив электронику, был дан старт новому этапу в изготовлении этого сканера. Для начала была произведена примерка, позволяющая определить все ли детали подходят друг к другу или что-то необходимо доработать. После того как примерка была произведена и установлено, что детали не имеют дефектов можно переходить непосредственно к сборке конечного устройства.

В состав созданного сканера входит поворотный стол, который вращается с помощью шагового двигателя, подключенного к драйверу шагового двигателя, уходя своим подключением к плате Arduino UNO. Стол соединен и закреплен с корпусом сканера с помощью шпилек М8. В корпусе расположена плата Arduino UNO, которая подключается к питанию и web-камера Logitech C270. От корпуса с помощью шпилек М8 закреплены мини-корпуса для лазеров, которые также подключаются к плате Arduino UNO.

Когда завершен процесс сборки необходимо подготовить сканер к работе. Для начала требуется загрузить HEX-прошивку на плату, которая позволит кор -ректно работать с программой, установленной на компьютере. Далее следует установить программное обеспечение HORUS, так же разработанное компанией bq, после установки ПО для правильной работы камеры нужно установить драйвера с официального сайта производителя. Когда все действия произведены сканер готов к работе.

Принцип работы данного ЭБ-сканера заключается в следующем: два лазера закреплены под углом 30° от web-камеры. Лучи лазеров сканера пересекаются в центре поворотного стола. Объект устанавливается в точку пересечения лучей лазеров, на объекте видны линии лазеров. Web-камера делает снимок объекта и получает пространственные координаты. После получения координат, двигатель поворачивает стол на определенный градус и действия повторяются пока весь объект не будет отснят. В результате этих действий получается облако точек объекта, обработав которое можно получить его 3D модель.

Перед использованием первым и очень важным параметром является калибровка значений, позволяющая нам получать более точные пространственные координаты объекта. При проведении калибровки на стол устанавливается шахматный паттерн, измеряется расстояние от основания паттерна до конца его первой клетки, в программе перейдя в режим калибровки нужно ввести значение получившиеся при измерении, далее калибровку сканер произведет автоматически после нажатия на старт и будет готов к сканированию объектов.

Следующим шагом является изучение результатов сканирования для дальнейшей модернизации сканера или же полной его переработке, а также решения таких проблем как написание собственного программного обеспечения под новый сканер.

Применяются ЭБ-сканеры в очень различных областях нашей жизни таких как: архитектура, индустрия развлечений, строительная промышленность, робототехника и тд.

ЭБ-сканер незаменимый друг приходящий к вам на помощь в самых сложных ситуациях, которые возникают в процессе моделирования объекта так как структура объекта может быть достаточно сложной и не всегда возможно воссоздать точную модель вручную.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Большаков В.Р., Бочков А. Л., Сергеев А. А. 3Б-моделирование в AutoCAD, КОМПАСА, SolidWorks, Inventor, T-Flex: Учебный курс (+DVD). -СПб.: Питер, 2011.-336 с.: ил.

2. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Агёшпо/Ргееёшпо. -СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 256 с. ил - (Электроника)

3. Ревич Ю. В. Занимательная электроника. - 3-е изд., перераб. И доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 576 с.: ил.

4. Середович В. А., Комисаров А. В. Наземное лазерное сканирование. - Новосибирск СГГА, 2009. - 261 с.

© Р. В. Гришин, И. А. Кноль, 2018