Escáner 3D con dos cámaras. Escáner D de bricolaje

FabScan es un escáner láser 3D de código abierto que puede hacer usted mismo. El mío lo monté a partir de láminas de MDF y diversos materiales disponibles y, a modo de ejemplo, decidí exponeros el proceso de creación.

Paso 1: Qué necesitarás

Para el escáner FabScan oficial necesita:

• Arduino UNO
• Motor paso a paso A4988
• Módulo de escáner láser 3D FabScan-Shield para Arduino
• Módulo láser rojo de 5 mW
• Fuente de alimentación 12V - 1A
• Cámara web Logitech C270

Para crear una caja necesitarás 4 hojas de MDF de 600*300*5 mm.

En mi proyecto utilicé:

• Arduino UNO
• Motor paso a paso bipolar - NEMA 17 (200 pasos)
• Motor paso a paso A4988
• Módulo láser rojo de 5 mW
• Fuente de alimentación 12V - 2A
• Cámara web Logitech C270

Dado que usaremos el software FabScan, recomiendo ceñirse a su lista de piezas; puede encontrar fácilmente toda la documentación para el escáner 3D de referencia FabScan en Internet.

Paso 2: ensamblar la caja de la galería para el escáner 3D

Mostrar 4 imágenes más

Utilicé una Dremel y mi imaginación para montar la caja del escáner. Esto no es tan sencillo, porque para obtener la imagen 3D correcta, la cámara, el láser y el motor paso a paso deben estar en las posiciones correctas. Si no quiere molestarse, puede comprar piezas ya hechas, pero no será barato.

Paso 3: Conexión de los módulos

Montar el hardware es bastante sencillo:
Conecte el módulo FabScan al Arduino y configure el motor A4988 en su posición de primer paso. Conecte el motor a los pines de salida y el módulo láser al pin analógico A4. Finalmente, conecta la fuente de alimentación y el cable USB.

Si decide montar el escáner según mi lista de piezas:
Luego, debe conectar el motor A4988 a los pines 10, 11, 9, 8 del Arduino (si lo desea, los pines se pueden cambiar) y conectar el módulo láser al pin A4. Al final, conecte también la fuente de alimentación y el cable USB.

Paso 4: Código para Arduino

Usaremos el código oficial de FabScan. Súbelo al Arduino y listo.

Si tiene instalado el complemento Codebender, puede cargar el código en Arduino siguiendo este enlace.

Si está ensamblando el escáner de acuerdo con mi lista de piezas, haga clic en el botón Editar y haga lo siguiente:

• Agregue líneas #include const intstepsPerRevolution = 200;//cambie el número de pasos de su motor Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 10, 11,8,9);
• Reemplace la función step() con lo siguiente: void step() ( myStepper.setSpeed(1); myStepper.step(1); )

Paso 5: software de computadora

Usaremos la imagen "FabScan Ubuntu Live DVD". Puedes descargarlo. En esta imagen, el software FabScan ya está preinstalado. La imagen se puede escribir en una unidad flash; cómo hacerlo se puede encontrar en Internet.

Nota importante: si elige la opción "Probar Ubuntu", guarde sus archivos antes de apagar su computadora.

Mira las fotos adjuntas y sigue los pasos:

• Seleccione el puerto en SerialPort
• Seleccione la cámara en Cámara
• Archivo - Panel de control
• Haga clic en detectar láser (no coloque nada en el escáner en esta etapa) y seleccione 'activar'
• Haga clic en "Obtener marco" y asegúrese de que la línea horizontal azul toque la parte superior del plato giratorio y la línea horizontal amarilla toque la parte inferior. La línea amarilla vertical debe pasar por el centro del plato giratorio. ¡Una cámara suelta puede provocar escaneos distorsionados!

Después de la configuración, cierre la ventana del panel de control, coloque el objeto en el escáner y haga clic en el botón Iniciar escaneo.

Guardar imagen 3D:
Cuando se completa el proceso de escaneo, puede guardar el objeto 3D en un archivo en formatos .pcd o .ply. También puedes guardarlo en formato stl, pero no es compatible con todas las plataformas. También puede abrir un elemento previamente escaneado seleccionando Archivo - OpenPointCloud.

¿Qué hacer con los archivos 3D?
Puedes abrirlos en MeshLab e imprimirlos en una impresora 3D.
Para imprimir objetos en MeshLab:

• Guarde el objeto en formato .ply
• Abra el archivo en MeshLab
• En MeshLab, calcule normales (Filtros/Conjunto de puntos/Calcular normales para conjuntos de puntos)
• Reconstruir la superficie usando reconstrucción de Poisson (Filtros/Conjunto de puntos/Reconstrucción de superficie: Poisson)
• Listo

FabScan es un escáner láser 3D de código abierto.

El proyecto comenzó durante el desarrollo del proyecto de licenciatura de Francis Engelmann. Se encuentra la página oficial del proyecto.

Sobre la base de este proyecto, se desarrolló un análogo, que se analiza en el artículo. MDF se utiliza para el boxeo. El llenado electrónico también es algo diferente.

El programa Arduino está tomado del proyecto original. ¡Gracias al equipo de FabScan por un excelente escáner 3D de código abierto!

Entonces empecemos.

Componentes requeridos

Piezas y componentes para el proyecto FabScan original:

• Controlador de motor paso a paso A4988;
• Escudo FabScan;
• Motor paso a paso bipolar NEMA 17 (200 pasos);
• Fuente de alimentación 12 V - 1 A;
• Cámara web Logitech C270.

Para el cuerpo necesitas 4 láminas de MDF. Dimensiones: 600 mm por 300 mm. Espesor - 5 mm. Información más detallada.

Piezas y conjuntos utilizados en este manual:

• (200 pasos);
• Controlador de motor paso a paso L298N;
• Módulo láser de 5 mW - fabricante Línea roja;
• Fuente de alimentación 12 V - 2 A;
• Cámara web Logiteck C270.

Es decir, simplemente no usaremos el escudo FabScan y usaremos un módulo controlador de motor paso a paso diferente.

Desarrollo de una carcasa para un escáner 3D

El proceso y resultado del desarrollo del cuerpo de nuestro escáner 3D se muestran en las fotografías. La principal dificultad es la instalación más precisa de la cámara, el módulo láser y el motor paso a paso. Si quieres hacerte la vida más fácil, puedes pedir estas piezas por 35 euros.

1. Con escudo.

Instale el escudo FabScan en Arduino. El controlador del motor paso a paso A4988 está instalado en los rieles provistos. El motor paso a paso está conectado a los contactos correspondientes en la placa de características. El módulo láser está conectado al pin analógico A4. Después de esto, puede conectar el cable de alimentación y USB. Hay instrucciones más detalladas disponibles.

2. Sin escudo.

Si decide construir el escáner sin usar un escudo, conecte el controlador del motor paso a paso L298 a los pines 10, 11, 9, 8 del Arduino (en principio, estos pines se pueden cambiar con las ediciones apropiadas en el boceto). El módulo láser está conectado al pin A4 del Arduino. Todo. Puede conectar alimentación y cable USB.

Boceto para Arduino

¡Nota IMPORTANTE! Si utiliza la opción "Probar Ubuntu", asegúrese de guardar sus archivos antes de apagar su computadora personal.

Siga las instrucciones, cuyas fotografías se muestran a continuación:

• Seleccione Puerto serie;
• Seleccione Cámara;
• Archivo - Panel de control;
• Haga clic en detectar láser (no coloque ningún objeto frente al escáner por ahora) y seleccione "activar";
• Haga clic en "Recuperar marco" y asegúrese de que la línea horizontal azul toque la parte superior del plato giratorio y la línea horizontal amarilla toque la parte inferior del plato giratorio. Además, la línea vertical amarilla debe coincidir con el centro del plato giratorio. Si la cámara no está instalada correctamente, el resultado del escaneo no será claro.

Después de la configuración, cierre la ventana, coloque el objeto en el escáner 3D y haga clic en el botón Iniciar escaneo.

Nota: en esta guía se presentan materiales adicionales sobre la configuración del archivo Configuration.xml.

Guardar una imagen 3D

Cuando se completa el proceso de escaneo 3D, puede guardar el objeto 3D escaneado con una extensión .pcd o .ply. También puedes guardarlo como un archivo stl 3D, pero esta función no está disponible en todas las plataformas. Puede abrir un objeto previamente escaneado y guardado seleccionando Archivo - OpenPointCloud.

¿Que sigue?

¡Puedes usar MeshLab para procesar un objeto escaneado en 3D e imprimirlo en una impresora 3D!

Al procesar un archivo en MeshLab:

1. Asegúrese de guardar el objeto como un archivo .ply.

2. Abra el archivo usando MeshLab.

3. En MeshLab, calcule las normales (Filtros/Conjunto de puntos/Calcular normales).

4. Después de eso, reconstruya la superficie usando la reconstrucción de Poisson (Filtros/Conjunto de puntos/Reconstrucción de superficie: Poisson)

La estructura ensamblada final se muestra en la foto de abajo.

Vídeo del escáner 3-D FabScan original en funcionamiento:

¡¡¡Muchas gracias al equipo de FabScan por el increíble escáner de código abierto en Arduino!!!

Deja tus comentarios, preguntas y comparte experiencia personal abajo. ¡A menudo surgen nuevas ideas y proyectos de las discusiones!

Es un análogo del famoso escáner láser FabScan, desarrollado por Francis Engelmann. Como caja para dicho escáner, el autor utilizó MDF, en cuanto al relleno, también es ligeramente diferente del original.

El programa original es para Arduino, fue tomado del proyecto original.

Materiales y herramientas para crear un escáner:

4 láminas de MDV de 600X300 mm, espesor 5 mm (se necesitan para crear la carcasa);
- motor paso a paso (NEMA 17 para 200 pasos);
- controlador para motor paso a paso L298N;
- módulo láser de 5 mW (usado del fabricante Red Line);
- para alimentar el dispositivo se necesita una fuente de 12 V - 2 A;
- cámara web modelo Logiteck C270.

El producto casero original utiliza un controlador de motor paso a paso A4988 y, en cuanto al motor paso a paso, también es NEMA 17. Por lo demás, los elementos del producto casero son exactamente los mismos que en la versión original.

Proceso de fabricación del escáner:

Paso uno. haciendo el cuerpo
Todo el proceso de creación de la carcasa del escáner se puede ver en la foto. Lo más importante en este asunto es la precisión. El módulo láser, el motor paso a paso y la cámara web deben ubicarse claramente en los lugares correctos, de acuerdo con el proyecto.

Conexión sin blindaje
Si decide ensamblar el dispositivo sin usar un escudo, entonces los cables del motor paso a paso L298 están conectados a los pines Arduino numerados 10, 11, 9, 8. En principio, puede usar otros contactos, pero deberá hacer cambios en el boceto.
En cuanto al módulo láser, debe conectarse al pin A4 del controlador Arduino. Después de esto, puede conectar el cable USB y la alimentación.

Conexión con escudo
Necesita instalar el escudo FabScan en Arduino. En cuanto al controlador del motor paso a paso, es necesario instalarlo en los rieles previstos para ello. Los contactos del motor paso a paso están conectados a los contactos correspondientes en la placa de identificación.
El módulo láser debe estar conectado al pin A4 del Arduino. Eso es todo, luego conecte el cable de alimentación y USB.

Paso tres. Instalación del boceto
Ahora necesita descargar e instalar el boceto oficial de FabScan. Para actualizar Arduino, debe descargar el complemento Codebender y luego hacer clic en el botón "Ejecutar en Arduino". En este caso, el boceto se puede instalar directamente a través del navegador desde el sitio web oficial.

const int pasos por revolución = 200; // cambia este parámetro para ajustar el número de pasos por rotación del eje de tu motor paso a paso

Paso a paso myStepper(pasosPorRevolución, 10, 11,8,9);
Reemplace la función paso():

myStepper.setSpeed(1);

myStepper.paso(1);

Paso cuatro. software de escáner
Para instalar el programa es necesario descargar la imagen “FabScan Ubuntu Live DVD”, después de la instalación aparecerá software FabScan.

Necesita realizar algunas configuraciones en el programa:

Primero debes seleccionar SerialPort;
- luego seleccione Cámara;
- después de eso Archivo - Panel de control;
- luego haga clic en detectar láser y seleccione “activar” (no es necesario colocar ningún objeto delante del láser);
- Bueno, ahora haz clic en "Obtener marco", mientras la línea horizontal azul debe tocar la parte inferior de la mesa giratoria. La línea amarilla debe estar en el centro de la mesa. Si la cámara no está instalada correctamente, la imagen será Mala calidad.

Eso es todo, el programa está configurado. Ahora puede colocar algún objeto en el escáner y luego presionar el botón Iniciar escaneo.

Paso cinco. guardar la imagen
Una vez completado el escaneo del objeto, la imagen se puede guardar en formato .pcd o .ply. También puedes guardarlo en formato stl, pero esto depende de la plataforma que estés utilizando.
Para abrir un objeto que se guardó previamente, debe seleccionar Archivo - OpenPointCloud.

) decidimos intentar montarlo y, si es posible, mejorar su diseño. Ni siquiera podíamos imaginar lo que sucedería con él, y mucho menos imaginar que ganaríamos varias exposiciones científicas y de ingeniería con él. Pero en orden. Quien esté interesado en conocer el resultado, bienvenido al gato (muchas fotos).

Primer prototipo

La cámara es inmediatamente visible y el láser es ese cilindro de latón que está encima. Para girar la plataforma utilizamos dos motores paso a paso, que a su vez estaban conectados a un tablero de control en un microcontrolador Atmega32. El láser estaba conectado a él. La placa en sí estaba conectada a la computadora mediante un adaptador USB->UART. El programa de la computadora tomó fotografías, las procesó, ingresó las coordenadas de los puntos obtenidos en un archivo y envió comandos al tablero de control.

El resultado fue interesante. Sí, encontramos la distancia. Sí, podríamos "apuntar" a cualquier punto del hemisferio situado encima del escáner. Y nuestra alegría no conoció límites. Pero cuando evaluamos el tiempo de escaneo para este hemisferio, resultó ser de 48 horas. Y no se trata de la cámara. Y ni siquiera en Java. El problema era que la instalación era tan endeble que se tambaleaba después de cada vuelta durante cinco segundos. Tuve que tomar una medida, darme la vuelta y esperar cinco segundos hasta que dejara de balancearse. Y además, la biblioteca de la cámara la encendía y luego apagaba antes de cada toma. Esto tomó entre 1 y 2 segundos. Pero la escuela de verano estaba terminando y no había tiempo para rehacerla: ya era la noche anterior a la fecha límite del proyecto. O mejor dicho, por la mañana. Al día siguiente presentamos nuestro proyecto en un concurso ante un jurado científico y ganamos inesperadamente. Probablemente fue gracias a esta victoria que decidimos continuar nuestro trabajo en este proyecto.

Versión dos

El segundo escáner se ensambla con reglas de plástico, pegamento y cinta adhesiva y se sujeta únicamente con cinta aislante azul. En lugar de una lente hay un tubo de ensayo. Un láser verde brilla sobre este tubo de ensayo. El rayo reflejado crea una franja láser más o menos uniforme en la pantalla. El telémetro está conectado a un solo motor, que lo hace girar en un plano horizontal. El tablero de control fue reemplazado por STM32VLDiscovery. Es solo que conozco mejor STM32 y, además, Atmega se quemó y el programador se perdió hace mucho tiempo. ¡No se ve muy bien, pero funciona! Las vibraciones disminuyeron y la velocidad aumentó en consecuencia. Pero no mucho. Aquí se descubrió un problema muy interesante: el puntero láser chino no se encendió de inmediato, sino que aumentó gradualmente su potencia en el transcurso de un segundo. Así, un segundo para oscilar, un segundo para calentar el láser, un segundo para tomar una fotografía, y son dos. Entonces obtenemos 4 segundos. ¡Pero en una medición encontramos distancias de hasta 720 puntos! El proceso de escaneo se parecía a esto:

Y el resultado es así:

La imagen no parece muy interesante, pero la taza era voluminosa en el programa. Podrías mirarlo desde diferentes ángulos.

¿Cuál es la competencia real? ¡Pero nada! Terminamos de escanear todo a las 4 de la mañana y a las 9 de la mañana en el stand descubrimos que el láser se había quemado. Al final resultó que, mientras lo llevábamos del hotel al stand, le entró lluvia y, cuando lo encendimos, se quemó. Y cuando no funciona, se ve tan mal que cuesta creer las palabras "funcionó hace 5 horas". Estábamos molestos. Las ganas de continuar desaparecieron con el humo del láser. Pero aun así fue recogido...

Tercera versión

Lo primero que llama la atención es que ahora no estamos escaneando el área alrededor del escáner, sino un objeto que gira sobre la plataforma. También conseguimos la lente necesaria, montamos todo correctamente, reescribimos el programa y también reemplazamos la placa de depuración por una casera. Y ahora sólo hacemos una foto por medida. El láser es lo suficientemente potente y la lente es lo suficientemente buena como para ubicar el láser de manera única en una fotografía. Gracias a esto, no esperamos a que el láser se caliente, siempre está encendido. Y ahora encendemos la cámara solo una vez. Es decir, el tiempo se dedica principalmente a rotar la plataforma y procesar la imagen. Se ha agregado al programa un menú para seleccionar la precisión. El tiempo de escaneo es de dos a diez minutos. Dependiendo de la precisión seleccionada. Con la máxima precisión, resulta que la plataforma gira 0,5 grados por paso y la distancia se determina con una precisión de 0,33 mm. La plataforma es accionada por un motor paso a paso a través de una caja de cambios. La plataforma en sí es un disco grande y el rodillo de goma en el eje del motor es pequeño. El motor y el láser fueron controlados por un microcontrolador STM32F050F4 a través de transistores de efecto de campo. Al principio del artículo hay un escaneo del juguete obtenido con este escáner. Dado que el escáner produce una nube de puntos en formato .obj, tras la triangulación podemos imprimir el objeto escaneado en una impresora 3D, como se puede ver en la misma fotografía. En la pantalla podemos ver el modelo tras la triangulación. No se realizó ningún trabajo manual en el modelo.

Ganamos la competencia. Y dio entrada al concurso internacional Intel ISEF. Entonces comenzamos a trabajar en el siguiente escáner.

Cuarta versión

En este momento Este ultima versión escáner que montamos. A modo de comparación, existe una segunda versión en la plataforma. Intentamos abordar el desarrollo del cuarto escáner lo más exhaustivamente posible. La instalación se dibujó en CAD, las piezas se cortaron con láser, se pintó todo y no sobresalió nada innecesario del exterior. Cambios: la plataforma ahora es en realidad un engranaje. Está tallado de plexiglás y en los bordes tiene 652 dientes. Esto resuelve un problema que dañaba gravemente los escaneos en el escáner anterior: el rodillo de goma se deslizaba un poco, razón por la cual la plataforma a menudo no giraba 360 grados. Los escaneos fueron "recortados" o superpuestos. Aquí siempre supimos exactamente cómo giraba la plataforma. La potencia del láser se hizo ajustable mediante software. Gracias a esto, fue posible cambiar la potencia del láser sobre la marcha, evitando la iluminación de piezas innecesarias en condiciones de poca luz. Para controlar toda la electrónica, decidimos no separarnos. nuevo tablero, pero simplemente use el depurador F401RE-Nucleo. Tiene instalado ST-LinkV2.1, que funciona como depurador y adaptador USB->UART.

La precisión fue asombrosa: resolución angular de 0,14 grados. A una distancia de 0,125 mm. La zona de escaneo es un cilindro de 20 cm de altura y 30 cm de diámetro. El precio de todas las piezas y del corte por láser en el momento de su creación (mayo de 2014) era inferior a 4.000 rublos.

Durante el uso, solo lo configuramos con la máxima precisión una vez. La exploración duró entre 15 y 20 minutos. Recibimos casi 2 millones de puntos. La computadora portátil se negó a calcular el modelo a partir de la nube de puntos. El experimento no se repitió.

Conclusión

¡Gracias a todos los que leyeron hasta el final!

ACTUALIZACIÓN:
Un colega encontró un vídeo sobre el funcionamiento del escáner que filmamos en ISEF:

Sí, la mayor parte del vídeo no es interesante, pero al final hay un modelo en una computadora portátil.

Y aquí hay ejemplos de objetos escaneados. Pero todos pertenecen a la tercera versión del escáner.
buzón
En el archivo model.obj se puede ver claramente lo que sucede cuando este rodillo de goma se desliza sobre el motor: el perro tiene tres ojos. El escaneo se detuvo, lo que provocó un corte. Todos los archivos son nubes de puntos. Puedes abrirlo usando MeshLab. Los modelos no fueron elaborados a mano. Datos completamente crudos. Desde arriba se pueden ver “puntos blancos”, áreas sin puntos. La cámara no los ve. También se pueden ver manchas blancas en otros lugares. Aparecen en áreas demasiado oscuras o cuando las superficies se superponen. Por ejemplo, en el archivo stn_10.obj, los cuernos de la cabra se superponen, razón por la cual no se escaneó la superficie interior de los cuernos.