三维扫描系统的控制系统设计

李慧慧

摘要 ：目前，对国民经济发展起重要作用的是制造业。由于制造技术的飞速发展，尤其是出现的先进制造技术，让制造业产生了巨大变化，尤其是国际化的大环境对产质量和制造工艺提出了新的高的要求，同时也带来了实际的工程测量问题。

随着三维测量技术的完善和不断发展，利用可编程控制机械手臂高度灵活、自动化和稳定的特性，实现自动化三维测量有望成为新兴先进制造业领域解决诸多三维测量问题的有效解决方案。

关键词：三维扫描;机械手;自动化测量;系统控制

中图分类号：A 文献标识码：A 文章编号：（2021）-54-

一、控制系统

三维扫描控制系统是为了连接pc机、定位传感器、机械臂、测量传感器的控制装置，完成控制三维扫描系统对于任意物体通过智能分析（离线标定、执行扫描、数据拼接）且自动完成测量任务的功能。

1.1 DSP控制系统

三维扫描系统的运行程度与控制器有很大关联，选择一个具有稳定、功能强大、经济的控制器是很有必要的。随着控制技术、软件和硬件技术的快速发展，为控制器的选择提供的有利的条件。

传统的控制器采用单片机控制较多，在控制运行的过程中，经常发生驱动故障，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。

作为一种微处理器，是为完成实时数字信号处理任务而设计的，算法的高效实现是DSP器件的核心：改进的哈佛结构（多总线，片内多条数据、地址和控制总线）、流水线技术（多个控制和运算部件并行工作）。DSP软件优点模块编程好，工程化编程支持，可将软件开发人员和硬件开发人员基本上分离。

DSP特点：DSP器件的发展，兼顾性能、功耗、价格三个因素;DSP+ARM的双核结构，用户只需添加极少的外部芯片，即可组成一个完整的应用系统;更多并行的体系结构­，实现最高程度的并行计算，从而使功能最大化等。

1.2控制系统硬件组成

控制器的硬件布局有以下几个部分组成：DSP+CPLD 作为主要控制部分，包含 DSP核心控制部分和 CPLD 驱动部分和CPLD扩展部分;通信接口部分，包括 PCI 总线部分、USB 总线部分和USB串口部分;I/O 輸入输出接口部分以及外围存储器部分。

1.3控制系统软件

系统控制器在工作生产中是一个独立的过程控制单元，，它由硬件和软件共同完成所需要的动作极其功能。硬件为软件运行供应所需要的环境，软件则用来完成系统所需要的功能。本系统软件是由控制模块和管理模块两大模块组成。

控制系统软件组成有主程序模块统筹控制模块和管理模块，控制模块由位置控制模块、差补模块、速度控制模块、I/O控制模块组成，管理模块由人机界面模块、参数设置模块、程序下载模块构成。

其中，系统的控制由位置控制模块、插补模块、速度处理模块和开关量 I/O 控制模块等，因为软件程序的优先等级需要要求较高，说明需要系统的实时性较强;系统的管理模块由人机界面显示模块、参数设置模块和程序下载模块等3部分组成，这部分模块对系统的实行性所需要要求较低，所以模块优先级要求也较低。所以可以认为，一个运动控制系统的基本功能是用子功能来完成的，如果要增加系统的功能，就需要来增加子功能来实现。

要实现所需要的功能，就要对系统控制器的软件有一个规划，区分出每个功能模块，只有这样才能完成  DSP 芯片上设计程序的成功运行。本系统软件主要由2个层次组成，分别是 PC 层软件和 DSP 层软件，其中PC  层软件的功能是指在完成程序的传递运输和完成程序下载的功能;在插卡式系统控制中，除了完成程序的传递运输和完成程序下载的功能，还需要实现动作实时位置显示、运动命令发送等人机交互界面的功能。 运动控制器的主要功能由 DSP 层的软件完成，由运动控制模块、速度控制模块、通信功能模块、参数设置模块等组成。

各部分相关说明如下

运动控制 ：运动控制功能是运动控制器的主要功能，包括位置控制、插补和辅助功能的输入输出I/O 控制。本系统基本功能是实现机械臂自由度运动的控制，包含机械手6个组成的各个运动角度等。

速度控制 ：速度控制即调速，利用加减速算法，实现系统的平稳运动。

通信功能 ：系统控制器不仅仅是一个孤立的系统，它还需要完成与外界进行数据交换，主机通信主要完成两个功能环节：一个是程序的下载，另一个是控制指令的发送和运动状态的反馈。

参数设置 ：作为开放式运动控制器，可以允许使用者对控制系统的每一个参数进行实时调整与修改。

二工作轨迹的设计

2.1机械手坐标系的概述

对于机器人系统，机械手则是其机械运动部分，它的执行机构是用来保证复杂空间运动的综合刚体，而它自身也往往需要进行运动。对于位置描述，需要建立一个坐标系，然后用某个3×1位置矢量来确定该坐标空间的任意一点的位置，并用3×1列矢量表示，成为位置矢量。对于物体的方位，也用固接与该物体的坐标系来描述。对于直角坐标系{A}任意一点P的位置可用3×1的列矢量表示，其中是点P在坐标系A}中的三个坐标分量，则为位置矢量。

2.2工作轨迹的生成

所谓轨迹，是指机械手在运动过程中的位移、速度、加速度。用户只需要给出手部的目标位姿，让规划器确定到该目标的路径点、持续时间、运动速度等参数轨迹。并在计算机内部描述出所要求的轨迹。我们所用到机械手不仅要规定机械手的起始点和终止点，还要指出两点间的若干中间点（路径点），必须沿特定的路径运动。

2.3工作轨迹的传输

当三维扫描系统需要执行任务时，首先要对测量传感器和定位传感器进行离线标定，然后按照所规划好的轨迹开始运行，系统会自动记录示教轨迹，然后通过I/O输入输出接口模块传输到DSP主控模块，并进行扫描轨迹的存储，还可以经由DSP主控模块由串口通信或USB通信传输到计算机，进行规划轨迹的仿真及检测，以免在检测过程中发生意外。

2.4工作过程

当测量任务下发后，三维扫描系统进入准工作状态。开始测量准备完成后，三维扫描系统进入工作状态。机械手从起始点（原点）位置开始进行工作，通过底座的移动到达被测物体上表面进行测量，根据物体表面的尺寸大小，决定底座移动次数和对上表面进行测量的次数;上表面测量完成以后，根据动作需要将机械手移动到侧面，利用手臂的可运动角度对侧面进行全面扫描;侧面测量完成后，再将机械手移动到被测物体的前面进行全面扫描，同理对剩下的三个面进行依次测量，并完成对扫描数据的采集，利用数据的拼接优化，完成数据的整理，再通过通讯模块传输到计算机，完成此次测量任务。工作结束后，对三维扫描系统复位。

参考文献

[1]金刚. 前景广阔的三维数字化技术，中国图形图象学报， 1996

[2]胡寅. 三维扫描仪与逆向工程关键技术研究，华中科技大学， 2005

[3]赵来宾.三维植物根系扫描系统的研究与实现，华中科技大学， 2012