基于激光雷達原理的三維掃描系統(tǒng)

基于激光雷達的三維掃描系統(tǒng)摘要基于激光雷達原理的三維掃描系統(tǒng)，是以一種基于結構光掃描原理的激光雷達為基礎，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的二維坐標嗎，由已知量利用三角法可得到線激光中一點到攝像頭的距離，由此距離值便可將線激光中這點的位置表達在根據攝像頭位置建立的世界坐標系中。每一次掃描可得到一條線激光上若干點的空間位置信息，整個掃描過程結束就可以得到被掃描物體若干點的空間位置信息，根據這些點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單片機作為下位機控制激光掃描提前照片中激光線的坐標，并將當前提取的激光線在照片中的坐標通過串口傳入上位機MATLAB程序。上位機接收到激光坐標數據后進行三維還原運算，計算出每一個激光點對應空間中的三維坐標，之后進行三維作圖，還原出物體的三維形狀。關鍵詞：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、方案論證與設計1三、原理分析與硬件電路圖21.幾何建模與算法分析22.硬件電路設計原理及分析6四、軟件設計與流程7五、系統(tǒng)測試8六、作品難點與創(chuàng)新10七、總結11參考文獻：12#AB=oL*1―-o'bcota+一8）由等式（4）（8）可以進一步推算出oA的關系式：oA=oL*o'b*f*cota+o'b由于三角形oAD與三角形8）由等式（4）（8）可以進一步推算出oA的關系式：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點的坐標可得dd'的關系式: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點在當前隨舵機旋轉的空間三維坐標系中的坐標為:x=oA=o'b*oL*f*cota+o'b1y=AB=oL*f*cota+o'b(13)接著將求出的坐標轉換到柱坐標系中，先分析r和9這兩個參量:r=、［x2+y29=arctan—x14）然后將當前隨舵機旋轉的柱坐標系轉換到固定的世界柱坐標系中，其中角B是當前旋轉的坐標系與固定的世界坐標系中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用到的固定世界坐標系中的坐標。圖3：隨舵機旋轉坐標系與固定世界坐標系關系示意圖2.硬件電路設計原理及分析（1）硬件驅動系統(tǒng)硬件驅動系統(tǒng)主要的功能是實現(xiàn)舵機對激光器與攝像頭的轉動控制。驅動電路中主要用到兩個芯片。單片機型號：stm32fl03rbt6，實現(xiàn)與計算機之間的通信及發(fā)出對舵機、激光筆以及攝像頭的控制信號。驅動芯片：uln2803a，是一款高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，系統(tǒng)中主要用于對激光筆和舵機的驅動。（2）攝像頭系統(tǒng)中應用到的攝像頭型號為：PTC08。該攝像頭在圖像采集、拍攝控制、數據壓縮和串口傳輸方面都很具優(yōu)勢，其內置的高性能數字信號處理芯片能很好的實現(xiàn)對原始圖像的高比例壓縮，輸出標準的jpeg格式。該攝像頭在拍攝過程中對環(huán)境的抗干擾能力較強，由于三維成像需要收集到最大的激光點信息，故對于數據采集的要求相對較高。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的信息。四、軟件設計與流程整個系統(tǒng)的軟件分為控制部分和數據處理與顯示部分。控制部分是由單片機控制來完成。主要控制內容包括調整舵機的轉動角度,控制就激光筆的開關以及攝像頭的拍照頻率，在控制的過程中同時提取拍得的照片中激光的坐標并將坐標數據通過串口傳至上位機MATLAB。單片機中程序流程圖：圖4：單片機程序流程圖數據的后期處理與顯示則是通過MATLAB完成，在接收到數據后先對數據進行處理，經過還原運算得到相應世界坐標系中的的空間坐標，然后將得到的坐標顯示在MATLABGUI界面中的三維坐標系中。MATLAB程序流程圖如下：

圖5:matlab程序流程圖為了方便整個系統(tǒng)的連續(xù)運行以及作圖的實時顯示，用MATLAB做了上位機圖形用戶交互界面，如圖所示:圖6：MATLAB上位機界面圖五、系統(tǒng)測試為了能夠實時觀測整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設計了單片機液晶顯示功能。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點顯示在白屏上。，作用

在于能夠檢測攝像頭的正常工作以及觀察激光坐標提取的準確性。在整個過程中，舵機每轉動一次，攝像頭拍照一次，單片機控制將拍照信息顯示在液晶上，由此能判斷攝像機的正常運行。接著是將采集到的激光線以打點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，可以判斷坐標提取的的是否準確和完整。在整個測試過程中，通過判斷相關信息，整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)是比較順利和可靠的。分別對筆筒和工藝品小葫蘆進行了三維掃描測試，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、作品難點與創(chuàng)新1.SD卡讀取由于在系統(tǒng)設計中，限于單片機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，必須要先存儲到SD卡中再進行后續(xù)的解碼及提取坐標操作。同時為了方便調試，需要在電腦上讀出SD卡中存取的照片進行分析。為了實現(xiàn)上述功能，必須要對SD卡植入與Windows相兼容的文件系統(tǒng)。通過反復對比試驗，最終選擇了一款小巧方便的fatfs文件系統(tǒng)。FatFS是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設計的通用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，它獨立(不依賴)于硬件架構。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平臺需要修改與底層相關的10文件以及操作讀寫SD卡的基本通信函數。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空間獲取到整幅圖片的信息。然而，其缺點是在進行圖片處理之前需要對其進行解碼到RGB色彩空間，既得到每一個像素點的RGB信息。同樣由于單片機RAM的限制，想整幅圖片一起讀入RAM再進行解碼是不實際的。因此，我們在設計中采取JPG解碼與fatfs文件系統(tǒng)配合的策略，以數據流的方式將SD卡中圖片數據讀入單片機中緩存數組中，再對這一段圖片數據流進行解碼。這樣可以大大節(jié)省系統(tǒng)資源的消耗，同時取得較好的效果。3．系統(tǒng)還原算法的創(chuàng)新本題目設計的基于結構光的三維掃描系統(tǒng)是一款功能相對完善，同時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現(xiàn)三維掃描的功能，我們設計了相對簡單易于實現(xiàn)且資源消耗少的三維還原算法。創(chuàng)新點主要在三維建模的算法設計上，本算法根據已知激光點在CCD中成像的位置和整個掃描空間中激光光路的三角關系，來計算得到物體上激光點的三維位置信息。整個算法涉及到的變量相對較少，算法的運算量較小簡單可靠，大大減少了系統(tǒng)運算開銷。同時，經過驗證本系統(tǒng)具有一定的魯棒性，系統(tǒng)微小的偏差對結果的影響并不大。七、總結本題主要是設計一種低成本的容易實現(xiàn)的三維掃描系統(tǒng)，應用于SLAM導航和三維成像領域的。利用激光點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，計算出激光器到目標表面激光光斑之間的距離，然后根據幾何關系可以將這個距離關系轉化成空間坐標關系，通過matlab進行繪圖成像。該題最重要的也是最關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，在經過反復推算和驗證后，我們找到了一種思路相對簡單處理過程相對精簡的算法。該算法主要特征是將旋轉的坐標系中的點轉換到世界坐標系中，整個過程設計到的主要變量是舵機的旋轉角度，而該變量又能由單片機控制，所以整個過程處理起來相對簡單。在整個三維掃描系統(tǒng)的實際制作中，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)在舵機旋轉掃描過程中出現(xiàn)松動，進而影響計算模型的固有參數發(fā)生改變，導