用于数字孪生技术的三维扫描传感器
研究背景 ? ? ? ?数字孪生可以看作是真实的物理世界中的物体在虚拟的数字世界中的复制品，它可以用于产品的计算、设计、仿真等过程，节约实验成本，缩短设计周期。对于将现实世界中的物品复刻进虚拟世界这一过程，通常使用三维扫描技术获得物品的点云并在虚拟世界进行重建。目前，大量研究基于计算机视觉获取点云，这种方案对物体表面没有损伤，但其精度受到周围光学环境的影响很大，且对于被扫描物品的透明度、反射强度、表面粗糙度、颜色等属性都有所限制。另一种方案是接触式扫描，在接触式扫描系统中，探针按照规划的路径运动，并在每一个规划的点位向下移动直到接收到接触信号。系统记录下探针所在的三维位置坐标，并对收集到的点云进行数据处理。这种扫描仪精度较高，受环境影响较小，样品的透明度、反射强度、表面粗糙度、颜色等属性也不会影响扫描的精度。然而，基于常用的压阻式和压电式传感器的结构和原理，接触式三维扫描仪可能会损坏被测物品的表面。基于此，我们在接触式扫描系统中使用高灵敏度的传感器以同时实现高精度和低损伤的目标。 ? ? ? 最近，基于接触带电和静电感应的摩擦纳米发电机(TENG)在传感领域得到广泛应用。与其他可以检测接触动作的传感器相比，基于TENG的传感器具有电压输出大、分辨率高的特点。此外，其输出信号与输入的机械运动具有很高的线性相关性，这使数据的后处理具备可行性。在扫描操作过程中，电信号的传输会受到周围电磁场的影响，这将导致收集的电信号与真实电信号之间存在差异。通过后处理系统减少这一误差可以使扫描结果更接近真实情况，进一步提高准确度。 文章概述 ? ? ? ?本文设计了基于滑移式TENG传感器的、具有良好线性度的三维扫描传感器，搭配自适应的、可识别和补偿由周围环境引起的噪声和基线漂移误差的后处理系统，组成了高输出、高分辨率、低损伤的三维扫描系统。在文章中，首先建立扫描样品的CAD模型，使用3D打印机制造扫描样品，通过对样品的扫描和对点云的后处理，得到该样品的修正点云模型，将点云模型重建为CAD模型，与原始CAD模型进行比对分析与评估，并将其打印与扫描样品进行对比。结果表明，后处理系统将点云采集的准确率提高了30%左右。该工作为3D扫描提供了新的策略，有助于推动数字孪生技术的发展，其中使用的数据补偿策略也可以广泛地应用于传感器使用场景，改善数据采集过程。该成果以“Highly Sensitive Three-dimensional Scanning Triboelectric Sensor for Digital Twin Applications”为题发表在Nano Energy上。 图文导读 图1.基于滑移式摩擦纳米发电机的三维扫描系统的工作原理。 (a)数字孪生技术示意图。(b)三维扫描方案示意图。(c)三维扫描系统的硬件结构设计。(d)三维扫描系统的电气系统和数据处理流程图。 图2. 四种压力传感器性能对比。 (a)压电陶瓷传感器。(b)压阻传感器。(c)接触-分离式摩擦纳米发电机传感器。(d)滑移式摩擦纳米发电机传感器。 图3. 基线漂移的后处理和数据补偿策略示意图。 (a)滑移式摩擦纳米发电机传感器在理想状态和实际状态下的工作情况。(b)在理想状态和实际状态下的电压数据输出(c)对于每一个波峰的起始点和终止点进行插值。(d)计算每个峰值点对应的基线漂移数值。 图4. 三维扫描和重建的实验结果。 (a)实验平台的搭建。(b)扫描得到的初始点云和经过后处理的点云。(c)扫描结果评估流程图。(d)原始样本模型和三维重建的模型对比。 结论 ? ? ? 综上所述，本文提出了一种基于滑移式TENG传感器的三维扫描系统。滑移式TENG传感器低损伤、高输出的优异性能，其搭配的自适应后处理系统极大地提高了整个系统的精度。以鼠标样本为例，将扫描系统采集的样本点云与原始数字模型进行比较，经过后处理，平均误差降低了30.23%，标准差降低了30.30%。对于不规则的噪声和基线漂移，本文提出的后处理方案效果良好，未来也可以用于纠正其他传感器的信号误差，特别是对于那些难以建立物理模型或机器学习模型的场景。为达到更高的精度，未来可以使用更高精度的电机、更稳定的机械结构、更合理的装配工艺、更小的步进距离。为了获得更好的理论分辨率，可以选择导程较小的丝杠和分辨率较高的电机。通过设计更多网格划分方案，针对不同边缘场景进行匹配组合，可以对复杂形状的物品进行更准确的采样，进一步提高扫描精度。该工作为三维扫描提供了新的解决方案，为解决传感器数据采集过程中的零线漂移和环境噪音问题提供了参考，有助于推动数字孪生技术的发展。 编辑：Wei 审核：暮小洋
