便携式三维扫描仪电磁跟踪系统的硬件设计

　　0 引 言

　　便携式三维激光扫描仪作为新的高科技产品，在文物保护、城市建筑测量、医疗设备等领域里有广泛应用。而作为便携式三维扫描仪的定位系统是整个仪器的核心，它的精度直接影响整个仪器的测量精度。目前常用的位置跟踪定位器按照定位实现手段可以分为五大类：机械跟踪技术、电磁跟踪技术、光学跟踪技术、声纳跟踪技术、和惯性位置跟踪技术[ 1 ]。就便携式三维扫描仪来说，由于受仪器大小、重量和携带方便等因素影响，选择电磁式跟踪技术比较容易实现。它工作范围适中，感应器尺寸可非小，允许固定在便携式三维扫描仪的扫描臂上，精确适中，且具有不受遮挡影响的优点。

　　1 系统设计

　　系统主要是由发射单元、接收单元、D S P 单元和计算机四部分构成，如图1 所示。

　　发射单元主要功能是产生系统所需要的信号源，然后用发射器产生磁场;接收单元主要功能是将接收到的磁信号转换为电信号并通过放大、滤波、变换处理，变为系统需要的直流电压信号;DSP 单元主要功能是采集数据并进行前期数据处理，然后通过串口送往计算机;计算机主要功能是实现跟踪定位算法和三维重建并输出结果。

　　2 各部分电路设计方案

　　2.1 发射电路

　　发射电路包括信号发生电路，功放电路和发射线圈三部分构成，由信号发生电路产生9.6kHz 的正弦信号，根据时分制电磁定位系统原理，DS P 控制的模拟开关分时分别向三个线圈(即X、Y、Z 线圈)依次送电，再通过功放电路驱动发射线圈工作，这样三个线圈不会同时产生磁场，在任意时间只有一个线圈工作，如图2 所示。

　　(1 )发射线圈设计：在发射部分中，发射线圈是产生电磁场的主要元件，其结构设计直接影响到系统的精度以及发射器的使用寿命，因此设计出符合系统特点的发射器是一个关键问题。在进行线圈组的设计时主要考虑三个问题，一是发射尽可能大的磁场;二是实现三个方向轴的共心，三是线圈的面积大小[ 2 ]。在选择线圈结构时，立方体芯线圈与单根铁芯线圈和环状芯线圈相比，可以做到精确共心，所以本设计系统选择立方体芯以减小误差。立方体芯如图3 所示。

　　(2 )信号发生电路设计：信号发生电路主要由如图4所示的晶振部分、分频部分和波形变换部分组成。

　　根据系统要求，信号发生电路产生正弦信号应该具有精度高、频率稳定、最大幅值变化小等特点。再根据国内外的研究成果可知[3]，发射频率为7～14kHz 之间的信号相对比较理想。综上因素再结合便携式三维扫描定位要求，本设计采用晶振TCO-711A产生12M 的信号，经过两片计数器74LS390 分频之后，由开关电容滤波器将方波信号转换为正弦信号，最终得到9.6kHz 的正弦信号，然后送往功率放大电路部分，以匹配的功率驱动发射线圈产生空间磁场。