Laser-ympäristömallinnus

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli skannata ja luoda 3D-malli ympäröivästä maastosta. Työ tehtiin erään yrityksen tarpeeseen. Tässä tutkielmassa käytettiin 2D-laserskanneria ja IMU-anturia, joita testattiin käytännössä ja tutustuttiin niiden toimintaan liittyvään teoriaan. Tavoitteena oli toteuttaa 3D-maastomallinnus edullisten ja erillisien anturien yhdistelmällä. Työn haasteena oli luoda mahdollisimman tarkka 3D-malli ympäröivästä maastosta.

Työ tehtiin ohjelmoimalla käyttäen C++ -ohjelmointikieltä Windows-ympäristössä. 2D-laserskannerin lähettämästä datavirrasta eroteltiin tarvittavat luvut ja tiedot sopiviin muuttujiin tiedon jatkokäsittelyä ja laskentaa varten. Työssä tehtiin mittausalgoritmi, jonka tehtävänä oli ohjeistaa käyttäjää onnistuneeseen 3D-skannaus-mittaustulokseen. Työn lopuksi saatiin piirrettyä työssä tehdyllä 3D-skannausohjelmistolla onnistuneesti 2D-syvyyskuva skannatusta huoneistosta.

3D-mallin skannausresoluutiota rajoittavia tekijöitä ovat IMU-anturin mittaamien pystykallistuskulmien tarkkuus, sekä 2D-laserskannerin vaakaskannaustarkkuus. Suhteellisen luotettavaksi IMU-anturin pystykallistuskulmatarkkuudeksi saatiin testattua noin 0,3-astetta, mikä sopi tähän työhön mainiosti, koska työssä käytetyn 2D-laserskannerin vaakatarkkuus oli myös noin 0,3-astetta. Työn alussa oli ajatus siitä, että 2D-laserskanneri olisi ollut hyvä asentaa työkoneen puomiin, koska silloin skannaus voitaisiin tehdä puomia kääntämällä. Työn edetessä tämä ajatus alkoi vaikuttaa huonolta ratkaisulta, koska työkoneen puomia voi olla vaikeata kääntää tarvittavan hitaasti ja tasaisesti. 2D-laserskannerin hitaaseen ja tasaiseen kääntämiseen voisi olla parempi käyttää askelmoottoria. Tätä työtä voitaisiin jatkokehittää niin, että skannatuista 3D-vektoreista tehtäisiin 3D-malli, jota voitaisiin tutkia ja pyöritellä tietokoneella. Lisäksi näitä paikallaan tehtyjä 3D-skannauksia tehtäisiin enemmän ja yhdistettäisiin useammat 3D-mallit isommaksi 3D-skannauskokonaisuudeksi.

The main goal of this thesis was to scan and make a 3D model from a surrounding environment. The project was made for one company and to their need. There was used a 2D laser scanner and an IMU during this work. The sensors were tested in practice and the theory behind them was researched. The aim for the project was to make a 3D environment model by using a few discrete and affordable sensors. The challenge of the project was to scan the environment to make a 3D-model that is as accurate as possible.

All code for this thesis was made in C++ programming language on the Windows platform. A data stream sent by the 2D laser scanner was parsed into separate variables in the code. A scanning algorithm was programmed that assists user to achieve a successful 3D scan by tilting the 2D laser scanner manually. In the end of the project a 2D depth picture was created from a scanned 3D model using the program that was made during the thesis.

There are few things that limits the final scanning resolution. One thing is the precision of the IMU and the other thing is the resolution of the 2D laser scanner. The resolution of the IMU that was tested to be stable and reliable was around 0,2 to 0,3 degrees. This was good enough for this project because the best resolution that is available on the 2D laser scanner is about 0,33 degrees. At the start of the project there was assumption that a best place for the attachment of the 2D laser scanner would be on the boom of the excavator. The idea was to use this boom to rotate the 2D laser scanner without the need for an additional components and/or parts. This idea turned to be a bad idea because the boom of the excavator rotated too quickly. In order to make a successful scan at such a fine resolution the scanner needs to be rotated at slower speed to achieve more tolerable results. That is why a stepper motor could be a better choice for tilting the 2D laser scanner. This project can be improved so that the already scanned 3D vectors, which are used to draw a 2D depth image, are built into some 3D model format which can be opened and viewed in a 3D modelling program. In addition some multiple stationary 3D scans could be made and merged together to form a larger 3D model of an environment or an area.