การเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์สแกนเนอร์ที่ใช้สร้างพื้นผิววัตถุสำหรับติดตั้งบนเรือ

Abstract

งานวิจัยนี้นำเสนอการเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์สแกนเนอร์ที่ใช้สร้างพื้นผิววัตถุแบบสามมิติสำหรับติดตั้งบนเรือ เนื่องจากเลเซอร์สแกนเนอร์นั้นให้ข้อมูลระยะทางตามแนวแกนรัศมีในระนาบเดียว เพื่อให้ได้ข้อมูลของกลุ่มจุดในแบบสามมิติจึงได้ทำการออกแบบและพัฒนาระบบการสแกนภาพในระนาบแนวตั้ง ที่สามารถปรับองศาการก้ม-เงย ด้วยระบบกลไกการเชื่อมต่อแบบสี่ก้านโยง ที่ขับด้วยมอเตอร์ตัวที่หนึ่ง พร้อมกับระบบรักษาระนาบการเอียงซ้าย-ขวา ของข้อมูลกลุ่มจุดที่วัดได้ โดยใช้เซนเซอร์วัดมุมเอียงในการส่งค่าป้อนกลับไปควบคุมมอเตอร์ตัวที่สองให้หมุนปรับแก้องศา การคำนวณและการทดสอบแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่ 1) การคำนวณหาแรงบิดมอเตอร์ทั้งสองตัวที่จำเป็น สำหรับระบบกลไกการเชื่อมต่อแบบสี่ก้านโยงและระบบรักษาระนาบการเอียงซ้าย-ขวา จากแบบจาลองทางคณิตศาสตร์ ด้วยโปรแกรม MATLAB/Simulink 2) การควบคุมแบบป้อนไปข้างหน้าที่ใช้คำสั่งจากองศาการก้ม-เงย สำหรับระบบกลไกการเชื่อมต่อแบบสี่ก้านโยง และการควบคุมแบบพีไอดีที่ป้อนกลับด้วยองศาการกลิ้งสำหรับระบบรักษาระนาบการเอียงซ้าย-ขวา 3) การวัดระยะทางของกลุ่มจุดในสามมิติจากข้อมูลที่วัดได้จากเลเซอร์สแกนเนอร์ กลไกการเชื่อมต่อแบบสี่ก้านโยงสามารถปรับให้เลเซอร์สแกนเนอร์มีองศาการหมุนแบบก้ม-เงย ในช่วง ±16.5 องศา ตามที่ออกแบบไว้ ระบบควบคุมป้อนไปข้างหน้านั้นมีความเร็วรอบคงที่ 13.2 องศา/วินาที ส่วนระบบควบคุมพีไอดีสามารถหมุนปรับแก้องศาการเอียงซ้าย-ขวาของเลเซอร์สแกนเนอร์ อยู่ในช่วงที่น้อยกว่า ±60 องศา ด้วยความเร็วรอบ 22.5 องศา/วินาที และการทดสอบความแม่นยาการสร้างพื้นผิวของข้อมูลกลุ่มจุดในสามมิติ มีค่าความผิดพลาด อยู่ในช่วง ±7 เซนติเมตร หรือ ±2%

This research presents an enhancement of laser scanner performance for 3D surface reconstruction for installation on a boat. Because laser scanner provides only radial distances on the horizontal plane. To obtain three-dimensional point-cloud data, vertical surface scanning system was designed and developed such that a pitch-angle of laser scanner can be adjusted using a fourbar linkage mechanism, driven by the first motor. As well as a roll-stabilizing system of laserscanner point-cloud data with a roll-angle feedback from IMU can be controlled by the second motor. As a result, point-cloud data is constrained on the horizontal plane. Experimental tests are divided into three parts: 1) two-motor torque requirement calculations for the four-bar linkage mechanism and roll-stabilization systems using a mathematical model in MATLAB/Simulink, 2) a feed-forward control using the pitch-angle as a command for the four-bar linkage mechanism system and a PID control using the roll-angle as a feedback command for the roll-stabilization system, 3) 3D point-cloud distance measurement from the laser scanner. The four-bar linkage mechanism can adjust the pitch-angle of the laser scanner within ±16.5 degree range, as designed. The feed-forward control system can maintain a constant angular velocity at 13.2 degree /second. The PID control system can correct the roll-angle of the laser scanner within smaller ±60 degree range with response of 22.5 degree /second. Accuracy test of 3D point-cloud surface reconstruction has distance error of reconstructed surface within ±7 centimeter or ±2%.