（光学工程专业论文）激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制.pdf

中文摘要 本文从三维数字化技术出发，在全面了解和分析三维人体扫描系统国内外研 究现状的基础上，根据系统的使用要求，以运动控制理论及图像采集理论为依据， 设计并实现了激光三维人体扫描的控制系统及图像采集系统，并利用设计的系统 进行了现场实验，得到了预期的实验结果，验证了所设计系统的正确性。主要工 作及创新点如下： 1 设计了由计算机运动控制器驱动器电机组成的激光三维人体扫描的控 制系统，并实现了相互独立的多轴扫描系统的同步控制，达到了系统的使用要求。 2 设计了激光三维人体扫描的图像采集系统。采用了软件的方法进行控制， 实现了八个摄像机的同步采集图像，达到了系统使用要求。 3 将激光三维人体扫描的控制系统与图像采集系统相匹配，完成运动扫描 与图像采集的同步，编制了控制系统软件，实现了扫描运动与图像采集的统一控 制。 4 设计制作了电气系统控制柜，并对整体系统进行了加工与调试。利用该 系统分别对人头像模型和人体模型进行了实验，得到了较好的效果，满足了使用 要求，为后期数据匹配、三维建模奠定了基础。 关键词：激光三维扫描同步控制同步图像采集c c d a b s t r a c t a t i e rt h eg e n e r a la n a l y s i so fb o t ht h ed o m e s t i ca n di i l t e m a t i o n a lr e s e a r c h 3 d b o d y8 c 觚n l n gc o n t r o ls y s t e ma n di m a g ec o l l e c t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d0 nb a s i so f m o t i o nc o n t r o la n di m a g ec o l l e c t i o n t h e o r ya sw e l la s3 dd i g i t a lt e c h n o l o g y t h e e x p e c t e de x p e r i m e n tr e s u l ti sa q i r e da n dt h u st h ec o r r e c t n e s s o ft h i ss y s t e mi s p r o v e d t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 al a s e r3 db o d y s c a n n i n gc o n t r o ls y s t e mc o m p r i s i n gc o m p u t e r - m o t i o n c o n 仃o l l e 卜d n v e r - e l e c t r i cm o t o ri s d e s i g n e d t h es y n c h r o n o u sc o n t r o l o f p e r a t e m u l t i - a x i ls c a n n i n gs y s t e mi sa c h i e v e d ，a n dt h e q u a l i t yo f t h es y s t e mi sp r o v e d 2 3 db o d ys c a n n i n gi m a g ec o l l e c t i o n s y s t e m si sd e s i g n e d s y n c h r o n i z a t i o no f 蛐a g e st h a ta r ec o l l e c t e dw i t h8c a m e r a si so b t a i n e db yu s i n gs o 丘、v a r e ，a n dn l e nt h e r e q u i r m e n to ft h es y s t e mi ss a t i s f i e d 3 b ym a t c h i n gt h e3 db o d ys c a n n i n gs y s t e mw i t ht h ei m a g ec o i l e c t i o ns y s t e m d y n a m l cs c a n n i n ga n di m a g es a m p l i n ga r es y n c h r o n i z e d t h ec o n t r o ls o n w 乏啪i sa i s o i m p l e m e n t e d t h r o u g ha l lt h i s ，s c a n n i n ga n di m a g es a m p l i n ga r cu n d e ru n i f i e d c o n t r 0 1 4 t h ee l e c t r i c a l c o n t r o lc a b i n e ti s d e s i g n e d ，a n dp r o c e s s i n ga n ds y s t e m c o m m l s s l o n m ga r ec o n d u c t e do nt h ee n t i r es y s t e m t h i ss y s t e mi st e s t e dw i t hh e a d 1 m a g em o d e la n db o d ym o d e l t h et e s tv e r i f i e st h es y s t e ma v a i l i b i l i t ya n dc 锄m e e t t h eu s a g er e q u i r e m e n t s t h et e s t l a y saf o u n d a t i o nf o rf u t u r ed a t am a t c h 锄d3 d d i g i t a lm o d e l l i n g t h et e s tr e s u l t sm e e tu pt ot h e e x p e c t a t i o n s k e y w o r d s ：3 d s c a n n e r ，s y c h 。n i z a t i o nc o n t r o l ，s y n c h r o n o u si m a g e c 0 1 1 e c t i o n ， c c d ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储签谚劫1 乞签字帆砷年，月朋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签沼 导师签名： 荡嘧舔 签字日期：弘叼年 r 月，同 签字同期：力叼年多月f 日 天津大学硕士学位论文激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 第一章绪论 随着计算机技术和三维传感器技术的迅速发展，三维物体的可视化技术越来 越多地受到重视，人们希望将现实世界中的物体在计算机虚拟世界中重建并加以 处理与使用。三维数字化技术是指通过三维传感技术获取物体的三维空间位置并 模型化、可视化，这种技术已渗透到各个学科和领域，得到了广泛应用。如三维 彩色数字摄影、三维型面检测、人体数字化、三维面容识别、医学整形美容、数 字博物馆等民用领域，产品的检测与测量、逆向工程、模具设计与检测等工业领 域，宇航服、头盔、军服、飞机驾驶室等军用领域，三维动画影片的制作、雕刻、 艺术品复制等艺术领域。本章重点介绍三维数字化技术及三维人体扫描技术的国 内外研究现状。 1 1 三维数字化 1 1 1 三维数字化技术 随着传感器技术、控制技术、计算机技术和制造技术等相关技术的发展，出 现了各种数字化技术和数字化测量方法。根据数字化设备的工作原理将数字化技 术分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量精度高，但测量的速度慢， 而且在测量过程中容易损坏被测量物体的表面，对柔软或者贵重的物体来说，这 种测量方法是不可取的。非接触测量其特点是测量速度快、操作简单，适用于各 种材料物体的测量，特别是对于用接触法不能测量的物体，可以获得其测量数据。 在非接触测量中，主要分为两类。一类是光学方法，另一类是光学外的其它方法。 光学方法测量又可以分为主动式和被动式【1 1 。主动式是指对被测物体投射特定的 结构光，使之被物体调制，再经过解调得到被测物体的三维信息。被动式则不需 要额外的光源，在自然光照明下通过一定技术来获取物体三维信息。下面对光学 方法中的主动式方法进行介绍。 相位测量法采用光栅图样投影到被测物体表面，物体表面的深度信息将对条 纹的振幅和位相进行调制，采用一定的算法可以将携带物体深度信息的相位变化 解调出来，从而得到物体的三维信息【2 。j 。基于相位测量技术，逐渐发展出了以 第一章绪论 下测量方法：影像莫尔法( s h a d o wm o i r 6m e t h o d ) 和投影莫尔法( p r o j e c t i o nm o i r 6 m e t h o d ) 州，它们都是通过基准栅和试件栅之间的干涉形成莫尔条纹，所得的条 纹图是等高线，通过确定条纹级次和条纹中心来解调等高线上的高度信息。 近年来随着激光技术的发展，基于几何光学三角形原理的激光三角形法逐渐 得到广泛应用。激光三角法的基本原理是由半导体激光器发出的激光在被测曲面 上结成光点，通过对光点的特征分析提取出被测物体的形状、尺寸等表面信息。 它扫描速度较快，精度较高，无损且易于实现自动化，而且对于扫描物体的放置 与大小都可以灵活适应，并可通过软件的方法进行调整处理，是一种可靠的非接 触测量方法，广泛应用于三维测量领域。 以上各种技术由于所采用的基本原理不同，造成了其在某些特性上的差异， 均有着各自的优势和不足，在实际应用中要根据具体需求，并结合各种三维信息 获取技术的特性选用恰当的测量技术。 1 1 2 三维数字化的应用 1 服装工业 传统的手工测量方法具有精度低、过程繁琐、速度慢等缺点，而利用激光三 维人体扫描技术则可以很好地解决这些问题1 7 培】。激光三维人体扫描仪可以快速 记录人体部位尺寸信息，获得重要部位相关曲线，反映出人体尺寸的平均水平， 自然就可制造出剪裁讲究的衣服。与传统的测量方法相比较，三维人体扫描仪主 要特点是快速、准确、效率高等。录入的人体相关数据可通过因特网直接传输至 计算机，结合服装c a d 、c a m 系统，实现人体测量与服装设计、制版、生产的 一体化。 服装c a d 包括自动量体、试衣软件和服装c a d 数据库软件。服装c a d 款式 设计系统的发展方向是三维服装设计系统、三维款式设计系统和反映服装穿着效 果的动画系统，该系统能模拟服装模特实际行走状态，在服装商品展示和促销方 面能发挥积极的作用【9 】。 2 医学整形【1 0 】 三维扫描仪不仅可以快速完成患者胸部或脸部等相关参数准确的数字测量， 还可以通过对原始数据的计算分析，精确地量化整形设计数据。医生和患者可在 此基础上对可能采取的多种手术方案作出理性的判断；利用原始数据与设计数据 的比较，可对美容整形手术所需置入的假体进行外形和体积上的设计、制作，使 医生或患者在手术前即可预见想要达到的术后效果。 3 汽车内部设计i l l j 汽车设计师依靠三维人体扫描仪存储的长时间积累的人体数据为依据，更直 2 天津大学硕士学位论文激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 观、更形象、更清楚地模拟人体，从而更容易设计出具有更高的实用性和舒适度 的车体内部尺寸。 4 虚拟数字博物馆【1 2 1 3 】 在虚拟数字博物馆里，人们不仅可以看到物品的三维模型，而且可以在计 算机虚拟世界环境中对其观赏。该虚拟世界在每一细节上看上去与实际的历史遗 迹并无区别，并可以亲自操作，对自己不满意的地方进行修改，或根据需要对其 进行重新分配、模拟，从而来虚拟出自己希望的过去、现在或未来。由于虚拟展 品和场景全部存在于计算机中，因此，对其尺寸的大小没有任何限制，物体的三 维模型可以无限期展示，没有物品被毁坏、偷窃的危险。 以上简要介绍了数字化技术的几个典型应用实例，除此以外，数字化技术还 被应用到许多其它领域，并且随着它与计算机技术、互联网技术、多媒体技术、 虚拟现实技术、快速原型技术等其它高新技术的结合，必将加强和拓宽此项技术 在其它领域的应用，从而展示出其强大的生命力和蓬勃的生机。 1 2 激光三维扫描仪的国内外研究状况 三维数字化技术广泛的应用范围和良好的应用前景也在很大程度上推动了 激光三维扫描技术的发展，基于光学方法的三维数字化技术已是当前研究的热 点，国内外很多公司、科研院所都开始从事这方面的研究。不同的三维数字化系 统为了实现不同的测量目的，采用了不同的信息获取方式，由此使得各个系统在 测量精度、测量范围、测量速度等方面存在差异。目前，在各种三维数字化技术 中主要都是采用光学的非接触方法，其中大多是利用以白光为基础的扫描技术或 激光扫描技术1 14 。 以白光为基础的扫描技术主要有莫尔等高线和相位移动，莫尔等高线是一种 绘制图片轮廓的技术，主要以影像莫尔法和投影莫尔法两种技术来测量和展示物 体的三维尺寸。复杂相位跟踪技术是以莫尔技术为基础，利用映射正弦曲线边缘 图案捕捉物体的图像以分析人体，具有图像获得的时间短、外部照明不灵敏、快 速图像处理和设备可携性强等特点，同时不需要相位打开程序，不用添加边缘图 案就能直接进入人体真正图像。 英国的r s i d i g i s c a n2 0 0 0 系统1 1 5 】就是采用复杂相位跟踪技术开发的三维 扫描仪，使用2 5 m x2 5 m x2 5 m 的小房子、2 个投影仪和1 2 个照相机，在两秒内 完成形状尺寸和结构的测量，准确度达0 2 m m 。 1 9 9 8 年英国的w i c k s 和w i l s o n 开发了使用白光的t r i f o r m 1 6 】，在少于1 0 秒的时 间内捕捉整个人体，准确度为2 m m ，一分钟内处理和展示整个彩色三维点云。 第一章绪论 美国纺织及服装技术中心( t c 2 ) 【1 7 】是根据莫尔光投射原理用白光投射正弦 曲线在物体上，在不规则的物体表面形成密栅影子变形，这时产生的图样可表述 体表轮廓，用6 部摄影机从不同角度进行检测，将影像合并进而成为完整图像， 从而完成测量工作。可捕捉2 m 高1 m 宽i m a m ：的体积，图像分辨率是l m - 2 m m ， 精确度3 m m 。 法国的t e l m a t 1 8 】在l 2 5 秒内获得信息资源，照相机需3 0 秒沿着光移动获得 整个人体数据，仅需1 5 秒提取7 0 个精确的人体尺寸，准确度士2m m ( 澳m j 量一标准 1 0 0 0m m 周长) 。 北京博维恒信科技发展有限公司【1 9 】研制了两套人体扫描系统，d c s i 型系 统x 、y 分辨率o 3 1 2m m ，测量精度0 0 6m m ，图像分辨率1 2 8 0 x1 0 2 4 像素； d c s i i 型单次拍摄范围1 0 0 0 x8 0 0m m ，x 、y 分辨率0 8m m ，测量精度0 2m m ， 行程5 0 0m m 。 艾格美三维扫描仪【2 0 】每次扫描一个面，2 秒内可得到1 3 0 万点。x 、y 方向最 高分辨率为0 1 7m m ，图像分辨率1 2 8 0 x 1 0 2 4 、7 2 0 x 5 7 6 像素。 光学三角形原理是激光三维彩色数字化系统采用的基本原理，所采用的光源 主要有点结构【2 1 1 、线结构2 2 。2 3 1 、双线结构f 2 4 】等，其中采用线结构光作为光源的 较多。激光光源发出线性光投射到被扫描物体表面上，用三角测量方法获得数据， 激光条由于物体形状而变形，c c d 记录变形并产生物体的数字化图像的同时沿着 主体长度方向垂直移动。 美国的c y b e r w a r e 公司【2 5 】最早开始从事三维人体扫描仪研究，它的w b 4 全 身激光扫描仪采用激光扫描三角测量技术，可以在1 2 秒内扫描直径1 2 m 、高2 m 彩色的圆柱体人体，准确度在5 m m 以内。 法国力克公司的三维人体扫描仪【2 6 】扫描2 0 3 米高、直径0 8 0 米的范围仅需8 秒时间。 日本h a m a n o 公司的v o x e l a n 扫描仪【2 刀是唯一一个使用垂直激光条的， h e v 1 8 0 0 h s w 用于整个人体尺寸；h e c 3 0 0 d s 用于脸部扫描，分辨率为0 8 m m ； h e v 5 0 s 用于褶皱测量，分辨率为0 0 2 m m 。 美国的f a s t s c a n 2 8 】是目前重量最轻的手提式扫描仪，用于扫描非金属、不透 明的物体。投射扇形激光于物体，棒上的照相机捕捉任一边激光以记录物体三维 表面，计算机处理交叠在一起的扫描部位，并将三维数据加载到其他程序进行处 理。 本实验室与香港科技大学合作研制出了国内第一套三维人体扫描仪，2 0 秒内 完成高2 米、直径1 米的扫描范围，准确度在5 m m 之内。 此外，英国l o u 曲b o r o u g h 大学【2 9 】研究三维摄像法获得人体三维模型。当一个 4 天津大学硕士学位论文激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 人站立不动时，电视摄影机摄录下投影于其身上的光线，人体外形由一系列横切 面表达。用1 6 点以平面方式拉曲线，重复3 2 片平面，每片都与有关骨骼标记相关 连，从而建立三维的表面模型。 1 3 课题背景 本课题依托天津市科技攻关计划培育项目“激光三维彩色数字化系统研究， 其主要内容包括以下两方面：一方面是研究四个传感器的运动同步控制技术，另 一方面是研究八个c c d 采集图像的同步控制与图像的保存技术。以此为基础建 立多通道同步激光三维数字化系统，重点解决该系统的匹配、控制与使用，技术 指标达到：被测体积直径l m 高度2 m ，典型分辨率为水平方向l m m ，深度方 向2 m m ，垂直方向2 4 m m ，扫描时间为1 0 2 0 秒。 1 4 本论文的主要工作及研究意义 依托上述课题，在2 0 0 1 年实验室研制的激光三维人体扫描仪基础上进一步 改进。为了使扫描系统运行更平稳且噪音小，对于机械机构方面作了相关调整： 鉴于目前w i n d o w s 操作系统应用的普遍性，且具有好操作、系统升级非常方 便等优点，将l i n u x 操作系统改为w i n d o w s 系统；随着计算机技术的飞速发 展，计算机的处理能力、处理速度也相应提高，将原系统的局域网控制多卡采集 与同步运动集成为用一台计算机控制。 本文重点设计一套能实现激光三维人体扫描的控制系统，该系统既要实现多 轴运动同步控制又要实现多个c c d 的同步采集图像，且其运动速度要满足系统 对扫描时间的要求、其图像采集速度要与运动速度匹配满足系统分辨率的要求。 主要内容如下： 第一章从三维数字化技术出发，重点介绍了三维数字化的应用、三维人体扫 描仪的国内外研究状况。 第二章对激光三维人体扫描的控制系统进行了研究与设计。从使用要求出 发，为三维扫描系统设计了包括机械部分和电气部分的同步运动控制系统，阐述 了控制系统的组成以及各部分的作用和原理，完成了四个方向放置的传感器的同 步运动控制。 第三章对激光三维人体扫描的图像采集系统进行了设计。保证了八个c c d 图像采集的同步性和采集速度的要求，并将八个摄像机采集到的图像按照不同的 命名区分保存到计算机内，以便于后期的图像处理和三维重建。 第一章绪论 第四章通过软件程序实现同步运动控制系统和同步图像采集系统的匹配。完 成了整个系统所要求的功能，并利用设计的系统分别对人头像模型和人体模型进 行现场扫描，得到了一系列数据，结果证明了该系统完全能满足使用要求。 第五章总结了本课题所作的工作，并结合研究的实际状况和体会对该系统的 改进提出了几点建议。 6 天津大学硕士学位论文激光三雏人体扫描同步控制与圈像采集系统的研制 第二章激光三维人体扫描系统 分析课题的实际情况，依据运动控制要求及同步控制理论，设计了扫描控制 系统。本课题的主要目标是实现人体的三维数字化，为此采用相互独立的多轴同 步运动系统实现人体三维扫描，其关键技术之一是设计一套能实现多轴同步运动 的控制系统。 2 1 激光- - i 人体扫描系统简介 2 1 1 扫描系统原理 圈2 一l 所示为本实验室自行研制的用于扫描人体轮廓的扫描系统结构图j 3 “。 四个传巷嚣分别位于四个不同方向的立柱上，其中每个传感器由1 个半导体激光 光源和2 个c c d 组成，如图2 - 2 所示。四个半导体激光线光源在人体表面形成一 个环带通过位于线光源两侧的8 个面阵c c d 摄像头接收光带像，在四轴伺服同 步扫描系统和计算机数据采集系统的支持下，环形光带自上而下移动，实现人体 外形轮廓的自动扫描。采用图象处理方法和针孔相机透视变换模型，通过数据处 理与数据拼接，可以得到人体的三维轮廓点云图数据。经处理后最终得到人体三 维数字化模型9 “。 云台 世 图2 - 1 激光三维人体扫描系统结构图 留2 - 2 传盛器示意图 ，泌 ，一、 二、 嚣瞎传 第二章激光三维人体扫描系统 2 1 2 扫描系统的主要技术参数 人体扫描系统的主要技术参数一般为：测量范围，分辨率( 包括水平、垂直、 深度分辨率) ，扫描时间。 测量范围即有效扫描范围，对于人体扫描，一般直径为l 米、高度为2 米的 圆柱体的范围已经足够。 系统分辨率是与测量精度有关的参数，系统分辨率越高，越能真实反映人体 表面细节，但是过高的水平和深度分辨率会对c c d 摄像机和图像采集卡提出过 高的要求，而过高的垂直分辨率则会导致扫描时间过长或使同步扫描系统速度太 快，由此而来，会使整个系统数据量太大，数据处理速度缓慢。因此，系统分辨 率的确定必须考虑现有常用c c d 和图像卡的分辨率及扫描系统的扫描速度。定 义传感器获取图像中每一像素代表的实际距离为系统的分辨率。由于被测物体距 传感器的远近会对分辨率产生影响，因此只能给出系统在某些典型位置处的分辨 率，称为典型分辨率。本系统设计典型分辨率为：水平分辨率l m m ，深度分辨 率2 m m ，垂直分辨率2 m m 4 m m 。 测量时间的长短主要是考虑人体能在这段时间内相对保持不动，尽量减小运 动模糊带来的影响。测量时间可以根据扫描高度、垂直分辨率、c c d 制式三者 共同来确定。对于每秒3 0 帧的e i a 制式c c d ，扫描高度2 m ，垂直分辨率4m m ， 则系统的扫描时间为1 6 7 秒。 2 1 3 扫描系统的组成 根据光带法激光人体扫描原理【3 们，激光三维人体扫描系统系统主要由传感 器、图像采集系统、同步扫描系统和计算机处理系统等组成，其中同步扫描系统 包括机械传动机构和伺服电机同步控制系统，伺服电机同步控制系统主要由四个 伺服电机、驱动器、运动控制器组成。图像采集系统包括图像采集卡、摄像机和 计算机。激光三维人体扫描系统组成框图如图2 - 3 所示，计算机利用运动控制软 件控制电机的运转情况，通过机械传动机构将运动传递给传感器，同时计算机也 控制图像卡的采集，使各c c d 同步采集图像。运动控制软件和图像采集软件要很 好的匹配，以使各传感器在保持同步运动的同时同步采集图像，且运动速度与图 像采集速度的匹配要满足系统分辨率的要求。后期经过计算机处理系统完成对图 像的拼接、处理、模型重建等工作，从而得到人体的三维模型。 8 天津大学硕士学位论文 激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 图2 3 激光三维人体扫描系统框图 2 1 4 扫描系统的机械结构简介 一、对机械部分的要求： 传感器做上下运动，且运行平稳、位置精度高、噪音小、响应速度快。 二、机械结构介绍： 1 总体结构：机械部分主要包括电机、联轴器、滚珠丝杠、线性滑轨和滑 块、拖板、限位开关、原点开关、立柱、底座等组成。其机械结构简图如图2 4 所岙，线性滑轨和滚珠丝杠固定在立柱上，拖板与丝杠螺母及滑块连接，拖板上 安装传感器。当电机转动时，通过l ：l 的联轴器将运动状态传递到滚珠丝杠， 滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为丝杠螺母的上下运动，线性导轨能保证滑块运 动的直线度，拖板与滚珠丝杠螺母、导轨滑块连接在一起，这样既能使传感器做 上下运动，又能保证其运动的直线度，实现对人体的扫描。限位开关的作用是安 全保护，即当故障发生使拖板超过行程时，自动停止运动。 2 各部件的作用及选取： 1 ) 联轴器：在本系统中，联轴器用来连接电机和滚珠丝杠。采用弹性联轴 第二章激光三维人体扫描系统 器连接电机和丝杠，具有传动平稳、效率高、寿命长等优点，降低了在机械调整 中同轴度的高精度要求。最后选用了传动比为1 ：l 的弹性联轴器。 2 ) 滚珠丝杠：是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将 旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。根据系统的使用要求， 选用h i w i n 的螺帽旋转式滚珠丝杠，其螺距为1 0 m m r 。 3 ) 线性滑轨和滑块：是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限 滚动循环，使得拖板能沿着滑轨容易作高精度线性运动，能达到很高的定位精度， 使运动更平滑且噪音低。综合考虑，选择型号为h g h 0 2 0 c a 的线性滑轨。 4 ) 开关：激光三维人体扫描系 统的开关包括限位开关和原点开关 两种。考虑到系统使用的安全性， 在系统的上下各放置一个限位开 关。原点开关的作用是控制四个传 感器的初始位置在同一水平面上。 系统初始化以后传感器从各自零点 开始向下扫描，直至需要的行程范 围。扫描完成后，各传感器要恢复 到处于同一水平高度的初始位置， 等待下一次扫描的开始。根据系统 的特点，原点开关选择对射型的光 电开关，当有物体进入光电开关的 凹槽时，开关进入o n 状态，开始 起作用；而当物体移开后，开关则 处于o f f 状态。选择欧姆龙公司的 型号为e e s p x 3 0 1 的光电开关，它 的应差距离达到0 0 5 r a m 、检测距 离3 6 m m ，这些技术参数满足了扫 描系统的要求。 5 ) 立柱和底座：起支撑作用。 为了增加传感器运动的稳定性，将 立柱厚度设计较厚，并分别在竖直 方向增加了一根筋、在水平方向增 加四根筋，以增强立柱的稳固程度、 减小变形。 l o 声 _j ，。 又 ， ， ， ，一一， ， ， ， ， _ ： _ 崔 二 感 器 l 、 l 、 么 1 l ， ， n h 顶板 原点开关 丝杠 立柱 线性滑轨 拖板 联轴器 图2 4 系统机械结构简图 天津大学硕士学位论文 激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 2 2 激光三维人体扫描运动控制系统 2 2 1 运动控制系统设计要求 根据激光三维人体扫描系统的使用要求，每个传感器在开始工作前都要回 到各自的零位位置，四个线激光器按照设定的速度自上而下扫描并始终保持同 步，即四个线激光在扫描全过程始终保持一个光平面，在规定时间内到达设定的 扫描终点。因此，运动控制系统设计的要点就是要使做上下扫描的运动的传感器 保持同步的运动状态。由于四个电机是相互独立的系统，之间没有刚性连接，所 以要依靠硬件和软件配合使用，实现它们之间既相互独立又保持同步的要求。 2 2 2 运动控制方案 根据上述运动控制系统的使用要求，下面确定运动控制方案： 1 系统控制方式的确定 图2 5 所示为电机控制方式的基本形式【3 2 】，要实现的目标运动不同，电机及 其控制方式也不同，步进电机的开环方式、其他电机的半闭环方式和全闭环方式 是控制用电机的基本控制方式。 1 ) 开环控制系统：如图2 5 ( a ) 所示，采用步进电机作为驱动部件，没有 位置和速度反馈器件，所以控制简单，价格低廉，但它们的负载能力小，位置控 制精度较差。 2 ) 半闭环控制系统：如图2 5 ( b ) 所示，采用直流或交流伺服电机作为驱 动部件，依靠电机内的脉冲编码器、旋转变压器作为位置速度检测器件构成半 闭环位置控制系统，位置控制精度较好。 3 ) 全闭环位置控制系统：如图2 5 ( c ) 所示，采用直流或交流伺服电机作 为驱动部件，依靠光栅或感应同步器作为位置检测器件构成高精度的全闭环位置 控制系统。 由于传动误差的存在，使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变 化量，还不能准确地反映轴的直线运动位置。但是，经过软件系统对传动误差的 补偿后，也可达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比，半闭环系统价格 较低，安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作稳定可靠，几乎无需维 修。考虑本课题扫描范围大、位置精度要求不是特别高的特点，没有必要选择价 格昂贵的光栅尺作为测量机构构成全闭环扫描系统。因此，选择电机自带的光电 编码器作为测量机构组成半闭环控制系统。 第二章激光三维人体扫描系统 】日了1 朋、 运算处理电触 一 驱动器执行机构 路 迫拶 ( a ) 开环控制系统 ( b ) 半闭环控制系统 ( c ) 全闭环控制系统 图2 5 伺服电机控制方式的基本形式 2 伺服电机控制方式的确定 伺服电机的控制方式有位置控制、速度控制和转矩控制【3 羽。位置控制系统 的主要控制目标一般是足够的位置控制精度、轨迹跟踪精度和足够快的跟踪速度 以及位置保持能力( 伺服刚度) 。在位置控制方式下，电机驱动器接收单片机发 出的位置指令信号( 脉冲方向) ，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中 与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际 所产生的脉冲数经4 倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调 节后，形成速度指令信号，速度指令信号与速度反馈信号比较后的偏差信号，经 速度环比例积分控制器调节后，产生电流指令信号，控制交流伺服电机的运行【3 3 1 。 位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制，它分增量式光电编码器 和绝对式光电编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率 高，实际应用较多。绝对式光电编码器按二进制编码输出，信号线多，由于精度 取决于位数，所以高分辨率不易得到。但是这种编码器即使不动时也能输出绝对 1 2 天津大学硕士学位论文激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 角度信息，主要用于全闭环控制中。在我们的半闭环控制系统中，选用增量式编 码器。 2 2 3 运动控制系统总体设计 根据上面确定的运动控制方案，设计的运动控制系统原理图如图2 6 所示。 运动控制器装在计算机内，通过p c i 总线与计算机通讯；各轴上、下限位开关和 原点开关信号直接与运动控制器通讯；运动控制器通过驱动器的接口与驱动器连 接，从而控制驱动器的状态。在运动时，电机自带编码器实时反馈位置信息给驱 动器，驱动器再将信息传递给运动控制器。这样，整个控制系统就可以实现计算 机一运动控制器一驱动器一电机的控制。 卜 黼运躺i 船 r 认jljiji ji jljl 1 轴嘏灿到3 轴嘏l 1 4 轴嘏 僦l 1 位开关l 一，一 l 位开关j i 位开关 1r p 一一 芍趔 习睑驱驱 1 轴原l刮l 猁原l 动 器 刮 l 德l 刮 向联广糕j 蒯器器 1 翩联l舞 1 23 4 1 轴下限l弋 确打枨i 丁确揶艮t4 牟由_ 可艰丁 位开关j愀i位开关愀l 电眦电眈 电6 兀3蝴 图2 - 6 运动控制原理图 2 2 4 运动控制系统的组件选取 由前文所述，确定本课题的运动控制系统包括电机、驱动器、运动控制器， 下面分别介绍各组件参数设计和型号选用。 1 电机 电机的主要参数包括功率、转速、电压，为选用电机必须确定上述参数。 1 ) 电机功率的估算 第二章激光三维人体扫描系统 已知负载是拖板及固定在其上的传感器，估计重量为1 5 k g ，运动位移为2 m ， 运动时间1 6 7 s ，设定加速度为1 0m s 2 ，由此计算出： 负载所需功率p w = 1 5 k g x2 m 16 7 s = l8 0 w 加速过程的功率p a - - 1 5 k g x1 0m s 2 x0 1 2 m s 2 = o 9w 负载运动为垂直运动，故运动过程中摩擦力的功率瞰】p 仁pp 、。其中钢钢 连接的摩擦系数i - t - - o 0 5 0 1 。当p 卸1 时，得到p f = 18w ，加速过程p a 7 = o 0 9w 电机所需的功率p = 1 8 0 + o 舛1 8 + o 0 9 = - 1 9 8 9 9 w ，参考常见的电机功率标准， 再考虑使用的安全系数，确定电机功率为4 0 0w 。 2 ) 电机转速 所用的滚珠丝杠螺距为1 0 m m r ，负载要求的运动速度为1 2 0 m m s ，可知电 机所需转速为1 2 0m m s 1 0m m r ，得到转速为7 2 0 r m i n 。 3 ) 电机型号的确定 根据本课题对运动同步性的要求，鉴于伺服电机具有响应速度快，控制精度 高，抗过载能力强，可靠性高，无噪音，无振动，控制参数可调整，可按要求完 成速度、转矩、位置控制等优点，因此我们选择伺服电机。 直流伺服电机的控制比较简单，其主要缺点是电机内部具有机械换向装置， 碳刷容易磨损，维修工作量大。运行时易起火花，使电机的转速和功率的提高较 为困难。交流伺服电机是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转 速和功率的提高，因此采用交流伺服电机。由于电机负载较小，选用小惯量电 机即可满足使用要求。综上所述，最终选择了松下公司型号为m s m d 0 4 2 p 1 u 的 电机，其额定功率为4 0 0 w ，满载转速3 0 0 0 r m i n ，电压2 0 0 v ，满足系统的使用 要求。 2 驱动器 驱动器驱动电机运转，可以控制电机的转速、运动方式，实时监视各电机的 运动状态。驱动器可以采用两种控制方式驱动伺服电机转动：脉冲控制和模拟量 控制。 脉冲方式控制伺服电机有以下优点：( 1 ) 可靠性高，不易发生飞车事故。用 模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时， 有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是很危险的。而用脉冲作为控制信 号就不会出现这种问题。( 2 ) 信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电 路难以比拟的。因此选用脉冲型驱动器通过接受脉冲指令信号来驱动电机的运 动。考虑到系统需要利用光电编码器作为检测元件，根据松下系列驱动器与电机 的匹配关系【3 5 】，最终确定了驱动器的型号为m b d d t 2 2 1 0 0 0 3 。该型号的驱动器 输入电压为单相2 0 0v ，输出电压为三相2 0 0 v ，额定输出功率为4 0 0w ，适用小 1 4 天津大学硕士学位论文 激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 惯量的电机，0 0 3 的后缀表示为脉冲型驱动器。 3 运动控制器 运动控制器用来控制电机的运动方向、行程以及时间等，从而控制传感器扫 描的周期和具体的运动状态。根据系统的使用要求选用可以同时控制四个运动轴 的运动控制器。固高科技有限公司生产的型号为g t 4 0 0 s v p c i g 的运动控制器可 以同时控制4 个轴的运动，轴的转动频率最大为1 m h z e 3 6 】大于要求的电机转动频 率7 2 0 h z ，能够很好地满足扫描系统的使用要求。 2 2 5 运动控制系统的连接 由图2 6 可知，需要通讯与连接的设备有：运动控制器与主机、运动控制器 与电机驱动器、电机驱动器与电机、限位信号等专用信号与运动控制器的连接。 其中运动控制器与主机间由p c i 总线连接，控制器与其端子板由自身配置的数据 线连接。其他设备之间的连接要根据使用情况设计。 1 驱动器与外电源的连接： 如图2 7 所示为驱动器与外电源连接图，其中m c 为磁力接触器，具有三个 图2 7 电源连接图 常开按钮。o n 为常开开关，控制电源开启。当o n 按下时，磁力接触器线圈通 电，开关吸合，此时2 0 0 v 电源加到主电源和控制电源接口。o f f 为常闭开关， 可控制急停。遇到紧急情况时，按下o f f 开关，电源随即断开。 2 电机与驱动器电源的连接 第二章激光三维人体扫描系统 如图2 8 所示，左侧为电机的电源线，内部的四根接线分别为红色、白色、 驱动器 x 2 连接到电机 图2 8 驱动器与电机电源的连接 黑色、绿色；驱动器的x 2 接口的u 、v 、w 分别代表电机的三相驱动。按照图中 所示对应关系接好并将第4 接口与地线连接，这样就完成了电机三相驱动的连接。 3 电机编码器的连接 如图2 9 所示，左侧为电机的编码器，内部的五根接线分别为白色、黑色、 i 图2 9 电机5 线制编码器的连接 1 6 天津大学硕士学位论文激光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 淡蓝色、紫色和屏蔽线；驱动器的接口引脚分别如图中所示与电机侧相连。 4 专用输入输出信号的连接 专用的输入信号包括：正负限位开关、原点开关、伺服报警；专用的输出信 号包括：驱动使能、驱动复位。它们通过端子板的c n s ( c n 6 、c n 7 、c n s ) 、c n l 2 与驱动器及外部开关相连。 如图2 1 0 所示是以一个电机为例的专用输入输出信号的连接图，按图中所示 将相应的驱动器与控制器的端口连接即可完成专用输入输出信号的接线。 控 ，l iiu 十 i 位l： i喇； ，i i t 0 曝 l 位 i - j 开 l k i 原一 l m e 0 l i 点 一开 i ki l r m o ： i - 。b l e 0 i ： i s e t 0i i ： i i n d ! - c c l i i d c2 4 1 2 v 图2 1 0 专用输入输出信号的连接图( 一个电机为例) 驱动器侧 驱动报警 驱动使能 报警清除 o g n d o v c c 5 位置控制的连接 位置控制方式运动控制器与编码器x 5 的接线如图2 1l 所示。将控制器的驱动 允许信号( c n 5 的引脚3 ) 作为电机驱动器的伺服使能信号；控制器的脉冲方向 第二章激光三维人体扫描系统 输出端作为电机驱动器的脉冲信号；电机驱动器的编码器输出o a + 、o a 、o b + 、 o b 、o z + 、o z 反馈给控制器。这样既实现了控制器对驱动器伺服使能的控制、 开关的控制、脉冲的控制，也实现了编码器信号的反馈。 控制器接线端子 c l 晤、c n b 、c n t 、c 髓 0 g n d a l 0 e n a b l e 0 a 0 + a 0 一 b 0 + b o c o + c 0 一 g n d d i r o + d i r 0 - p u l s e 0 + p u l s e 0 一 g n d 0 v c c r e s e t 0 g n d g n d g n d 孚医动器接线端子 c 哥l f 图2 1 1 控制器与松下系列驱动器位置控制接线图 2 2 6 系统电气控制柜的设计与制作 c o m a l 孤+ s r v o h o a + 0 a o b + 0 b 一 0 c + 0 z a l m g n d s i g n l s i g n 2 p u l s l p u l s 2 c 0 + a c l r 为了实现运动控制系统仪器化，设计了系统的电气控制柜。在电气控制柜里 各元件整齐、稳定的固定在合适的位置，所有控制按钮都安装在前面板上，使操 作人员可以方便、快速的控制扫描系统工作。 本系统控制柜里放置的元器件包括：驱动器四个，运动控制器的端子板一块， 1 8 天津大学硕士学位论文 撤光三维人体扫描同步控制与图像采集系统的研制 电源一个，磁力接触器一个。其中驱动器之间耍保持有一定的距离，以保证良好 的通风散热。如图2 一1 2 ( a ) 所示为控制柜外观图，图2 - 1 2 ( b ) 所示为控制柜内 部接线圈图2 - 1 2 ( c ) 所示为控制柜背面图。 睇帮一 一臻悱娜 | i ；- - 。 ( a ) 控制柜外形图( b ) 控制柜内部接线图 ( c ) 控制柜背面图 图2 1 2 控制柜实物图 控制面板上装有启动和关闭开关。启动开关为常开开关。按下时开关闭合 磁力接触嚣通电，整个系统通电。关闭开关为常闭开关当该开关按下时，主电 源断开，整个系统断电。当遇到紧急情况时，可按该开关。此外，为了更直观、 第二章激光三维人体扫描系统 清晰的反映轴的运动，安装了四个指示灯用以指示四个轴的运动情况。当轴在运 动时，相应的指示灯亮。指示灯软件的实现将在第四章详细介绍。由图2 - 1 2 ( c ) 可以看到，控制柜的所有外接插头全部使用航空插头，且不同用途的接头间不具 有互换性，更容易保证连接的正确性。 控制柜里放置的线性电源要根据实际使用情况确定，线性电源的确定包括确 定其供电电压和供电电流。在本系统中，线性电源需要1 2 v 和5 v 两种供电电压。 其中需要1 2 v 供电的设备有运动控制器的端子板一块，要求电流1 0 0 0 m a ，包含 了与该端子板连接的所有元件消耗的电流；c c d 8 个，每个所需电流1 2 0 m a ，由此 可以算出1 2 v 供电电流至少为1 0 0 0 + 1