三維服裝尺碼自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高明成 張興強(qiáng)

摘要：本文主要介紹了一種在單片機(jī)控制下的人體衣服尺寸測(cè)定的的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制器，以VL53L0X激光測(cè)距模塊為測(cè)量核心，實(shí)現(xiàn)單支多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中，通過(guò)上位機(jī)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的人體模型并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)而為服裝領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：stm32f404單片機(jī);VL53L0X激光測(cè)距模塊;上位機(jī)

1.引言

隨著人們生活水平的逐步提高以及審美能力的迅速上升，私人訂制行業(yè)異軍突起，而服裝定制作為私人定制的重要組成部分受到了越來(lái)越多的關(guān)注。目前，人體三維測(cè)量技術(shù)正在向最優(yōu)化、自動(dòng)化及利用計(jì)算機(jī)測(cè)量、處理和分析的方向發(fā)展。然而在我國(guó)，人體三維測(cè)量的方法依然采用傳統(tǒng)的手工工具，依據(jù)測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)人體進(jìn)行接觸測(cè)量，因而很難滿(mǎn)足快速、準(zhǔn)確、大批量測(cè)體的需要而且也很難取得人體的某些特征數(shù)據(jù)。

2.系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)介紹

該系統(tǒng)的主要功能有：脈沖法測(cè)距和多點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)升降，數(shù)模轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用220V市電供電，以可靠的單片機(jī)作為核心控制器，能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)各部分功能。硬件部分主要有單片機(jī)最小核心板，測(cè)量探頭部分，自動(dòng)升降部分，電源部分。軟件部分主要由上位機(jī)顯示部分和數(shù)據(jù)保存部分組成。

2.1脈沖法測(cè)距與多點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

脈沖法測(cè)距：通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。即光速往返時(shí)間的乘積的一半，就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離。多點(diǎn)測(cè)量是把多個(gè)激光探頭加在框架通過(guò)舵機(jī)控制使得激光探頭可以進(jìn)行180°平面擺動(dòng)進(jìn)而形成多點(diǎn)測(cè)量。

2.2自動(dòng)升降功能

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)激光測(cè)距探頭向下移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。并且當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光探頭到達(dá)腳底時(shí)停止向下運(yùn)行，電機(jī)翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)激光探頭返回頂部等待再次測(cè)量。

2.3上位機(jī)顯示以及數(shù)據(jù)保存

通過(guò)Qt Creator寫(xiě)出一個(gè)應(yīng)用軟件可以把測(cè)量的數(shù)據(jù)直觀(guān)的在一個(gè)三維空間上生成人體模型，該過(guò)程只需要按照步驟把測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入即可。同時(shí)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)和生成的三維模型以便于日后的查看。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1通信方式的選擇

通信方式簡(jiǎn)單的有以下多種：I2C、SPI、WPM、RS232、I/O、DMA等。當(dāng)我們考慮到數(shù)據(jù)的傳輸?shù)乃俣群托室约斑^(guò)程的復(fù)雜性等問(wèn)題之后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的討論與過(guò)程驗(yàn)證最終選擇測(cè)距模塊使用I2C的通信方式，上位機(jī)我們使用RS232的通信方式。

3.2測(cè)距模塊

根據(jù)測(cè)量的距離以及需要的準(zhǔn)確性，我們選用ST公司的VL53L0X芯片作為核心，該芯片內(nèi)部集成了激光發(fā)射器和SPAD紅外接收器，采用第二代FightSense技術(shù)，該芯片通過(guò)時(shí)間差量來(lái)計(jì)算距離，測(cè)距的長(zhǎng)度能擴(kuò)至兩米，非常合適中短距離測(cè)量的應(yīng)用。

由于用到多個(gè)激光測(cè)距探頭，其初次上電默認(rèn)I2C地址均為0X52，把多個(gè)激光測(cè)距探頭I2C地址設(shè)置為不相同的，當(dāng)要讀取數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)控制單片機(jī)的總線(xiàn)讀取指定的激光測(cè)距探頭所測(cè)量的距離，并且經(jīng)過(guò)修改I2C地址后的所有激光測(cè)距探頭測(cè)量距離與單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)所需要的總時(shí)間只有幾毫米，使得最后產(chǎn)生的人體數(shù)據(jù)的誤差可以忽略不計(jì)。

3.3單片機(jī)的選擇

單片機(jī)的種類(lèi)繁多，一般按單片機(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的位數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，主要分為4位、8位、16位和32位單片機(jī)。由于我們需要大量的I2C數(shù)據(jù)輸入與讀取，我們也知道日常用的4位單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，但指令不豐富，且編程復(fù)雜，可以用于簡(jiǎn)單的校制;雖然8位單片機(jī)和16位單片機(jī)亦小巧靈活指令豐富，但是其性能的優(yōu)越性以及運(yùn)算速度是32位單片機(jī)所比不上的，目前整個(gè)單片機(jī)市場(chǎng)32位單片機(jī)正以其本身的性能等優(yōu)勢(shì)快速的替換掉8位和16位單片機(jī)。

3.4電機(jī)的選擇

電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，根據(jù)作品所具有一定的重量的特點(diǎn)我們選用直流電機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括控制單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行程序和編寫(xiě)上位機(jī)所需要的程序。這兩部分的程序設(shè)計(jì)都采用了標(biāo)準(zhǔn)程序開(kāi)發(fā)的模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范，提高程序的可讀性和可維護(hù)性，為以后的系統(tǒng)功能添加和完善提供了方便。

4.1單片機(jī)內(nèi)部程序

整個(gè)軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫(xiě)，使用Keil μVision 5集成環(huán)境開(kāi)發(fā)軟件部分。Keil軟件內(nèi)部包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。Keil μVision 5是美國(guó)Keil Software公司出品最新集成開(kāi)發(fā)環(huán)境RealView MDK開(kāi)發(fā)工具中集成了最新版本的Keil μVision 5，其編譯器、調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)與ARM器件的最完美匹配。以下是單片機(jī)程序的流程圖：

單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)代碼如下：

void vl53l0x_test（void）

{

while（vl53l0x_init（&vl53l0x_dev））