Projekt 08: NXT 3D Laser Scanner

Einführung

In diesem Artikel wird der Aufbau und die Programmierung eines Lego NXT 3D Laser Scanners erklärt. Das Projekt wurde von Christoph Dörner und Michael Deitel, an der HSHL im WS 2013/2014 im Zeitraum vom 23.September 2013 bis 13.Januar 2014, im Rahmen des Elektrotechnischen Fachpraktikums erarbeitet.

Aufgabenstellung

Das Ziel des Elektrotechnischen Fachpraktikums war es unter anderem die im Laufe des Studiums erlangten Erkenntnisse zum Erstellen eines eigenen mechatronischen Systems anzuwenden und zu erweitern. Als Projekt haben wir uns den Bau und die Programmierung eines 3D-Laserscanners ausgesucht welches wir mit Hilfe von Lego NXT Mindstorms und Matlab umsetzten.

Die drei folgenden Komponenten sind die wesentlichen Bestandteile unseres Aufbaus. Zu einem gibt es einen Laser und eine Webcam, mit dieser soll das Objekt aufgenommen werden. Des Weiteren gibt es den NXT-Block und einen NXT-Motor. Auf dem Block ist das Programm gespeichert welches den Motor ansteuert und das zu Scannende Objekt dreht. Auch soll die entsprechende Software aus der Aufnahme vom Objekt ein 3D-Modell am PC erzeugen, welches dann auch von allen Seiten betrachtet werden kann.

Projektplanung

Von der Themen Auswahl bis hin zur Vorstellung umfasst das Projekt rund vier Monate. Angefangen haben wir mit der Recherche und Vorbereitung in der wir uns ähnliche Projekte, die sich mit 3D-Laserscans befassen, angesehen haben. Dieser Schritt war sehr wichtig um unseren nächsten Schritt und zwar die Erarbeitung eines Konzepts angehen zu können. Da es mehrere Möglichkeiten gibt mit einem Laser und einer Kamera einen 3D-Scan durchzuführen, haben wir mehrere Konzepte entwickelt und uns dann für das benutzerfreundlichste festgelegt, welches dann auch einfacher für andere zum Nachvollziehen und selber machen ist. Einige der von uns als interessant befundenen Konzepte sind unter folgenden Links zu finden:

http://www.philohome.com/scan3dlaser/scan3dlaser.htm

http://www.david-3d.com/?section=Downloads

http://www.youtube.com/watch?v=C_wdYqCvL_4

Um unser Konzept zu realisieren haben wir ermittelt welche Materialien schon vorhanden sind und uns von der Hochschule zur Verfügung gestellt werden können und was wir anschaffen müssen. Hierbei war es wichtig das Budget von 20€ nicht zu überschreiten. Als wir unser Konzept festgelegt hatten, haben wir uns eine BOM (Bill of Material) erstellt und diese mit den für uns zur Verfügung stehenden Materialien abgeglichen. Dies sind die Folgenden Materialien die wir benötigten um unser Konzept realisieren zu können:

• Lego NXT Mindstorms Baukasten

• PC mit Matlab

• Webcam (Logitec)

• Punktlaser, 650nm, 5mW, laser class 3R, 2.7-3.3, nominal 3V DC, 7x14mm

• Linien-Linse 90°

Zu unserem Glück waren alle Materialien schon vorhanden weshalb die Kosten für uns bei 0€ lagen. Da wir nun nicht auf eine Lieferzeit angewiesen waren, hatten wir etwas Zeit um unser Konzept zusammenzubauen und zu Optimieren. Auf das endgültige Konzept, so wie die Umsetzung der Hard- und Software gehen wir dann in den entsprechenden Kapiteln noch ein. Später als wir unsere Hardware und Software zusammengeführt haben traten noch einige Probleme auf welche wir in der abschließenden Test- und Optimierungsphase ausmerzten. Zu weiteren Optimierungen zu denen wir nicht mehr gekommen sind möchten wir nochmal in dem Kapitel Ausblick daraufhinweisen. Parallel zum Projekt haben wir unsere aufgetretenen Probleme und Fortschritte dokumentiert, um einen nahezu reibungslosen und termingerechten Ablauf des Projekts zu gewährleisten.

Umsetzung der Hardware

Die Hardware besteht aus einem Rahmen an dem der NXT-Block hängt und an dem auch die anderen Komponenten befestigt sind. Neben dem NXT-Block, auf dem die Programmierung für den NXT-Motor ist der das zu scannende Objekt dreht, befindet sich in dem Rahmen die Webcam welche das Objekt abfilmt. Neben der Kamera auf dem Rahmen befindet sich der Laser welche ein Punktlaser der Laserklasse 3R ist, der mit 3V Gleichstrom angesteuert wird. Dieser erzeugt mit einer Wellenlänge von 650nm einen roten Laserpunkt und hat eine Optische Leistung von 5mW. Den Strom bekommt er von einem 3V Batterie-pack welches man über einen Schalter an und aus schalten kann. Da wir für unser Konzept ein Linien-Laser benötigen würde unser Laser mit einer 90° Linse modifiziert umso aus dem Punkt eine Linie zu erzeugen. Eine Logitech 5MP C310 Webcam dient zur Filmaufnahme. Damit die Filmdatei ausgewertet werden kann, muss die Kamera gerade auf das zu scannende Objekt stehen und der Laser muss in einem bestimmten Winkel zur Kamera eine Linie auf das Objekt projizieren. Zuletzt haben wir ein Stück Filz auf die Lego Fläche, für das zu scannende Objekt, geklebt damit es beim Drehen nicht verrutscht oder gar runter fällt.