Skaner 3D przy użyciu ultradźwiękowego czujnika odległości

Bejro · Styczeń 29, 2019

Witam,

Chciałbym przedstawić mój projekt, którym jest skaner 3D. Niestety jego dokładność nie pozwala na skanowanie obiektów w celu tworzenia modeli, ale można przy jego pomocy stworzyć poglądową mapę głębokości otoczenia. Skaner ten powstał głównie w celu sprawdzenia możliwości aktywnej komunikacji z Arduino z Komputerem przy użyciu Pythona.

Zasada działania

Skaner ten jest obsługiwany przez urządzenie zewnętrzne które łączy się z Arduino Uno za pośrednictwem USB. Składa się on z sensora ultradźwiękowego, który porusza się w dwóch osiach za pomocą serwomechanizmów - dokładnie tych. Całość jest zamocowana na czworonożnej ramie która została wydrukowana w 3D. Działanie Arduino podlega sterowaniu zewnętrznemu, a samo ma zdefiniowane jedynie podstawowe funkcje które są wywoływane za pośrednictwem komunikacji przez UART. Funkcje zawarte w Arduino dotyczą obrotu czujnika w dwóch osiach oraz wykonania pomiaru odległości i zwrócenia wyniku na połączenie szeregowe. Jak już wspomniano wcześniej, od strony komputera komunikacja realizowana jest za pomocą języka Python. Komputer wysyła polecenia dotyczące wykonania ruchu w danej osi oraz zwrotu informacji o mierzonej odległości. Niestety z powodu długiego czasu trwania pomiaru, wrażliwości sensora na wibracje, oraz wykonywaniu za każdym razem kilku pomiarów w celu minimalizacji błędów, mapowanie dużego obszaru z dużą rozdzielczością potrafi zajmować nawet kilkanaście minut - maksymalna rozdzielczość wynosi 180x180 co daje 32400 pomiarów.

Arduino

Kod Ardunio jest dość prosty i krótki, funkcje ograniczają się, zgodnie z tym co napisano powyżej, do obsługi serw oraz wykonywaniu pomiarów. W tym przypadku wykonywane są 3 pomiary a na linię portu szeregowego wysyłana jest wartość uśredniona.

#include <Servo.h>
#include <Wire.h> 
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
long duration;
int distance1;
int distance2;
int distance3;
String in = "1";
#define LED 13
int pos=105;
int pos1=50;
int th=1.5;
int inn;

Servo x;
Servo y;

void setup() {

Serial.setTimeout(100);

pinMode(LED, OUTPUT);                   
digitalWrite (LED, LOW);    

x.attach(3);
y.attach(6);

x.write(pos);
y.write(pos1);

pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  x.write(pos);
  y.write(pos1);
if (Serial.available()){ 
  delay(10);
if (Serial.available()>0) {
  
  in = Serial.read();
 // Serial.write(in);
 inn = in.toInt();
}

if (inn==1){
  measure();
  Serial.println((distance1+distance2+distance3)/3);
 
  }
  
  if (inn==2){
  pos++;
  }
  
  if (inn==3){
  pos--;
  }
  
  if (inn==4){
  pos1++;
  }
  
  if (inn==5){
  pos1--;
  }

  if (inn>10 and inn<105){
  pos = inn;
  
  }

  if (inn>105){
  pos1 = inn-105;
  
  }
  
}
}


void measure(){
  
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance3= duration*0.034/2;
if (distance3 > 79)
distance3 = 80;


delayMicroseconds(1000);

digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance2= duration*0.034/2;
if (distance2 > 79)
distance2 = 80;


delayMicroseconds(1000);

digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance1= duration*0.034/2;
if (distance1 > 79)
distance1 = 80;


//Serial.print("bare average=");Serial.println((distance1+distance2+distance3)/3);

if ((distance1 > (distance2+distance3)/2 + th) or (distance1 < (distance2+distance3)/2 - th)){
  distance1=(distance2+distance3)/2;
}else if((distance2 > (distance1+distance3)/2 + th) or (distance2 < (distance1+distance3)/2 - th)){
  distance2=(distance1+distance3)/2;
}else if((distance3 > (distance1+distance2)/2 + th) or (distance3 < (distance1+distance2)/2 - th)){
  distance3=(distance1+distance2)/2;
}

return distance1, distance2, distance3;

Gdy Arduino odbierze wiadomość '1' wykona pomiar i zwróci jego wartość, gdy otrzyma wartość wyższą, wykona odpowiedni ruch wybranym serwem. Wartości większe niż 10 służą do ustawienia pozycji początkowej, i mogą umieścić czujnik jedynie w jednej ćwiartce pola roboczego.

Python

Działanie funkcji sterujących jest bardziej rozbudowane. Główny skrypt ma następującą postać.

import sys
import os
import sonarLib as sn
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import smooth
import index


sn.resolution(index.y,index.x)

sn.step(index.s)

sn.smth(index.sm)

sn.get()


for i in range(sn.smoothness):
    smooth.exe(sn.r,3)
sn.r = np.flip(sn.r,1)
plt.imsave('img.png',sn.r,cmap='gray')
os.system('show.py')

Na początku wyświetlane jest prymitywne GUI - index.py stworzone przy pomocy matplotlib.pyplot.

Wybrane parametry pracy są określane i przy pomocy sn.get() inicjowane są wszystkie skrypty służące do wykonania pomiarów i przetworzenia danych w macierz. Gdy długotrwały proces dobiegnie końca, obraz jest delikatnie wygładzany w celu usunięcia pikseli których wartości nie pasują do otoczenia. Częste było również występowanie artefaktów w postaci poziomych linii o dość jednolitych wartościach. Jak poniżej. (To jakiś wysoki wąski przedmiot na biurku.)

Jest to "surowe" zdjęcie przed filtracją. Po filtracji zdjęcie jest wyświetlane w GUI które umożliwia na interaktywny dobór progu w celu wybrania pikseli znajdujących się bliżej niż zadana wartość. Jeśli ktoś jest ciekawy działania całego programu, to zamieszczam go tutaj:

Skaner3D.rar

Ostrzegam jednak, że może on być prymitywny i miejscami chaotyczny .

Działanie

Poniżej jedno z najlepszych "ujęć" razem z widokiem z aparatu z tej samej perspektywy. (Nie miałem oryginalnego pliku i jest to ss wykonany telefonem.)

To chyba już wszystko co można w skrócie powiedzieć o tym projekcie. Mam nadzieje, że może się podobać. Gdybym miał coś w nim poprawić, na pewno zmieniłbym rodzaj czujnika na IR oraz spróbował upłynnić ruchy napędów. Poniżej jeszcze zdjęcie całego skanera od góry.

Pozdrawiam, i czekam na pytania i porady.

Edytowano Styczeń 29, 2019 przez Treker
Poprawiłem formatowanie.

Treker · Styczeń 29, 2019

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum