范偉輝+黃秋東+張力方+解乃軍+侯軍明

摘要：文章研究了基于Sardauscan軟件的3D掃描儀。使用Sardauscan軟件，研究3D掃描儀通過對被測物體進行非接觸多角度測量，得到被測物體的關鍵尺寸數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳遞，被送至CAD/CAM軟件平臺上處理、調整、修補，從而得到該物體軟件設計圖紙，之后就可以根據(jù)圖紙對該物體進行再加工和制造。

關鍵詞：Sardauscan軟件；3D掃描儀；旋轉工作臺；非接觸測量；CAD/CAM軟件平臺 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP37 文章編號：1009-2374（2016）33-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.006

1 概述

非接觸式掃描方法由于其高效性和廣泛的適應性，得到了廣泛的研究，這種新型的掃描方法在一定程度上緩解了傳統(tǒng)掃描方法的問題，已經(jīng)被廣泛應用在逆向工程行業(yè)中。新型的掃描設備工作原理是通過物體表面的仿生作用收集準確的坐標數(shù)據(jù)，比如一些光現(xiàn)象、聲現(xiàn)象等。最常見的是通過光學掃描，從而得到產品掃描點數(shù)據(jù)的方法。非接觸式掃描方式在采集數(shù)據(jù)時，掃描頭通常不與被掃描物體產生接觸，從而不會對零件產生變形影響，常見的光學掃描方法的工作原理通常有結構光測距法、激光三角法、激光干涉掃描法等。

2 整體方案設計

圖1掃描儀激光測距方案圖掃描儀激光測距原理是基于結構光法，由高清的攝像頭、線狀激光發(fā)射器、旋轉平臺組成。下文闡述一種針對物體上點的計算方法，能夠有效提升3D掃描線光源的精確度。我們可以充分發(fā)揮激光的作用測量三角間距，除了這種方法以外還有兩種距離測量方法，即相位差測量法和時間差測量法。三種方法之間進行比較可以發(fā)現(xiàn)，三角測距法的成本較低，并且在合適的范圍內，這種方法的精準度不輸于其他兩種方法。

圖1中展現(xiàn)了測量對象物體點P距離激光器距離x的方案圖。焦距和攝像頭成像板的一種抽象表達，線光源的位置在半徑為z的圓弧上，標有z的線段實際是一個固定攝像頭和旋轉平臺的中心距離。攝像頭成像平面與圓弧的切線平行，每一個線光源都在此弧線上且都與z所在線有一定的角度關系，從上到下分別是“-”到“+”。

以線光源0為例，要想準確測量出物體與線光源之間的距離，第一，需要確保線光源照射到物體上面；第二，需要讓反射光成功在攝像頭上成像。如果距離大小不同，就會造成攝像頭上的成像光點上的x′值發(fā)生改變。在這一過程中主要可以用到下面參數(shù)：-α線光源0與z所在線的夾角；-β線光源1與z所在線的夾角；α線光源2與z所在線的夾角；β線光源3與z所在線的夾角；z：攝像頭和旋轉平臺的中心距離；Z′：測量物體到攝像頭距離；b：接收光線與成像板的夾角；P：測量物體位置；P′：測量物體的成像位置；X：測量物體相對于參考點的距離；X′：測量物體在成像板的距離；f：攝像頭的焦距；O：旋轉平臺的中心。

如果這些參數(shù)在測距設備安裝后不再改變（固定）且數(shù)值已知，則物體距離激光器距離可由以下公式求得：

α角度在設計時可得出，z可以測出：

在上述測量過程中，只有一個不斷變化的數(shù)據(jù)，即x′。實際上，這個數(shù)值是指測量對象上的激光光點在攝像頭上的成像與邊緣之間的距離。我們可以利用攝像頭來準確計算出激光點的具體位置坐標。通過上述的式子計算出二者之間的垂直距離，跟實際距離之間的誤差

較小。

數(shù)據(jù)采集原理：通過三維激光掃描系統(tǒng)落實各項掃描工作，掃描過程中需要在第一時間收集水平方向上和垂直方向上的數(shù)據(jù)，然后計算得出激光光束的具體發(fā)射角度。激光光束是通過專門的激光發(fā)射儀器得來的，當光束與快速旋轉的光學裝置相遇時，光束就會自動改變角度，然后以一個全新的角度完成發(fā)射，光束到達測量對象的表面上時被反射回來，反射回來的信息由專門的接受裝置完成接受。這樣就完成了一項完整的掃描工作，完成掃描點的測量工作之后，我們需要讓其內部的伺服部件以兩個軸之中的任何一個進行小范圍的轉動，為下一個掃描點的測量做準備。以此類推，隨著掃描工作的繼續(xù)進行會出現(xiàn)許多個不同的掃描點，這些點之間就形成了一條斷斷續(xù)續(xù)的線，許多不同的掃描線之間就形成了科學的掃描面，最后再增加一些測量到的距離數(shù)據(jù)就形成了一幅三維立體掃描圖像。

數(shù)據(jù)擬合原理：通過選擇多個控制點的測量，得到三維旋轉激光掃描系統(tǒng)掃描中的三維笛卡爾坐標，這樣就能獲取較為立體、準確的三維信息，為了更好地合并不同的掃描塊，我們需要在各自不同的掃描塊之間進行合理的交接區(qū)域覆蓋操作，經(jīng)過覆蓋后的區(qū)域需要利用最近點迭代算法，然后把所有的點云進行科學的拼接。在所有的數(shù)據(jù)收集過程中，可以運用激光傳感器進行物體的掃描，然后得到準確的測量數(shù)據(jù)，專業(yè)的角度傳感器收集到準確的角度信息之后，利用串口儲存與處理PC機數(shù)據(jù)。

3 技術路線設計

根據(jù)本項目團隊的研究方向和特點，制定出下面的技術路線：（1）將樣件放置于旋轉工作臺上；（2）工作臺旋轉同時光學測頭進行點云數(shù)據(jù)采集；（3）將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理軟件；（4）以處理后的數(shù)據(jù)為基礎進行三維建模；（5）將模型與樣件進行比對并保存。

4 電氣原理圖設計

通過USB把arduino nano控制板與PC上位機通信，控制步進電機的旋轉，帶USB接口的攝像頭對數(shù)據(jù)的采集、線狀激光器一次對一條線而非單點的目標物體進行掃描測距。步進電機帶動轉盤旋轉，從而可以實現(xiàn)3D掃描，獲得物體的結構信息。

5 軟件安裝與調試

5.1 Sardauscan軟件

本軟件是一種低成本開源3D激光掃描系統(tǒng)軟件（Sardauscan），該系統(tǒng)基于結構光法原理，由高清的攝像頭、線狀激光發(fā)射器、標定板搭建而成。系統(tǒng)分為背景設置、相機標定及數(shù)據(jù)采集等部分。實驗結果表明，此系統(tǒng)能夠完成對物體的三維掃描過程，具有成本低、性價比高的優(yōu)點。

5.2 Arduino IDE軟件

Arduino IDE是Arduino的開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境，它的界面簡單明了，操作比較方便，這些都推動了Arduino的程序開發(fā)。作為一款開放源代碼的軟件，Arduino IDE也是由Java、Processing、avr-gcc等開放源碼的軟件寫成，其另一個最大特點是跨平臺的兼容性，適用于Windows、Max OS X以及Linux。

5.3 調試

5.3.1 打開軟件操作面板。

5.3.2 攝像頭調試。連接并選擇攝像頭USB串口以及像素選擇，測量出轉盤中心到攝像頭的高度距離，轉盤中心到攝像頭的水平距離，每個激光器相對于攝像頭的角度。

5.3.3 電機調試及線光源調試。連接線路，連接并選擇USB串口，調試電機是否轉動，使用速度測試儀對轉盤進行測試。

調節(jié)線光源的激光線的直徑，檢查線光源是否運行正常，調整每個線光源相對于電機旋轉中心的位置。

5.3.4 調試過程中的錯誤及解決方法。

第一，編譯失敗。解決方法：（1）檢查語法是否錯誤；（2）檢查相關庫文件是否完全。

經(jīng)排查缺少庫文件庫文件下載網(wǎng)址https：//github.com/adafruit/AccelStepper，下載庫文件.（zip），在arduino項目中找到加載庫添加.zip，重新驗證上傳。

第二，電機串口連接沒有顯示。解決方法：軟件與串口連接反應慢，等待幾分鐘即可。

5.3.5 掃描步驟。（1）將樣件放置于旋轉工作臺上，注意物件的中心與轉盤的中心重合；（2）打開軟件操作面板；（3）點擊掃描平臺圖標，完成串口設置；（4）點擊攝像頭圖標，完成對軟件串口的設置；（5）完成各項調試，快速掃描物體形成圖像，調整對其每個激光器掃描出的圖像；（6）點擊掃描圖標，獲得參數(shù)并保存文件。

5.3.6 文件后處理。（1）將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絞eomagic軟件中進行數(shù)據(jù)預處理；（2）將geomagic處理后的數(shù)據(jù)導入UG進行參數(shù)化設計，導出轉換格式進行加工；（3）將模型與樣件進行比對并保存。

6 結語

本文的設計理念是我們所有工作人員的努力成果，經(jīng)過導師的認真引導成功完成了實物模型?；诖?，我們還認真驗證了自己的設計方案，制作出一套成品以及完成上位機軟件的編寫。本設計體現(xiàn)出了團隊的重要性，同時體現(xiàn)了學生的創(chuàng)新能力，團隊的所有成員都得到了一次鍛煉。

參考文獻

[1] 吳俁.三維旋轉激光掃描系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].首都師 范大學，2009.

[2] 楊必勝.數(shù)字城市的三維建模與可視化技術研究[D]. 武漢大學，2002.

[3] 蔡嶺.基于立體視覺的目標檢測與跟蹤[D].上海交通 大學，2011.

作者簡介：范偉輝（1995-），江蘇鹽城人，南京工程學院學生，研究方向：機械設計制造及自動化。

（責任編輯：黃銀芳）