กลไกการเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์สแกนเนอร์ที่ใช้สร้างพื้นผิวในสามมิติ Performance Enhancement Mechanism of Laser Scanner for 3D Surface Reconstruction

Main Article Content

ธนพงษ์ อุสุพันธ์
ปรัชญา เปรมปราณีรัชต์

Abstract

บทคัดย่อ


            บทความนี้นำเสนอกลไกการเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์สแกนเนอร์ที่ใช้สร้างพื้นผิวในสามมิติ ในการออกแบบและพัฒนาระบบชุดกลไกการสแกนพื้นผิวสามมิติ พร้อมกับระบบควบคุมรักษาระนาบการเอียงซ้าย-ขวา และควบคุมความเร็วในการก้ม-เงยอย่างสม่ำเสมอ จะถูกนำไปใช้ในการวัด/เก็บข้อมูลที่วัดได้จากเลเซอร์สแกนเนอร์ที่สามารถนำไปติดตั้งไว้บนเรือ ฉะนั้นการวัดตำแหน่งของวัตถุและลักษณะกายภาพของวัตถุจากข้อมูลกลุ่มจุดของเลเซอร์จะมีความถูกต้องและแม่นยำขึ้น ในขั้นตอนการออกแบบได้ทำการทดสอบระบบกลไกด้วยแบบจำลองทางจลศาสตร์ เพื่อคำนวณหาความยาวของแต่ละก้านโยงสำหรับกลไกการเชื่อมต่อแบบสี่ก้านโยง (four-bar linkage mechanism) เพื่อให้ได้มุมก้ม-เงย (pitch angle) ของเลเซอร์สแกนเนอร์ รอบแกน y ในช่วง ±16.5° และ แบบจำลองทางพลศาสตร์จะใช้ช่วยคำนวณหาแรงบิดสูงสุดของมอเตอร์ในแต่ละแกนที่เหมาะสม ในขั้นที่สองจึงพัฒนาระบบควบคุมสองแบบด้วย Arduino ไมโครคอนโทรเลอร์ 1) เพื่อช่วยรักษาเลเซอร์สแกนเนอร์ให้อยู่ในระนาบแนวนอน โดยใช้ระบบควบคุมแบบพีไอดีสำหรับควบคุมมอเตอร์ดีซีตัวบน โดยใช้เอนโค้ดเดอร์ในการป้อนกลับองศาการกลิ้ง (roll angle) รอบแกน x ที่ชี้ไปทางด้านหน้าของหัวเรือ 2) เพื่อให้ได้พื้นผิวข้อมูลกลุ่มจุดของเลเซอร์สแกนเนอร์ในแนวตั้งอย่างสม่ำเสมอจากการเคลื่อนที่แบบก้ม-เงย ของกลไกแบบสี่ก้านโยงที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ดีซีตัวล่าง ด้วยระบบควบคุมแบบป้อนไปข้างหน้าที่ใช้องศาก้ม-เงยจากเซนเซอร์วัดมุมเอียง ซึ่งจะช่วยชดเชยแรงโน้มถ่วงของโลก ในส่วนที่สามจะเป็นสร้างพื้นผิวในสามมิติจากข้อมูลกลุ่มจุดที่วัดได้จากเลเซอร์สแกนเนอร์ในแนวรัศมี ซึ่งจะทำการประมวลผลในรูปแบบพื้นผิวแบบกลุ่มจุดสามมิติในระบบพิกัดคาร์ทีเซียน แล้ววิเคราะห์ค่าความแม่นยำของพื้นผิวที่สร้างขึ้นโดยพิจารณาจากระยะทางในแนวนอนทางสถิตินั้นมีค่าอยู่ในช่วง ±7 เซนติเมตร และ มีค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานที่น้อยกว่า 2.2 เซนติเมตร


 


คำสำคัญ: เลเซอร์สแกนเนอร์ กลไกการเชื่อมต่อแบบสี่ก้านโยง ระบบควบคุมแบบพีไอดี


             ระบบควบคุมแบบป้อนไปข้างหน้า พื้นผิวแบบกลุ่มจุดสามมิติ


 


Abstract


This research paper presents a performance enhancement mechanism of laser scanner for three-dimensional (3D) surface reconstruction. Design and development of a 3D vertical surface-scanning mechanism along with control systems for roll-motion stabilization and periodic pitch speed is used for measuring/colleting laser-scanner point cloud data, which can be installed on a surface vessel. As a result, accuracy and precision of object’s position and physical characteristics measurement from laser cloud points can be improved. In a designing phase, testing with kinematics and dynamics models helps computing for link’s length of a four-bar linkage mechanism such that a pitch angle of ± 16.5° around y-axis for the laser scanner is obtained. Derived dynamic model of this mechanism assists in calculating proper maximum torque of motors for each axis. In the second phase, two control systems are developed within Arduino microcontroller 1) for laser-scanner roll-motion stabilizing using a PID control system with the top DC motor’s encoder feedback, and 2) for reconstructing a smooth vertical surface from laser cloud points during a pitching motion of the four-bar linkage mechanism, driven by bottom DC motor, using a feed-forward control system with the pitching angle from Inertial Measurement Unit for a gravity compensation. In the third phase, the 3D vertical reconstructed surface from laser cloud points, measured along a radial direction, is processed as a 3D point-cloud surface in a Cartesian coordinate system. A statistically analysis of reconstructed surface precision along the horizontal direction is within ±7 centimeter with a standard deviation less than 2.2 centimeter.


 


Keywords: laser scanner, four-bar linkage mechanism, PID control system,


                feed-forward control system, 3D point-cloud surface

Article Details

Section
Articles

References

[1] P. Prempraneerach, M. Janthong, K.
Phothongkum, C. Choosui, S. Timpitak. Hydrographical survey using point cloud data from laser scanner and echo sounder. In 13th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). 2016;pp. 1-6.
[2] Thomas J. Pastore and A.N. Patrikalakis. Laser Scanners for Autonomous Surface Vessels in Harbor Protection: Analysis and Experimental Results. International Waterside Security Conference. 2010; pp. 1-6.
[3] A. Battistel, F. Lizarralde, L. Hsu. Inertially stabilized platforms using dual-axis gyros: sensitivity analysis to unmodeled motion and an extension to visual tracking. American Control Conference. 2012; pp. 1-8.
[4] L. Hongkai, H. Guojian, Y. Haichen, Z. Yan and W. Wei. Fast 3D Scene Segmentation and Classification with Sequential 2D Laser Scanning Data in Urban Environments. 2016 35th Chinese Control Conference (CCC). 2016; pp. 5446-5450.
[5] Hamilton H. Mabie and Charles F.
Reinholtz. Mechanisms and Dynamics of Machinery, 4nd edition, ISBN: 13978-0-471-80237-2. United States: John Wiley & Sons, Inc. 1987.
[6] Wasan Leelatanaroek, Pradya Prempraneerach. Study and Design of Radio-control Flapping-wing Robot. Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Thanyaburi; 2014.
[7] Reza N. Jazar. Theory of Applied Robotics: Kinematics, Dynamics, and Control, Second Edition. New York: Springer Science+Business Media, LLC 2006; 2010.
[8] Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco,
Luigi Villani, Giuseppe Oriolo. Robotics : Modelling, Planning and Control. United Kingdom: Springer-Verlag London Limited; 2009.
[9] Pitakwatchara P. Fundamentals of Robotics : Kinematics of Serial Manipulators. Bangkok, Thailand : Chulalongkorn University Press; 2014. (in Thai)
[10] Pololu [Internet]. MinIMU-9 [modified 2016 October 15]. Available from: https://www.pololu.com/product/1264
[11] Arduino [Internet]. Arduino DUE [modified 2016 October 16]. Available from: https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoDue
[12] Autonomoustuff [Internet]. UXM-30LXH-EWA [modified 2016 October 20]. Available from: https://www.autonomoustuff.com/wp-content/uploads/2016/07/UXM-30LXH-EWA.pdf
[13] Sangtawan [Internet]. Gear Motor DC SMG016 [modified 2016 October 25]. Available from: http://www. sangtawan.org/product_detail.asp?product_id=959&lng=th
[14] Sangtawan [Internet]. Gear Motor DC SMG033 [modified 2016 October 25]. Available from: http://www. sangtawan.org/product_detail.asp?product_id=261&lng=t
[15] Wikipedia [Internet]. PID Control System [modified 2014 October 25]. Available from: https://th.wikipedia.org/wiki/ระบบควบคุมพีไอดี
[16] Boonkrong W. Pinciple of Simulink in MATLAB. Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Srinakharinwirot University; 2004. (in Thai)