非接触式三维扫描仪的设计

齐建家

摘要：非接触式三维扫描仪以Horus为上位机，控制系统基于ArduinoZUMBT-3288主板，由激光模块、摄像模块、电源模块、电机驱动电路组成。上位机发布控制命令控制步进电机转动，通过摄像模块和激光模块的三角测距将被测物的位置传回上位机，上位机处理数据成像，实现扫描的目的。该系统结构简单，可靠性高，程序运行稳定，实现了预期的扫描成像功能。

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.

关键词：非接触式;桌面级;三维扫描;激光模块;三角测距

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

中图分类号：TP731 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）07-0135-02

0 引言

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。

设计的三维扫描仪主要由运动机构、控制部分、信息处理部分及辅助部分四大部分组成。其中控制部分以Arduino控制器为核心是整个扫描过程最重要的环节，常被称为其运动的心脏。通过激光三角测距系统测量物体距摄像头的距离，从而扫描出物体的形状。该三维扫描仪为桌面级扫描仪，适用于扫描空间体积大于5×5厘米（空间直径及高度），小于20.3×20.3厘米，重量低于3公斤、稳定不动、不透明的物体。将物体扫描为三维图像格式后，可供3D打印机等设备使用。

1 扫描仪的机械结构

主要包括旋转平台和机架结构的设计，扫描仪的机架主要采用3D打印，链接部分用丝杆链接，旋转平台将亚克力嵌入到3D打印材料中。选用3D打印材料，对机架形状的控制程度更高，结构更为紧凑，同时价格经济。

2 扫描仪的硬件设计

主要由单片机，激光头，摄像头、步进电机及电机驱动板组成。

控制模块：采用Arduino UNO作为主控制芯片。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。该芯片的存储空间能满足设计要求，可以方便地利用串口下载程序，能够满足该系统软件的需要。采用该芯片可以较灵活地选择各模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。

电机驱动模块：考虑到扫描仪整体的尺寸限制和功耗，选用体积小，功耗小的步进电机，其励磁磁通是恒定的。在控制系统中，通常采用电压做为控制信号。当转矩一定时，端电压的大小与电机转速成线性关系，改变电压极性，电机运转方向也随之改变。利用步进电机的准确定长步进性能，可以方便地实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。

本设计采用A4988做为电机的驱动模块。A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35V。A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。 只要在“步进”输入中输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。

摄像模块与激光模块：由高清摄像头，线激光模块，光敏电阻组成扫描模块。利用光线及其返回值测距的方式收集物体的形状。高清摄像头与光敏电阻的安装距离以及与物体的距离共同约束物体尺寸的范围。摄像模块采用罗技C270高清摄像头，激光模块采用两个5V直流电源，波长650nm，外径6mm的激光器分别置于摄像模块两侧。单个激光器、摄像头和被测物体以三角测距实时传到上位机，通过对位置的确定来确定被测物体的形状。

3 扫描仪的软件设计

在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，还需根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。软件设计包括各控制部分的上位机及扫描仪运行的控制程序设计。

电脑端上位机使用Horus，分别连接Arduino UNO和高清摄像头。扫描物体时Arduino控制电机匀速转动，并打开激光模组，此时上位机通过高清摄像头实时记录电机每转过一个脉冲被测物上的红外光数据。上位机还会检测是否有扫描遗漏的地方，如发生遗漏，电机会反转對遗漏地方重新扫描，最后电机转过一周，上位机记录下的数据经过处理便形成被测物形状。

4 结束语

该扫描仪启动后，可通过激光模块和摄像模块采集物体的形状信息，并将数据传回上位机，在上位机上形成三维图像。该图像可供其他设备使用，若将三维扫描仪与3D打印机配合使用，可实现3D复印的功能。

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