三維掃描系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李慧慧

摘要 ：目前，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起重要作用的是制造業(yè)。由于制造技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是出現(xiàn)的先進(jìn)制造技術(shù)，讓制造業(yè)產(chǎn)生了巨大變化，尤其是國(guó)際化的大環(huán)境對(duì)產(chǎn)質(zhì)量和制造工藝提出了新的高的要求，同時(shí)也帶來(lái)了實(shí)際的工程測(cè)量問(wèn)題。

隨著三維測(cè)量技術(shù)的完善和不斷發(fā)展，利用可編程控制機(jī)械手臂高度靈活、自動(dòng)化和穩(wěn)定的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化三維測(cè)量有望成為新興先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域解決諸多三維測(cè)量問(wèn)題的有效解決方案。

關(guān)鍵詞：三維掃描;機(jī)械手;自動(dòng)化測(cè)量;系統(tǒng)控制

中圖分類號(hào)：A 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：（2021）-54-

一、控制系統(tǒng)

三維掃描控制系統(tǒng)是為了連接pc機(jī)、定位傳感器、機(jī)械臂、測(cè)量傳感器的控制裝置，完成控制三維掃描系統(tǒng)對(duì)于任意物體通過(guò)智能分析（離線標(biāo)定、執(zhí)行掃描、數(shù)據(jù)拼接）且自動(dòng)完成測(cè)量任務(wù)的功能。

1.1 DSP控制系統(tǒng)

三維掃描系統(tǒng)的運(yùn)行程度與控制器有很大關(guān)聯(lián)，選擇一個(gè)具有穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)的控制器是很有必要的。隨著控制技術(shù)、軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，為控制器的選擇提供的有利的條件。

傳統(tǒng)的控制器采用單片機(jī)控制較多，在控制運(yùn)行的過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生驅(qū)動(dòng)故障，用單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng)，開發(fā)周期長(zhǎng)。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品。

作為一種微處理器，是為完成實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)而設(shè)計(jì)的，算法的高效實(shí)現(xiàn)是DSP器件的核心：改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)（多總線，片內(nèi)多條數(shù)據(jù)、地址和控制總線）、流水線技術(shù)（多個(gè)控制和運(yùn)算部件并行工作）。DSP軟件優(yōu)點(diǎn)模塊編程好，工程化編程支持，可將軟件開發(fā)人員和硬件開發(fā)人員基本上分離。

DSP特點(diǎn)：DSP器件的發(fā)展，兼顧性能、功耗、價(jià)格三個(gè)因素;DSP+ARM的雙核結(jié)構(gòu)，用戶只需添加極少的外部芯片，即可組成一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng);更多并行的體系結(jié)構(gòu)-，實(shí)現(xiàn)最高程度的并行計(jì)算，從而使功能最大化等。

1.2控制系統(tǒng)硬件組成

控制器的硬件布局有以下幾個(gè)部分組成：DSP+CPLD 作為主要控制部分，包含 DSP核心控制部分和 CPLD 驅(qū)動(dòng)部分和CPLD擴(kuò)展部分;通信接口部分，包括 PCI 總線部分、USB 總線部分和USB串口部分;I/O 輸入輸出接口部分以及外圍存儲(chǔ)器部分。

1.3控制系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)控制器在工作生產(chǎn)中是一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程控制單元，，它由硬件和軟件共同完成所需要的動(dòng)作極其功能。硬件為軟件運(yùn)行供應(yīng)所需要的環(huán)境，軟件則用來(lái)完成系統(tǒng)所需要的功能。本系統(tǒng)軟件是由控制模塊和管理模塊兩大模塊組成。

控制系統(tǒng)軟件組成有主程序模塊統(tǒng)籌控制模塊和管理模塊，控制模塊由位置控制模塊、差補(bǔ)模塊、速度控制模塊、I/O控制模塊組成，管理模塊由人機(jī)界面模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、程序下載模塊構(gòu)成。

其中，系統(tǒng)的控制由位置控制模塊、插補(bǔ)模塊、速度處理模塊和開關(guān)量 I/O 控制模塊等，因?yàn)檐浖绦虻膬?yōu)先等級(jí)需要要求較高，說(shuō)明需要系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng);系統(tǒng)的管理模塊由人機(jī)界面顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和程序下載模塊等3部分組成，這部分模塊對(duì)系統(tǒng)的實(shí)行性所需要要求較低，所以模塊優(yōu)先級(jí)要求也較低。所以可以認(rèn)為，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能是用子功能來(lái)完成的，如果要增加系統(tǒng)的功能，就需要來(lái)增加子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

要實(shí)現(xiàn)所需要的功能，就要對(duì)系統(tǒng)控制器的軟件有一個(gè)規(guī)劃，區(qū)分出每個(gè)功能模塊，只有這樣才能完成 ?DSP 芯片上設(shè)計(jì)程序的成功運(yùn)行。本系統(tǒng)軟件主要由2個(gè)層次組成，分別是 PC 層軟件和 DSP 層軟件，其中PC ?層軟件的功能是指在完成程序的傳遞運(yùn)輸和完成程序下載的功能;在插卡式系統(tǒng)控制中，除了完成程序的傳遞運(yùn)輸和完成程序下載的功能，還需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)作實(shí)時(shí)位置顯示、運(yùn)動(dòng)命令發(fā)送等人機(jī)交互界面的功能。 運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能由 DSP 層的軟件完成，由運(yùn)動(dòng)控制模塊、速度控制模塊、通信功能模塊、參數(shù)設(shè)置模塊等組成。

各部分相關(guān)說(shuō)明如下

運(yùn)動(dòng)控制 ：運(yùn)動(dòng)控制功能是運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能，包括位置控制、插補(bǔ)和輔助功能的輸入輸出I/O 控制。本系統(tǒng)基本功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自由度運(yùn)動(dòng)的控制，包含機(jī)械手6個(gè)組成的各個(gè)運(yùn)動(dòng)角度等。

速度控制 ：速度控制即調(diào)速，利用加減速算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

通信功能 ：系統(tǒng)控制器不僅僅是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，它還需要完成與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主機(jī)通信主要完成兩個(gè)功能環(huán)節(jié)：一個(gè)是程序的下載，另一個(gè)是控制指令的發(fā)送和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反饋。

參數(shù)設(shè)置 ：作為開放式運(yùn)動(dòng)控制器，可以允許使用者對(duì)控制系統(tǒng)的每一個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與修改。

二工作軌跡的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械手坐標(biāo)系的概述

對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)械手則是其機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來(lái)保證復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)的綜合剛體，而它自身也往往需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。對(duì)于位置描述，需要建立一個(gè)坐標(biāo)系，然后用某個(gè)3×1位置矢量來(lái)確定該坐標(biāo)空間的任意一點(diǎn)的位置，并用3×1列矢量表示，成為位置矢量。對(duì)于物體的方位，也用固接與該物體的坐標(biāo)系來(lái)描述。對(duì)于直角坐標(biāo)系{A}任意一點(diǎn)P的位置可用3×1的列矢量表示，其中是點(diǎn)P在坐標(biāo)系A(chǔ)}中的三個(gè)坐標(biāo)分量，則為位置矢量。

2.2工作軌跡的生成

所謂軌跡，是指機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度、加速度。用戶只需要給出手部的目標(biāo)位姿，讓規(guī)劃器確定到該目標(biāo)的路徑點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)軌跡。并在計(jì)算機(jī)內(nèi)部描述出所要求的軌跡。我們所用到機(jī)械手不僅要規(guī)定機(jī)械手的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，還要指出兩點(diǎn)間的若干中間點(diǎn)（路徑點(diǎn)），必須沿特定的路徑運(yùn)動(dòng)。

2.3工作軌跡的傳輸

當(dāng)三維掃描系統(tǒng)需要執(zhí)行任務(wù)時(shí)，首先要對(duì)測(cè)量傳感器和定位傳感器進(jìn)行離線標(biāo)定，然后按照所規(guī)劃好的軌跡開始運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄示教軌跡，然后通過(guò)I/O輸入輸出接口模塊傳輸?shù)紻SP主控模塊，并進(jìn)行掃描軌跡的存儲(chǔ)，還可以經(jīng)由DSP主控模塊由串口通信或USB通信傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行規(guī)劃軌跡的仿真及檢測(cè)，以免在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生意外。

2.4工作過(guò)程

當(dāng)測(cè)量任務(wù)下發(fā)后，三維掃描系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)工作狀態(tài)。開始測(cè)量準(zhǔn)備完成后，三維掃描系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。機(jī)械手從起始點(diǎn)（原點(diǎn)）位置開始進(jìn)行工作，通過(guò)底座的移動(dòng)到達(dá)被測(cè)物體上表面進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)物體表面的尺寸大小，決定底座移動(dòng)次數(shù)和對(duì)上表面進(jìn)行測(cè)量的次數(shù);上表面測(cè)量完成以后，根據(jù)動(dòng)作需要將機(jī)械手移動(dòng)到側(cè)面，利用手臂的可運(yùn)動(dòng)角度對(duì)側(cè)面進(jìn)行全面掃描;側(cè)面測(cè)量完成后，再將機(jī)械手移動(dòng)到被測(cè)物體的前面進(jìn)行全面掃描，同理對(duì)剩下的三個(gè)面進(jìn)行依次測(cè)量，并完成對(duì)掃描數(shù)據(jù)的采集，利用數(shù)據(jù)的拼接優(yōu)化，完成數(shù)據(jù)的整理，再通過(guò)通訊模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，完成此次測(cè)量任務(wù)。工作結(jié)束后，對(duì)三維掃描系統(tǒng)復(fù)位。

參考文獻(xiàn)

[1]金剛. 前景廣闊的三維數(shù)字化技術(shù)，中國(guó)圖形圖象學(xué)報(bào)， 1996

[2]胡寅. 三維掃描儀與逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究，華中科技大學(xué)， 2005

[3]趙來(lái)賓.三維植物根系掃描系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)，華中科技大學(xué)， 2012