三维全息成像的伺服旋转扫描系统的制作方法

本实用新型属于机械传动与伺服控制技术领域，尤其涉及三维全息成像的伺服旋转扫描系统。

背景技术：

三维全息成像系统广泛应用于安检领域，相比于平板式成像系统，因其能多视角观察成像而实现无死角覆盖检测携带的异物。为了实现精准的三维成像需要采取圆柱扫描的形式对被测者多角度覆盖，因此，对三维全息成像的伺服旋转扫描系统提出了较高要求，在运转过程中收发天线模块旋转框架需要在一定角度范围内旋转并保证旋转框架整体在横向和径向上的形变或抖动低于一定阈值；由于市场对于成像速度的要求，三维全息成像系统在运转过程中的扫描速度较高，造成扫描启动和停止时的稳定性降低。此外，为配合收发天线模块的信号准确发射与接收，电机转动与收发天线模块收发间亦需要保证在一定时序上同步工作，因此对伺服控制系统的实时监控与检测提出了要求；在伺服控制系统多次往复扫描过程中，每次扫描的起始和终止位置必须精准定位，实时的电机输出转角和旋转框架实际转角也要及时反馈且反馈时延要满足一定要求。市场急需开发出能满足上述技术要求的三维全息成像的伺服旋转扫描系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种三维全息成像的伺服旋转扫描系统，旨在解决现有三维全息成像系统由于收发天线模块运转速度较高引起扫描启动和停止时的稳定性较低的技术问题，同时满足伺服旋转扫描系统的实时监控与检测，以及多次往复扫描过程中每次扫描起始和终止位置精准定位。

本实用新型是这样实现的，三维全息成像的伺服旋转扫描系统，包括：

用于安装收发天线模块的旋转框架；

用于驱动所述旋转框架转动的伺服电机，所述伺服电机具有检测其输出转角的第一角度传感器；

设于所述旋转框架的转动轴线上且用于检测所述旋转框架的实际转角的第二角度传感器；

与所述第二角度传感器电连接的控制组件；以及

用于依据所述旋转框架的实际转角与所述伺服电机的输出转角控制所述伺服电机转动的伺服驱动器，所述第一角度传感器、所述控制组件均与所述伺服驱动器电连接。

进一步地，所述旋转框架包括由所述伺服电机驱动转动的第一横臂及两个分别设于所述第一横臂的两端且用于安装收发天线模块的载臂。

进一步地，所述第一横臂的转动轴线位于所述第一横臂的中心处。

进一步地，所述旋转框架还包括连接于两个所述载臂之间的第二横臂，所述第一横臂与所述第二横臂相对设置。

进一步地，所述第一横臂、两个所述载臂与所述第二横臂呈矩形布置。

进一步地，还包括具有相对设置的上安装臂与下安装臂的固定支架，所述旋转框架转动安装于所述上安装臂与所述下安装臂之间。

进一步地，所述伺服电机设于所述上安装臂，所述第一横臂转动安装于所述上安装臂，所述第二横臂转动安装于所述下安装臂；或者，所述伺服电机设于所述下安装臂，所述第一横臂转动安装于所述下安装臂，所述第二横臂转动安装于所述上安装臂。

进一步地，所述伺服电机与所述旋转框架之间通过一减速器连接。

进一步地，所述控制组件包括上位机、用于接收所述上位机发出的扫描指令的第一控制器及与所述第一控制器通信连接且与所述伺服驱动器电连接的第二控制器。

进一步地，还包括用于检测所述旋转框架的转动正负方位并对所述旋转框架的转角限位的转向传感器，所述转向传感器与所述第二控制器电连接。

本实用新型相对于现有技术的技术效果是，三维全息成像的伺服旋转扫描系统主要由具有第一角度传感器的伺服电机、第二角度传感器、控制组件、伺服驱动器和旋转框架组成，该三维全息成像的伺服旋转扫描系统是一个全闭环伺服控制系统，第二角度传感器检测旋转框架的实际转角并向控制组件反馈一框架反馈信号，在控制组件中指令信号与框架反馈信号比较产生一跟随误差，第一角度传感器检测伺服电机的输出转角并向伺服驱动器反馈一电机反馈信号，伺服驱动器依据跟随误差与电机反馈信号控制伺服电机转动。

该三维全息成像的伺服旋转扫描系统结构简单，成本较低，易组装，旋转精度高，易于控制。旋转框架在运转速度较高情况下，也能保证扫描启动和停止时的稳定性。为配合收发天线模块的信号准确发射与接收，伺服电机转动与收发天线模块收发间能保证在一定时序上同步工作，能满足伺服控制系统的实时监控与检测要求。在伺服控制系统多次往复扫描过程中，每次扫描的起始和终止位置能精准定位，实时的伺服电机的输出转角和旋转框架的实际转角也能及时反馈且反馈时延满足一定要求。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例提供的三维全息成像的伺服旋转扫描系统的立体结构图；

图2是三维全息成像的伺服旋转扫描系统的结构示意图；

图3是本实用新型第二实施例提供的三维全息成像的伺服旋转扫描系统的立体结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1、图2，本实用新型第一实施例提供的三维全息成像的伺服旋转扫描系统，包括用于安装收发天线模块90的旋转框架10；用于驱动旋转框架10转动的伺服电机20，伺服电机20具有检测其输出转角的第一角度传感器21；设于旋转框架10的转动轴线上且用于检测旋转框架10的实际转角的第二角度传感器30；与第二角度传感器30电连接的控制组件40；以及用于依据旋转框架10的实际转角与伺服电机20的输出转角控制伺服电机20转动的伺服驱动器50，第一角度传感器21、控制组件40均与伺服驱动器50电连接。

三维全息成像的伺服旋转扫描系统主要由具有第一角度传感器21的伺服电机20、第二角度传感器30、控制组件40、伺服驱动器50和旋转框架10组成，该三维全息成像的伺服旋转扫描系统是一个全闭环伺服控制系统，第二角度传感器30检测旋转框架10的实际转角并向控制组件40反馈一框架反馈信号A，在控制组件40中指令信号I与框架反馈信号A比较产生一跟随误差E，第一角度传感器21检测伺服电机20的输出转角并向伺服驱动器50反馈一电机反馈信号B，伺服驱动器50依据跟随误差E与电机反馈信号B控制伺服电机20转动。

该三维全息成像的伺服旋转扫描系统结构简单，成本较低，易组装，旋转精度高，易于控制。旋转框架10在运转速度较高情况下，也能保证扫描启动和停止时的稳定性。为配合收发天线模块90的信号准确发射与接收，伺服电机20转动与收发天线模块90收发间能保证在一定时序上同步工作，能满足伺服控制系统的实时监控与检测要求。在伺服控制系统多次往复扫描过程中，每次扫描的起始和终止位置能精准定位，实时的伺服电机20的输出转角和旋转框架10的实际转角也能及时反馈且反馈时延满足一定要求。

收发天线模块90包括若干呈列状分布的收发天线单元。收发天线单元包括发射天线及相邻于发射天线设置的接收天线，所有收发天线单元中的发射天线 依次发射的照射至待成像物，由待成像物反射回的毫米波由对应于发射天线的接收天线依次接收，即可对预定扫描区扫描。具体地，收发天线模块90为毫米波收发天线模块，毫米波是指频率为26GHz到300GHz电磁波。

第一角度传感器21为伺服电机20自带，用于检测伺服电机20的输出转角。第二角度传感器30可安装在旋转框架10转动轴线的任意部件处，比如旋转框架10的上方或下方，用于检测旋转框架10实际转角。第一角度传感器21、第二角度传感器30可以为旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、编码器或其它角度检测元件，具体按需选用。

在上述全闭环伺服控制系统中，控制组件40中设置有指令信号I，控制组件40的指令信号I与框架反馈信号A比较产生一跟随误差E，若跟随误差E超过一定范围可产生警告信号，伺服驱动器50依据跟随误差E与电机反馈信号B控制伺服电机20转动。第二角度传感器30向控制组件40反馈的框架反馈信号A为位置反馈信号，第一角度传感器21向伺服驱动器50反馈的电机反馈信号B为位置、速度反馈信号。其中，伺服驱动器50依据跟随误差E与电机反馈信号B控制伺服电机20转动，所涉及相关软件算法为现有技术。

进一步地，旋转框架10包括由伺服电机20驱动转动的第一横臂11及两个分别设于第一横臂11的两端且用于安装收发天线模块90的载臂12。伺服电机20驱动第一横臂11转动，两个载臂12相对分布，每一载臂12的内侧均设有一收发天线模块90，两个收发天线模块90之间形成预定扫描区，两个收发天线模块90绕同一铅垂线转动以扫描预定扫描区。伺服电机20驱动旋转框架10作半圆周往复扫描运动，可实现圆柱旋转扫描，人站在预定扫描区内，只要扫描一次即可完成人体的三维扫描。两个载臂12均沿竖直方向延伸，两个载臂12上的收发天线模块90绕同一铅垂线转动可扫描预定扫描区。

进一步地，第一横臂11的转动轴线位于第一横臂11的中心处。该结构让旋转框架10绕转动轴线对称平稳旋转，在运转过程中旋转框架10能在一定角度范围内旋转并保证旋转框架10整体在横向和径向上的形变或抖动低于一定 阈值。

进一步地，伺服电机20带动旋转框架10绕转动轴线做往复扫描运动。单次扫描覆盖-90°至90°内任意角度区间。优选地，旋转角度为120°，下一次扫描沿相反方向扫描同样角度。旋转扫描角速度θ范围是10°/s<θ<80°/s；单次扫描时间范围为2秒至10秒。具体按需选用。

或者，载臂12的数量为一，载臂12的内侧设有一收发天线模块90，收发天线模块90朝向于转动轴线的一侧形成预定扫描区，收发天线模块90绕一铅垂线转动以扫描预定扫描区。该方案可实现局部旋转扫描或圆柱旋转扫描。比如收发天线模块90的旋转角度范围为120°，人站在预定扫描区内，人前后两侧分别面向收发天线模块90，扫描两次即可完成人体的三维扫描。或者，收发天线模块90的旋转角度范围为300°，人站在预定扫描区内，扫描一次即可完成人体的三维扫描。

进一步地，旋转框架10还包括连接于两个载臂12之间的第二横臂13，第一横臂11与第二横臂13相对设置。伺服电机20驱动第一横臂11转动，可同时带动两个载臂12上的收发天线模块90绕同一铅垂线转动以扫描预定扫描区，而且第二横臂13让旋转框架10整体结构稳定，转动时抖动小。

进一步地，第一横臂11、两个载臂12与第二横臂13呈矩形布置。该结构稳定，在运转过程中旋转框架10能在一定角度范围内旋转并保证旋转框架10整体在横向和径向上的形变或抖动低于一定阈值。

进一步地，两个载臂12对称垂直安装在第一横臂11与第二横臂13两端，铅直度误差保证在0.01°范围内。第一横臂11与第二横臂13内表面相互平行，两个载臂12的内表面(朝向圆柱中心的表面)实际之间不平行度保证在±0.5mm/2000mm范围内。两个载臂12的内表面之间的距离为1200.0mm。第一横臂11与第二横臂13的中心连线为旋转框架10的转动轴线。采用框架式的旋转结构，在旋转扫描运动过程中，收发天线模块90与其载臂12及伺服电机20之间的相对位置关系固定，收发天线模块90载臂12径向和切向震动幅度小。收发天线 模块90与其载臂12及伺服电机20之间的相对位置关系偏离范围应限制在径向振动幅度小于±0.5mm，切向振动幅度量小于±0.5mm。结构可拆卸，重复安装精度高，分拆部件后的可重复安装精度保证在±0.5mm/2000mm范围内。

进一步地，第一横臂11、两个载臂12与第二横臂13为一体成型结构或者组装结构。比如，第一横臂11、两个载臂12与第二横臂13为整体铸造，该方案容易加工，结构稳定。

进一步地，还包括具有相对设置的上安装臂61与下安装臂62的固定支架60，旋转框架10转动安装于上安装臂61与下安装臂62之间。固定支架60便于旋转框架10的装配，旋转框架10可稳定旋转于固定支架60上。固定支架60可采用四支撑柱形式，上安装臂61与下安装臂62采用工字梁，容易加工，结构稳定。可以理解地，不配置固定支架60，通过伺服电机20驱动旋转框架10转动也是可行的。

进一步地，伺服电机20安装于上安装臂61，第一横臂11转动安装于上安装臂61，第二横臂13转动安装于下安装臂62。整体结构稳定，在旋转框架10转动时抖动小，第二横臂13可以布置在较低的位置。第二横臂13上设有转轴，下安装臂62上安装有安装孔，转轴的端部插接于安装孔，转轴可绕安装孔轴线转动，实现第二横臂13转动安装于下安装臂62。

进一步地，伺服电机20与旋转框架10之间通过一减速器70连接。减速器70通过降低输出转速而提高输出转矩，以驱动旋转框架10转动。该方案结构简单，安装便捷，可保证定位精确性。

进一步地，控制组件40包括上位机41、用于接收上位机41发出的扫描指令的第一控制器42及与第一控制器42通信连接且与伺服驱动器50电连接的第二控制器43。用户通过上位机41输入指令，上位机41通过第一控制器42发送控制指令到第二控制器43，并接收返回状态信息。第一控制器42与第二控制器43间进行通信，第一控制器42发送控制命令给第二控制器43并接收返回状态信息。第二控制器43根据接收到的控制命令，发送使能控制、扫描方向指 令和扫描速度指令至伺服驱动器50，通过伺服驱动器50间接控制伺服电机20的转动。伺服电机20的转动速度预设在伺服驱动器50，伺服驱动器50依据不同的速度指令驱动伺服电机20以不同的速度模式运转。伺服驱动器50可预设多种运转模式以满足精准转动和定位的需求。同时，伺服电机20内置第一角度传感器21在伺服电机20运转时产生脉冲序列反馈至第二控制器43分析伺服电机20运行状态，并将状态信息返回至上位机41程序，第二角度传感器30产生脉冲信号实时反馈至第二控制器43，伺服驱动器50驱动伺服电机20转动。第二角度传感器30将脉冲信号输入第一控制器42，第一控制器42处理接收到的脉冲信号判断是否触发收发天线模块90及其它模块的工作。

具体地，第一控制器42为PLC可编程逻辑器件。第二控制器43为FPGA控制板。PLC可编程逻辑器件与FPGA控制板配合，使整个系统更稳定，方便后期维修，能降低整体系统发生故障的概率。FPGA控制板与PLC可编程逻辑器件间进行通信，通信接口可采用RS422/RS232或网口实现通信，同PLC可编程逻辑器件的通信协议包括帧头、指令字、状态字、帧计数以及校验位信息；PLC可编程逻辑器件同伺服驱动器50的通信协议满足驱动器的设计要求。FPGA控制板产生各类触发信号和时序信号触发收发天线模块90以及其他设备工作，FPGA控制板触发接口数量大于2，FPGA控制板所触发的设备包括但不限于收发天线模块90，而且可多通道输出，多通道组合输出时序信号以触发或控制其他设备，如四通道组合输出产生16位独立的时间信号。可以理解地，第一控制器42与第二控制器43还可以选用其它类型的控制器。

进一步地，第二角度传感器30为编码器，编码器实时检测旋转框架10实际转角信号并输入至第一控制器42；在扫描运动过程中，伺服旋转扫描系统计算方波信号的个数来确定已旋转的角度，角度位置分辨率优于0.005°；每间隔Δθ(Δθ为角度间隔，Δθ为0.20°至0.40°之间的确定的角度值)发送一个位置触发信号，有效行程θ旋转扫描运动中，共计输出N(N＝θ/Δθ，且取N整数部分)个角度位置触发信号；扫描运动的角度间隔由通讯接口通过第二控制器43 中的程序设置。在往复扫描过程中，上安装臂61与下安装臂62的重复定位精度为±0.01°(重复100次)；上安装臂61与下安装臂62的绝对定位精度为±0.01°；位置触发脉冲对应的角度位置误差应优于±0.01°。

进一步地，还包括用于检测旋转框架10的转动正负方位并对旋转框架10的转角限位的转向传感器80，转向传感器80与第二控制器43电连接。转向传感器80实时监测当前旋转框架10的正负方位并获取绝对零位置，转向传感器80还监测选装框架是否超过极限位置，并将状态信息反馈至第二控制器43。具体地，转向传感器80可以为光电开关、两个旋转编码器的组合或其它转向传感器。转向传感器80采用光电开关，安装在转动轴线上并固定在固定支架60上，以0°为中心零位，负角度为负方向，正角度为正方向。光电开关以输出高低电平来区分正负方向，高低电平跳变处为中心零位置。或者，转向传感器80采用两个旋转编码器，两个旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲可以测量转速和判断旋转的方向。还有，转向传感器80内部设置为只在一定角度范围内输出正负电平，如正负各60°为限位，当超出限定的角度时输出不同的信号以示扫描角度超出规定范围上限，并将信号发送至第二控制器43，以便采取安全措施。可选取的措施包括但不限于断电、电机使能中断、电机不负载空转等。转向传感器80将方位信号、限位信号等实时发送至第二控制器43以便控制伺服电机20以正确安全的方式转动。

进一步地，还包括用于对伺服电机20、控制组件40与伺服驱动器50等器件提供电能的电源。

请参阅图2、图3，本实用新型第二实施例提供的三维全息成像的伺服旋转扫描系统，与第一实施例提供的三维全息成像的伺服旋转扫描系统大致相同，与第一实施例不同的是，伺服电机20设于下安装臂62，第一横臂11转动安装于下安装臂62，第二横臂13转动安装于上安装臂61。整体结构稳定，在旋转框架10转动时抖动小，伺服电机20安装便捷，整体系统使用安全。第二横臂13上设有转轴，上安装臂61上安装有安装孔，转轴的端部插接于安装孔，转 轴可绕安装孔轴线转动，实现第二横臂13转动安装于上安装臂61。

三维全息成像的伺服旋转扫描系统主要由具有第一角度传感器21的伺服电机20、第二角度传感器30、控制组件40、伺服驱动器50和旋转框架10组成，该三维全息成像的伺服旋转扫描系统是一个全闭环伺服控制系统，第二角度传感器30检测旋转框架10的实际转角并向控制组件40反馈一框架反馈信号A，在控制组件40中指令信号I与框架反馈信号A比较产生一跟随误差E，第一角度传感器21检测伺服电机20的输出转角并向伺服驱动器50反馈一电机反馈信号B，伺服驱动器50依据跟随误差E与电机反馈信号B控制伺服电机20转动。

该三维全息成像的伺服旋转扫描系统结构简单，成本较低，易组装，旋转精度高，易于控制。旋转框架10在运转速度较高情况下，也能保证扫描启动和停止时的稳定性。为配合收发天线模块90的信号准确发射与接收，伺服电机20转动与收发天线模块90收发间能保证在一定时序上同步工作，能满足伺服控制系统的实时监控与检测要求。在伺服控制系统多次往复扫描过程中，每次扫描的起始和终止位置能精准定位，实时的伺服电机20的输出转角和旋转框架10的实际转角也能及时反馈且反馈时延满足一定要求。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。