סורק לייזר פטל פי: 9 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

סורק הלייזר הוא מכשיר מערכת משובץ מסוג Raspberry Pi המסוגל לבצע דיגיטציה של אובייקטים לקבצי רשת.obj לשכפול באמצעות הדפסה תלת -ממדית. המכשיר עושה זאת באמצעות לייזר קו ו- PiCam משולב לביצוע ראיית מחשב. הלייזר ממוקם 45 מעלות נטוי מהלייזר ומקרין קו אדום בוהק על פרוסה אנכית אחת של האובייקט. המצלמה מזהה את מרחק הפרוסה מהמרכז כדי לתת פרוסת רשת. האובייקט מסתובב על המגש המסתובב והתהליך חוזר על עצמו עד לסריקת האובייקט המלא. קובץ.obj שנוצר נשלח לבסוף למייל למייל, מה שהופך את המערכת לעצמאית לחלוטין ומוטמעת.

מדריך זה יסביר כיצד נבנה המכשיר, כמה תוצאות וצעדים עתידיים.

שלב 1: השראה

כיצרנית מושבעת, אני עוסקת בהדפסה תלת מימדית ודוגמניות מוצקות כבר מספר שנים. עבדתי עם הרבה אבות טיפוס שונים החל מנתבי CNC ועד חותכי לייזר ועד מדפסות תלת מימד. מכשיר אחד שהמרחב המקומי שלי עדיין לא קנה היה סורק תלת מימד - ואני יכול להגיד לך למה.

הזולים יותר (כמה מאות דולרים) לא היו אמינים, דרשו תנאים מושלמים, ועדיין הניבו תוצאות עלובות למדי. היקרים היו … ובכן, יקרים, שנעו עד כמה אלפי דולרים, מה שהופך את הפונקציה שלו לא שווה את זה במקרים רבים. נוסף על כך, יותר מאשר לא, אני בוחר לבצע מדידות ולעצב דגם מאפס מאשר להתמודד עם רשת השטח שנוצרה מסריקה.

בגלל זה, רציתי לבנות סורק עצמאי בתקציב כדי לראות עד כמה אוכל לסרוק אובייקט באמצעות רכיבי המדף.

לאחר שעשיתי מחקר, ראיתי שסורקי תלת מימד רבים השתמשו בפלטפורמה מסתובבת ולאחר מכן במגוון חיישנים שונים למדידת מרחק מהמרכז על מנת לבנות מודל סיבובי. רבות מאלה השתמשו במצלמות כפולות הדומות לזו של Kinect. בסופו של דבר נתקלתי ב- Yscanner שהוא סורק ברזולוציה נמוכה שעושה שימוש בלייזר. במבט על הפשטות וההיתכנות, טכניקת הלייזר הזו, שבה לייזר זורח מקוזז ביחס למצלמה למדידת מרחק מהמרכז, נראתה כמו שביל ברור קדימה.

שלב 2: כלים וחלקים

חלקים:

• פטל פי 35.00 $
• מצלמת Raspberry Pi V2 $ 30.00
• נוריות, נגדים וחוטים
• נימה להדפסה תלת מימדית
• 12x12x0.125 יריעות עץ
• חומרה M3
• מנוע צעד - 14 $
• לייזר ליין - 8 $
• נהגי מנוע צעד LN298 - 2.65 $
• כפתור מתכת - 5 $

כלים:

• מלחם
• חותך לייזר
• מדפסת תלת מימד
• מברג
• צְבָת

שלב 3: עיצוב ברמה גבוהה

המרכיב המרכזי בעיצוב זה הוא לייזר הקו המקרין על פרוסה אנכית של האובייקטים. ניתן להקליט הקרנה זו במצלמה, לתקן את נקודת המבט שלה ולסנן אותה לפני עיבוד התמונה. בעיבוד תמונות ניתן לאסוף את המרחק בין כל קטע של הקו ממרכז האובייקט. בקואורדינטות רדיאליות, תמונה זו תניב הן את רכיבי r והן z. המימד השלישי, Θ, מושג לאחר מכן על ידי סיבוב האובייקט לפרוסה חדשה. מושג זה מוצג באיור הראשון.

כדי לבצע את הפעולות המתוארות לעיל, השתמשתי ב- Raspberry Pi כיחידת המחשוב המרכזית שלנו. חיברתי לפי פי מנוע צעד ונהג מנוע, המונע על ידי אספקת 5V חיצונית ונשלט על ידי סיכות ה- GPIO של הפי. לייזר קו הונח על קו ה -3.3 V בפי -ה וחיבור PiCam אל קלט המצלמה ב- Pi. לבסוף, הותקן לחצן פשוט למטה ומנורת סטטוס לציון המשתמש באיזה מצב המערכת נמצאת. המערכת המלאה מסוכמת בתרשים של בלוק מערכת.

מההתחלה תוכנן לשכן את האלקטרוניקה בקופסת חיתוך לייזר המוחזקת יחד עם חריצי T וחומרה M3. האלקטרוניקה תהיה מוסתרת מהעין בתא תחתון ומכסה יאפשר גישה נוחה למיקום החפצים על המגש המסתובב. מכסה זה הכרחי על מנת למזער את כמות האור הנזילה לתוך המערכת, שכן אור חיצוני זה יכול לייצר רעש בסריקה הסופית.

שלב 4: חומרה

כפי שנראה למעלה, לפני שהתחלתי לחתוך בלייזר או להדפיס תלת -ממד, השתמשתי ב- Autodesk Fusion 360 כדי ליצור דגם תלת -ממדי מפורט של העיצוב שלנו. כסקירה כללית, המכשיר הוא קופסה פשוטה עם מכסה עם צירים בחיתוך לייזר. ישנן שתי שכבות עיקריות של המכשיר: מיטת האלקטרוניקה והמיטה הראשית, עם חורים לחוטים שיעברו בין שתי השכבות.

רוב הקופסה שלנו יוצרה עם חותך לייזר, כאשר העיצובים יוצרו ב- Fusion 360 וחותכים על חותך לייזר של Epilog Zing 40 W. העיצובים שלנו מוצגים באיורים לעיל. משמאל למעלה נעים ימינה, החלקים הם המיטה הראשית, המיטה האלקטרונית, שתי חלקים למכסה, החלק האחורי, החלק הקדמי ושתי החלקים הצדדיים. במיטה הראשית, ישנם שלושה ניתוקים עיקריים: אחד להתקנת מנוע הצעד, אחד לניתוב חוטים מהלייזר, ואחד לניתוב הכבל הרחב של ה- PiCam. לחלק המיטה יש חורי הרכבה לאבטחת נהג הפי, לוח הלחם והמנוע וחיתוך גדול יותר לגישה למנוע הצעד. חתיכות המכסה נצמדות פשוט ליצירת החלק המשולש שנראה למעלה והציר הוא שחול פשוט שרוחבו של קוטר החור של לוחות הצד. לחלק האחורי ולאחת החלקים הצדדיים יש חריצים בצד, כך שניתן להגיע בקלות ליציאות ה- Pi (HDMI, USB, Ethernet, Power). החלק הקדמי הוא חלק פשוט שבסופו של דבר יצרתי בו חורים עם מקדחה ידנית להרכבת הכפתור וה- LED. כפי שניתן לראות על כל החלקים, החלקים שלנו מוחזקים יחד על ידי חומרת M3 באמצעות חיבורי T וחריצים. זוהי שיטה להחזקת חתיכות לחיתוך לייזר באופן אורתוגוני ומאובטח. סנפירים של חתיכות בשורה אחת עם החריצים חלקים אחרים וחיתוך בצורת t בקצוות נותנים מקום לאגוז M3 להיתקע לתוכם מבלי להסתחרר. זה מאפשר לנו להשתמש בברג M3 כדי לנעול את החלקים יחד עם מעט מקום לטלטל מבלי שההרכבה תהיה קבועה לחלוטין.

בחרתי לעשות את רוב החלקים שלנו עם חותך לייזר בשל המהירות והקלות שלו. עם זאת, עדיין הייתי צריך להדפיס תלת מימד כמה חלקים בשל הגיאומטריה התלת -ממדית שלהם שיהיה קשה יותר ליצור על החותך. היצירה הראשונה הייתה מחזיק הלייזר הקו. פיסה זו הייתה אמורה להיות מותקנת על המיטה הראשית בטווח של 45 מעלות ממבט המצלמה ותהיה לה חור כך שהלייזר עלול להיכנס לחיכוך הדוק. נאלצתי גם ליצור תושבת מנוע מכיוון שציר המנוע היה כה ארוך. חיכוך ההרכב השתלב בחתיכות הלייזר החתוכות והוריד את המטוס שהמנוע היה מחובר אליו כך שהרציף המסתובב היה סמוך למיטה הראשית.

שלב 5: אלקטרוניקה

חומרת החיווט של הפרויקט הזה הייתה פשוטה מאוד מכיוון שסורק התלת מימד לא דרש יותר מדי ציוד היקפי. מנוע, כפתור, לד, לייזר ומצלמה היו צריכים להיות מחוברים ל- Pi. כפי שמוצג, הקפדתי לחבר נגדים בסדרה עם כל סיכה בה השתמשנו על מנת להגן על הסיכות. סיכת GPIO אחת הוקדשה לשליטה על נורית הסטטוס, שתדלק כשהמכשיר מוכן לשימוש ותדופק עם PWM כשהמכשיר פועל. סיכת GPIO נוספת חוברה לכפתור משוך, רושם HIGH כאשר הכפתור לא נלחץ ו- LOW כאשר נלחץ על הכפתור. לבסוף, הקדשתי ארבעה סיכות GPIO להנעת מנוע הצעדים.

מכיוון שהמנוע שלנו היה צריך רק לעלות במידה מסוימת מבלי לדרוש שליטה על המהירות, בחרנו בנהג פשוט יותר של מנוע צעד (L298N) שפשוט מעלה את קווי הבקרה כדי להזין את כניסות המנוע. כדי ללמוד כיצד להפעיל את מנועי הצעד ברמה נמוכה מאוד, התייחסנו הן לדף הנתונים L298N והן לספריית Arduino. למנועי צעד יש ליבה מגנטית עם אצבעות חודרות של קוטביות מתחלפת. ארבעת החוטים עטופים לשליטה על שני אלקטרומגנטים אשר כל אחד מניע כל אצבע מנוגדת במנוע. כך, על ידי החלפת קוטביות האצבעות, אנו מסוגלים לדחוף את המדרגה צעד אחד. עם הידע הזה כיצד עובדות המדרגות מרמת חומרה, הצלחנו לשלוט על הצעדים הרבה יותר בקלות. בחרנו להפעיל את מנוע הצעד שלנו מאספקת חשמל של 5V במעבדה ולא מה- Pi בגלל משיכת הזרם המקסימלית שלו בכ -0.8 A, שזה יותר ממה שהפי יכול לספק.

שלב 6: תוכנה

ניתן לחלק את התוכנה לפרויקט זה לארבעה מרכיבים עיקריים הפועלים ביחסי גומלין: עיבוד תמונה, שליטה מוטורית, יצירת רשת ופונקציות מוטבעות.

כסיכום של התוכנה, נוכל להסתכל על הנתון הראשון. כשהמערכת מתחילה,.bashrc נכנס אוטומטית ל- Pi ומתחיל להריץ את קוד הפיתון שלנו. המערכת מדליקה את נורית הסטטוס כדי לאפשר למשתמש לדעת שהאתחול שלה היה נכון ומחכה ללחיצת הכפתור. לאחר מכן המשתמש יכול למקם את הפריט לסריקה ולסגור את המכסה. לאחר לחיצה על הכפתור, נוריות ה- LED מפעילות כדי להודיע למשתמש שהמכשיר פועל. המכשיר יעבור בין עיבוד תמונה לבקרה מוטורית עד להשלמת הסיבוב המלא וכל איסוף האובייקטים. לבסוף, הרשת נוצרת והקובץ נשלח בדוא"ל לדוא"ל שנבחר מראש. פעולה זו מפעילה מחדש את המחזור והמכונה מוכנה לבצע סריקה נוספת בלחיצת כפתור.

עיבוד תמונה

הדבר הראשון שיושם היה עיבוד תמונה שנלכדה על מנת לחלץ את המידע המאוחסן בתמונה לצורה שניתן להשתמש בה ליצירת מערך נקודות בחלל. לשם כך התחלתי בצילום של האובייקט על הרציף יחד עם כל רעשי הרקע שנוצרים על ידי הלייזר הזורח על גב התיבה ומתפזר. לתמונה זו היו שתי בעיות עיקריות בצורתה הגולמית. ראשית, האובייקט נצפה בזווית עם נקודת מבט מוגברת ושנית, היה רעש רקע רב. הדבר הראשון שהייתי צריך לעשות הוא להסביר את זווית הצפייה הזו מכיוון שהשימוש בצילום כפי שהוא לא יאפשר לנו לקבוע גובה אובייקט עקבי. כפי שניתן לראות באיור השני, גובה צורת ה- "L" הפוך עקבי; אולם מכיוון שצד אחד ארוך יותר מהצד השני נראה שיש להם גבהים שונים בקצה הקרוב ביותר לצופה.

כדי לתקן זאת, נאלצתי להפוך את סביבת העבודה שבתמונה למלבן מהצורה הטרפזית שבה היה בעבר. לשם כך השתמשתי בקוד שמספק הקישור הזה, שכאשר ניתן לו תמונה וארבע נקודות, חותך את התמונה בין ארבע הנקודות והופך את התמונה החתוכה כדי לפצות על נקודת המבט. טרנספורמציה זו משתמשת בארבע הנקודות ליצירת מלבן במקום צורה מסוג טרפז כפי שניתן לראות באיור השלישי.

הבעיה הבאה שצריכה להיפתר היא של רעשי רקע בצורה של אור חיצוני ואור המוחזר על ידי הלייזר עצמו. לשם כך סיננתי את האור באמצעות הפונקציה inRange () של OpenCV. הגדרתי את הסף להרים רק אור אדום ברמה מסוימת. כדי לקבל את הערך הנכון, התחלתי עם סף עדין והמשכתי להעלות את רמת הסף עד שהאור היחיד שנאסף הוא אור הלייזר על האובייקט שנסרק. ברגע שהייתה לי התמונה הזו, מצאתי את הפיקסל הבהיר ביותר בכל שורה עד קבל קו של פיקסל אחד לשורה הגובל בצד השמאלי ביותר של קו הלייזר. כל פיקסל הומר אז לקודקוד בחלל תלת -ממדי ונשמר במערך, כמתואר בסעיף יצירת הרשת. את התוצאות של שלבים אלה ניתן לראות באיור הרביעי.

שליטה מוטורית

לאחר שהצלחתי לעבד תמונה אחת בהצלחה כדי לקבל את פרוסת האובייקט, הייתי צריך להיות מסוגל לסובב את האובייקט כדי לצלם תמונה חדשה בזווית אחרת. לשם כך שלטתי במנוע הצעד מתחת לרציף שעליו יושב האובייקט הסורק. בניתי בסיס לפונקציית הצעד שלנו על ידי יצירת משתנה למעקב אחר מצב המנוע ומיקרוסטירה על ידי החלפת כל אחת מארבע כניסות המנוע.

יצירת רשת כדי ליצור רשת מכל התמונות המעובדות, הייתי צריך להמיר כל פיקסל לבן בתמונה המעובדת לקודקוד בחלל תלת -ממדי. מכיוון שאני אוסף פרוסות בודדות של האובייקט בסימטריה גלילית, היה הגיוני להתחיל לאסוף קואורדינטות גליליות. זה היה הגיוני מכיוון שגובה התמונה יכול לייצג את ציר ה- z, המרחק ממרכז השולחן המסתובב יכול לייצג את ציר ה- R, והסיבוב של מנוע הצעד יכול לייצג את ציר התטא. עם זאת, מכיוון שאחסנתי את הנתונים שלנו בקואורדינטות גליליות, הייתי צריך להמיר כל אחד מהקודקודים האלה לקואורדינטות קרטזיות.

לאחר שנוצרו קודקודים אלה, הם נשמרו ברשימה והרשימה נאמרה ברשימה אחרת שהכילה את רשימות הקודקודים שנוצרו עבור כל תמונה שצולמה. לאחר עיבוד כל התמונות והסבתן לקודקודים, הייתי צריך לבחור את הקודקודים שבאמת רציתי לייצג ברשת האחרונה. רציתי שהקודקוד העליון והקודקוד התחתון ייכללו ואז על סמך הרזולוציה בחרתי מספר קודקודים שווה לכל שימוש. מכיוון שלא כל רשימות הקודקודים היו באותו אורך, נאלצתי לאזן אותן על ידי מציאת הרשימה עם מספר הקודקודים הקטן ביותר והסרת קודקודים מכל הרשימות האחרות עד שכולן היו שוות. בעזרת רשימות הקודקודים שנוצרו הצלחתי כעת ליצור רשת. בחרתי לעצב את הרשת שלנו לפי תקן קובץ.obj מכיוון שהיא פשוטה להדפסה בתלת מימד.

פונקציה מוטבעת

לאחר שהמכשיר היה פונקציונלי, ליטבתי אותו על ידי הוספת פונקציונליות מוטבעת מלאה. פירוש הדבר היה להסיר את המקלדת, העכבר והצג, ולשלוח לנו את קובץ.obj באופן אלחוטי לאחר סיום העיבוד. כדי להתחיל, שיניתי את קוד.bashrc כדי להיכנס אוטומטית ולהפעיל את תוכנית הפייתון הראשית בעת ההפעלה. זה נעשה על ידי שימוש ב- sudo raspi-config ובחירת "מסוף אוטומטי" והוספת השורה "sudo python /home/pi/finalProject/FINAL.py" ל- /home/pi/.bashrc. בנוסף לזה, אני גם הוסיף לחצן ונורית סטטוס עבור קלט ופלט של משתמשים. הכפתור יאפשר למשתמש לומר למכשיר מתי להתחיל לסרוק והנורית תגיד למשתמש את מצב המכשיר. אם הנורית דולקת, המכשיר מוכן להתחיל סריקה חדשה. אם הנורית פועמת, המכשיר סורק כעת. אם הנורית משרדית, קיימת שגיאת תוכנה הקוראת להפעלה מחדש של המערכת. לבסוף, אפשרתי למכשיר לשלוח את קובץ.obj בדוא"ל. הדבר נעשה על ידי שימוש בספריות smtplib ודוא"ל. היכולת הזו לשלוח מיילים נתנה לנו דרך נוחה ואלחוטית מאוד להעביר את הקובץ שהופק למשתמש כדי לגשת אליו בפלטפורמות רבות ושונות.

שלב 7: אינטגרציה

לאחר ייצור החלקים השונים של המכשיר, הרכבתי אותו יחד. האיור למעלה מראה לפי הסדר:

(א) קופסה מורכבת בחוץ

(ב) קופסה מורכבת בפנים עם מצלמה ולייזר

(ג) מבט מבפנים של מיטת אלקטרוניקה

(ד) גב פי עם גישה ליציאות Pi וכניסת מנוע 5V

(ה) כפתור לחיצה עם טבעת LED ונורית סטטוס בחזית המכשיר

שלב 8: תוצאות

סורק התלת מימד בלייזר הצליח לסרוק אובייקטים בדיוק הגון. תכונות האובייקטים מובחנות וניתנות לזיהוי והחלקים היו קלים מאוד להדפסה תלת -ממדית באמצעות תוכנת חיתוך כגון Repetier. האיורים למעלה מראים כמה סריקות לדוגמה של פיסת עץ וברווז גומי.

אחד הממצאים וההצלחות הגדולים ביותר שגיליתי במהלך הבדיקה היה עקביות המכשיר. במהלך ניסויים מרובים של אותו אובייקט, הסורק הצליח לייצר קובץ.obj שהיה מאוד מאוד דומה בכל פעם, גם אם שינינו מעט את המיקום של האובייקט. כפי שניתן לראות בשלוש הסריקות הנפרדות, כולן נראות מאוד דומות, ולוכדות את אותם פרטים ואותה כמות פירוט. בסך הכל התרשמתי מאוד מהעקביות והחוסן של המערכת שלנו.

אחד המשתנים שבאמת הצלחתי לכוון הוא רזולוציית הסריקות. מכיוון שיש 400 צעדים בסטפר, אני יכול לבחור כמה גדול כל ΔΘ להכתיב את הרזולוציה הזוויתית. כברירת מחדל, יש לי את הרזולוציה הזוויתית המוגדרת ל -20 איטרציות, כלומר כל מסגרת, המנוע מסתובב ב -20 שלבים (400/20 = 20). זה נבחר בעיקר לטובת הזמן - לוקח כ- 45 שניות להשלים סריקה בדרך זו. עם זאת, אם אני רוצה סריקה באיכות גבוהה בהרבה, אני יכול להגדיל את מספר האיטרציות עד 400. זה נותן הרבה יותר נקודות לבנות איתה את המודל, מה שגורם לסריקה מפורטת הרבה יותר. בנוסף לרזולוציה הזוויתית, אני יכול גם להתאים את הרזולוציה האנכית, או כמה נקודות שונות אני בוחר להציף לאורך פרוסת הלייזר. עבור עניין דומה בזמן, יש לי את ברירת המחדל הזו ל -20 אבל אני יכול להגדיל אותה לתוצאות טובות יותר. במשחק עם פרמטרים אלה של רזולוציה זוויתית ורזולוציה מרחבית, הצלחתי לאסוף את התוצאות של סריקות שונות להלן באיור האחרון. כל תווית מעוצבת כך שהיא הרזולוציה הזוויתית x הרזולוציה המרחבית. כפי שניתן לראות בהגדרות ברירת המחדל של הסריקה, התכונות של הברווז ניתנות לזיהוי אך לא מפורטות. עם זאת, כאשר אני מגדיל את הרזולוציה, תכונות מדויקות בודדות מתחילות להופיע, כולל העיניים, המקור, הזנב והכנפיים על הברווז. הסריקה של התמונה ברזולוציה הגבוהה ביותר נמשכה כ -5 דקות. לראות את הרזולוציה הגבוהה הזו הייתה הצלחה גדולה מאוד.

מגבלות

למרות התוצאות המוצלחות של הפרויקט, עדיין קיימות מספר מגבלות של עיצוב ויישום. עם השימוש בלייזר מגיעות הרבה בעיות עם האופן שבו האור מתפזר. אובייקטים רבים שניסיתי לסרוק שהיו שקופים, מבריקים או כהים מאוד הוכיחו שהם מטרידים את האופן שבו האור משתקף מעל פני השטח. אם האובייקט היה שקוף, האור היה נספג ומתפזר, מה שמוביל לקריאה רועשת מאוד של פרוסות. באובייקטים מבריקים וכהים, האור היה משתקף או נקלט עד לנקודה שבה יהיה קשה להרים אותו. יתר על כן, מכיוון שאני משתמש במצלמה כדי ללכוד את התכונות של אובייקטים, החישה שלה מוגבלת בקו הראייה שלה, כלומר אובייקטים קעורים וזוויות חדות נחסמים לעתים קרובות על ידי חלקים אחרים של האובייקט. זה מוצג בדוגמה של ברווז הגומי שלנו מכיוון שהזנב לפעמים יאבד את עקמומתו בסריקה. המצלמה יכולה גם לזהות רק מבני משטח כלומר אין אפשרות ללכוד חורים או גיאומטריות פנימיות. עם זאת, זוהי בעיה נפוצה שיש גם לפתרונות סריקה רבים אחרים.

הצעדים הבאים

למרות שהייתי מרוצה מתוצאות הפרויקט שלנו, היו כמה דברים שאפשר ליישם אותם כדי לשפר אותו. בתור התחלה, במצב הנוכחי, ניתן לשנות את רזולוציית הסריקה רק על ידי שינוי משתני הרזולוציה המקודדת בקוד שלנו. כדי להפוך את הפרויקט לשבץ יותר, ניתן לכלול פוטנציומטר רזולוציה כך שהמשתמש יוכל לשנות את הרזולוציה מבלי לחבר צג ומקלדת לסורק.בנוסף, הסורק יוצר תמונות שלפעמים יכולות להיראות משוננות. כדי לתקן זאת, ניתן ליישם טכניקות להחלקת רשת כדי להחליק אי סדרים ופינות קשות. לבסוף, גיליתי שקואורדינטות הפיקסלים אינן מתאימות היטב לעולם האמיתי. הרשתות שיצרתי היו גדולות פי 6 עד 7 מהאובייקט בפועל. בעתיד יהיה יתרון ליישם דרך של קנה מידה של רשתות כך שיהיו מדויקות יותר לגודל האמיתי של האובייקט.

שלב 9: משאבים

כללתי את הקוד, קבצי STL להדפסה וקבצי DXF לחיתוך לכל הפרויקט.

פרס ראשון בתחרות פטל פאי 2020