基于激光雷達(dá)原理的三維掃描系統(tǒng)

基于激光雷達(dá)的三維掃描系統(tǒng)摘要基于激光雷達(dá)原理的三維掃描系統(tǒng)，是以一種基于結(jié)構(gòu)光掃描原理的激光雷達(dá)為基礎(chǔ)，通過使線激光器發(fā)出的線激光在被掃描物體表面掃描，攝像頭便可接收到物體上不同位置的線激光的照片。然后提取出成像照片中物體上的線激光每一點(diǎn)的二維坐標(biāo)嗎，由已知量利用三角法可得到線激光中一點(diǎn)到攝像頭的距離，由此距離值便可將線激光中這點(diǎn)的位置表達(dá)在根據(jù)攝像頭位置建立的世界坐標(biāo)系中。每一次掃描可得到一條線激光上若干點(diǎn)的空間位置信息，整個(gè)掃描過程結(jié)束就可以得到被掃描物體若干點(diǎn)的空間位置信息，根據(jù)這些點(diǎn)的位置信息可還原出被掃描物體的三維形狀。本系統(tǒng)中以STM32單片機(jī)作為下位機(jī)控制激光掃描提前照片中激光線的坐標(biāo)，并將當(dāng)前提取的激光線在照片中的坐標(biāo)通過串口傳入上位機(jī)MATLAB程序。上位機(jī)接收到激光坐標(biāo)數(shù)據(jù)后進(jìn)行三維還原運(yùn)算，計(jì)算出每一個(gè)激光點(diǎn)對(duì)應(yīng)空間中的三維坐標(biāo)，之后進(jìn)行三維作圖，還原出物體的三維形狀。關(guān)鍵詞：激光掃描；三角法；三維成像目錄TOC\o"1-5"\h\z一、作品創(chuàng)意1二、方案論證與設(shè)計(jì)1三、原理分析與硬件電路圖21.幾何建模與算法分析22.硬件電路設(shè)計(jì)原理及分析6四、軟件設(shè)計(jì)與流程7五、系統(tǒng)測(cè)試8六、作品難點(diǎn)與創(chuàng)新10七、總結(jié)11參考文獻(xiàn)：12#AB=oL*1―-o'bcota+一8）由等式（4）（8）可以進(jìn)一步推算出oA的關(guān)系式：oA=oL*o'b*f*cota+o'b由于三角形oAD與三角形8）由等式（4）（8）可以進(jìn)一步推算出oA的關(guān)系式：oA=oL*o'b*f*cota+o'b由于三角形oAD與三角形odd'相似，可得:AD=oA,AD=少*od'od'dd'dd'10)而由d點(diǎn)的坐標(biāo)可得dd'的關(guān)系式:dd'=o'b=1x-160111)在直角三角形ABD中，BD的長度可由下列等式求得:BD=xAD2—AB212)由等式（8）（9）（12）可以得出D點(diǎn)在當(dāng)前隨舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的空間三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:x=oA=o'b*oL*f*cota+o'b1y=AB=oL*f*cota+o'b(13)接著將求出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到柱坐標(biāo)系中，先分析r和9這兩個(gè)參量:r=、［x2+y29=arctan—x14）然后將當(dāng)前隨舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到固定的世界柱坐標(biāo)系中，其中角B是當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系與固定的世界坐標(biāo)系中x軸的夾角:x=rcos（申-P）=rcos申000y=rsin（申一P）=rsin申00015)z=15)0式（15）即為三維成像中所應(yīng)用到的固定世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。圖3：隨舵機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與固定世界坐標(biāo)系關(guān)系示意圖2.硬件電路設(shè)計(jì)原理及分析（1）硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要的功能是實(shí)現(xiàn)舵機(jī)對(duì)激光器與攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)電路中主要用到兩個(gè)芯片。單片機(jī)型號(hào)：stm32fl03rbt6，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的通信及發(fā)出對(duì)舵機(jī)、激光筆以及攝像頭的控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)芯片：uln2803a，是一款高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，系統(tǒng)中主要用于對(duì)激光筆和舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)。（2）攝像頭系統(tǒng)中應(yīng)用到的攝像頭型號(hào)為：PTC08。該攝像頭在圖像采集、拍攝控制、數(shù)據(jù)壓縮和串口傳輸方面都很具優(yōu)勢(shì)，其內(nèi)置的高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)原始圖像的高比例壓縮，輸出標(biāo)準(zhǔn)的jpeg格式。該攝像頭在拍攝過程中對(duì)環(huán)境的抗干擾能力較強(qiáng)，由于三維成像需要收集到最大的激光點(diǎn)信息，故對(duì)于數(shù)據(jù)采集的要求相對(duì)較高。而一般的的攝像頭需要在較黑暗的情況下才能采集到較好的信息，該在攝像頭在普通的環(huán)境下就能較好的獲取激光點(diǎn)的信息。四、軟件設(shè)計(jì)與流程整個(gè)系統(tǒng)的軟件分為控制部分和數(shù)據(jù)處理與顯示部分。控制部分是由單片機(jī)控制來完成。主要控制內(nèi)容包括調(diào)整舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,控制就激光筆的開關(guān)以及攝像頭的拍照頻率，在控制的過程中同時(shí)提取拍得的照片中激光的坐標(biāo)并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過串口傳至上位機(jī)MATLAB。單片機(jī)中程序流程圖：圖4：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序流程圖數(shù)據(jù)的后期處理與顯示則是通過MATLAB完成，在接收到數(shù)據(jù)后先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過還原運(yùn)算得到相應(yīng)世界坐標(biāo)系中的的空間坐標(biāo)，然后將得到的坐標(biāo)顯示在MATLABGUI界面中的三維坐標(biāo)系中。MATLAB程序流程圖如下：

圖5:matlab程序流程圖為了方便整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行以及作圖的實(shí)時(shí)顯示，用MATLAB做了上位機(jī)圖形用戶交互界面，如圖所示:圖6：MATLAB上位機(jī)界面圖五、系統(tǒng)測(cè)試為了能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)了單片機(jī)液晶顯示功能。主要完成將攝像頭采集到的圖片信息并將提取出的激光坐標(biāo)點(diǎn)顯示在白屏上。，作用

在于能夠檢測(cè)攝像頭的正常工作以及觀察激光坐標(biāo)提取的準(zhǔn)確性。在整個(gè)過程中，舵機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，攝像頭拍照一次，單片機(jī)控制將拍照信息顯示在液晶上，由此能判斷攝像機(jī)的正常運(yùn)行。接著是將采集到的激光線以打點(diǎn)的形式顯示在液晶上，通過判斷激光線位置與原照片中位置的差異，可以判斷坐標(biāo)提取的的是否準(zhǔn)確和完整。在整個(gè)測(cè)試過程中，通過判斷相關(guān)信息，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是比較順利和可靠的。分別對(duì)筆筒和工藝品小葫蘆進(jìn)行了三維掃描測(cè)試，效果圖如下面三圖所示:圖7：筆筒掃描效果圖圖8：小葫蘆掃描效果圖六、作品難點(diǎn)與創(chuàng)新1.SD卡讀取由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，限于單片機(jī)STM32F103中RAM的限制，不可能將每次從攝像頭獲取的JPG格式的圖片存在RAM中，必須要先存儲(chǔ)到SD卡中再進(jìn)行后續(xù)的解碼及提取坐標(biāo)操作。同時(shí)為了方便調(diào)試，需要在電腦上讀出SD卡中存取的照片進(jìn)行分析。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，必須要對(duì)SD卡植入與Windows相兼容的文件系統(tǒng)。通過反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，最終選擇了一款小巧方便的fatfs文件系統(tǒng)。FatFS是一個(gè)為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用FAT(FileAllocationTable)文件系統(tǒng)模塊。FatFs的編寫遵循ANSIC,并且完全與磁盤I/O層分開。因此，它獨(dú)立(不依賴)于硬件架構(gòu)。它可以被嵌入到低成本的微控制器中，如AVR,8051,PIC,ARM,Z80,68K等等，而不需要做任何修改。將FatFs移植到STM32平臺(tái)需要修改與底層相關(guān)的10文件以及操作讀寫SD卡的基本通信函數(shù)。2.JPG圖片解碼本系統(tǒng)中使用的是一款以UART方式輸出壓縮后的JPG格式圖片的攝像頭。它的好處是可以以較小的存儲(chǔ)空間獲取到整幅圖片的信息。然而，其缺點(diǎn)是在進(jìn)行圖片處理之前需要對(duì)其進(jìn)行解碼到RGB色彩空間，既得到每一個(gè)像素點(diǎn)的RGB信息。同樣由于單片機(jī)RAM的限制，想整幅圖片一起讀入RAM再進(jìn)行解碼是不實(shí)際的。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采取JPG解碼與fatfs文件系統(tǒng)配合的策略，以數(shù)據(jù)流的方式將SD卡中圖片數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)中緩存數(shù)組中，再對(duì)這一段圖片數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼。這樣可以大大節(jié)省系統(tǒng)資源的消耗，同時(shí)取得較好的效果。3．系統(tǒng)還原算法的創(chuàng)新本題目設(shè)計(jì)的基于結(jié)構(gòu)光的三維掃描系統(tǒng)是一款功能相對(duì)完善，同時(shí)制作成本比較低廉的低成本系統(tǒng)。為了以這些低成本的元器件實(shí)現(xiàn)三維掃描的功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了相對(duì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)且資源消耗少的三維還原算法。創(chuàng)新點(diǎn)主要在三維建模的算法設(shè)計(jì)上，本算法根據(jù)已知激光點(diǎn)在CCD中成像的位置和整個(gè)掃描空間中激光光路的三角關(guān)系，來計(jì)算得到物體上激光點(diǎn)的三維位置信息。整個(gè)算法涉及到的變量相對(duì)較少，算法的運(yùn)算量較小簡(jiǎn)單可靠，大大減少了系統(tǒng)運(yùn)算開銷。同時(shí)，經(jīng)過驗(yàn)證本系統(tǒng)具有一定的魯棒性，系統(tǒng)微小的偏差對(duì)結(jié)果的影響并不大。七、總結(jié)本題主要是設(shè)計(jì)一種低成本的容易實(shí)現(xiàn)的三維掃描系統(tǒng)，應(yīng)用于SLAM導(dǎo)航和三維成像領(lǐng)域的。利用激光點(diǎn)在成像平面上的位置和激光從激光器到成像平面之間的幾何光路可以，計(jì)算出激光器到目標(biāo)表面激光光斑之間的距離，然后根據(jù)幾何關(guān)系可以將這個(gè)距離關(guān)系轉(zhuǎn)化成空間坐標(biāo)關(guān)系，通過matlab進(jìn)行繪圖成像。該題最重要的也是最關(guān)鍵的問題就是三維成像。三維成像最重要的是確定掃描物的三維坐標(biāo)，在經(jīng)過反復(fù)推算和驗(yàn)證后，我們找到了一種思路相對(duì)簡(jiǎn)單處理過程相對(duì)精簡(jiǎn)的算法。該算法主要特征是將旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中，整個(gè)過程設(shè)計(jì)到的主要變量是舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，而該變量又能由單片機(jī)控制，所以整個(gè)過程處理起來相對(duì)簡(jiǎn)單。在整個(gè)三維掃描系統(tǒng)的實(shí)際制作中，特別要注意激光器和攝像頭的安裝，如果安裝的不牢固，就容易出現(xiàn)在舵機(jī)旋轉(zhuǎn)掃描過程中出現(xiàn)松動(dòng)，進(jìn)而影響計(jì)算模型的固有參數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)