齊建家

摘要：非接觸式三維掃描儀以Horus為上位機，控制系統(tǒng)基于ArduinoZUMBT-3288主板，由激光模塊、攝像模塊、電源模塊、電機驅動電路組成。上位機發(fā)布控制命令控制步進電機轉動，通過攝像模塊和激光模塊的三角測距將被測物的位置傳回上位機，上位機處理數(shù)據(jù)成像，實現(xiàn)掃描的目的。該系統(tǒng)結構簡單，可靠性高，程序運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了預期的掃描成像功能。

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.

關鍵詞：非接觸式;桌面級;三維掃描;激光模塊;三角測距

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

中圖分類號：TP731 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0135-02

0 引言

三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現(xiàn)的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術新突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)?？梢钥焖佟⒋罅康牟杉臻g點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。由于其具有快速性，不接觸性，穿透性，實時、動態(tài)、主動性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等特性，其應用推廣很有可能會像GPS一樣引起測量技術的又一次革命。

設計的三維掃描儀主要由運動機構、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掃描過程最重要的環(huán)節(jié)，常被稱為其運動的心臟。通過激光三角測距系統(tǒng)測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、不透明的物體。將物體掃描為三維圖像格式后，可供3D打印機等設備使用。

1 掃描儀的機械結構

主要包括旋轉平臺和機架結構的設計，掃描儀的機架主要采用3D打印，鏈接部分用絲桿鏈接，旋轉平臺將亞克力嵌入到3D打印材料中。選用3D打印材料，對機架形狀的控制程度更高，結構更為緊湊，同時價格經(jīng)濟。

2 掃描儀的硬件設計

主要由單片機，激光頭，攝像頭、步進電機及電機驅動板組成。

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平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有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16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。該芯片的存儲空間能滿足設計要求，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，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性。

電機驅動模塊：考慮到掃描儀整體的尺寸限制和功耗，選用體積小，功耗小的步進電機，其勵磁磁通是恒定的。在控制系統(tǒng)中，通常采用電壓做為控制信號。當轉矩一定時，端電壓的大小與電機轉速成線性關系，改變電壓極性，電機運轉方向也隨之改變。利用步進電機的準確定長步進性能，可以方便地實現(xiàn)調速和方向的偏轉，且能準確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。

本設計采用A4988做為電機的驅動模塊。A4988是一款帶轉換器和過流保護的DMOS微步驅動器。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達35V。A4988包括一個固定關斷時間電流穩(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”輸入中輸入一個脈沖，即可驅動電動機產(chǎn)生微步。無須進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。

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5V直流電源，波長650nm，外徑6mm的激光器分別置于攝像模塊兩側。單個激光器、攝像頭和被測物體以三角測距實時傳到上位機，通過對位置的確定來確定被測物體的形狀。

3 掃描儀的軟件設計

在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，還需根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設計應用程序。軟件設計在微機控制系統(tǒng)設計中占重要地位。軟件設計包括各控制部分的上位機及掃描儀運行的控制程序設計。

電腦端上位機使用Horus，分別連接Arduino UNO和高清攝像頭。掃描物體時Arduino控制電機勻速轉動，并打開激光模組，此時上位機通過高清攝像頭實時記錄電機每轉過一個脈沖被測物上的紅外光數(shù)據(jù)。上位機還會檢測是否有掃描遺漏的地方，如發(fā)生遺漏，電機會反轉對遺漏地方重新掃描，最后電機轉過一周，上位機記錄下的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理便形成被測物形狀。

4 結束語

該掃描儀啟動后，可通過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，在上位機上形成三維圖像。該圖像可供其他設備使用，若將三維掃描儀與3D打印機配合使用，可實現(xiàn)3D復印的功能。

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