一种人体3d扫描转速自适应控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及3D扫描领域，特别指一种人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]人体三D扫描系统也称三维人体测量系统，人体数字化系统，广泛应用于服装，动画，人机工程以及医学等领域，是发展人体(人脸)模式识别，特种服装设计(如航空航天服，潜水服)，人体特殊装备(人体假肢，个性化武器装备)，以及开展人机工程研究的理想工具；人体3D扫描技术通过将3D扫描专用于人体扫描，以便建立完整、精细的人体三维模型，3D扫描技术需要将人体360°全方位扫描，人体3D扫描仪采用摄像头竖直运动，机旋转转盘匀速转动相结合的结构形式，人体站在旋转转盘上匀速旋转，以便对人体的某一高度处进行全方位，在竖直方向移动的摄像头，对人体的不同高度进行扫描；在实际扫描过程中，旋转转盘匀速旋转时，多个扫描者逐次进行扫描，扫描者替换站至旋转转盘上，由于各扫描者的体重不同，对旋转转盘的压力也逐次变化，压力变化直接影响旋转转盘的转速，而扫描仪摄像头的移动速度与旋转转盘的转速预先已经设定，旋转转盘转速发生变化，必然导致扫描得到的模型不完整，转速变化过大时，甚至出现扭曲变形，影响扫描质量，同时，人体站至旋转转盘上时，因转速变化会导致站立不稳；因此有必要设计一种转速控制系统，对转速进行实时控制调整，以保证扫描效果。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种利用霍尔测速传感器对转盘电机的转速进行自动实时地感应监测，并通过MCU芯片快速调整转速至预设值，最大程度地缩小了转速变化值到预设值之间的相应时间，避免了转盘因转速变化而影响扫描质量的人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法。
[0004]本发明采取的技术方案如下:一种人体3D扫描转速自适应控制系统，包括MCU芯片、转盘电机驱动模块、霍尔测速传感器、电源模块及转盘电机，其中，上述MCU芯片与转盘电机驱动模块连接，以便发送控制命令至转盘驱动模块；上述霍尔测速传感器及转盘电机分别与转盘电机驱动模块连接，霍尔测速传感器与MCU芯片连接，形成闭环控制系统；转盘电机驱动模块控制和监测转盘电机工作，霍尔测速传感器监测转盘电机的转速，形成正反馈及负反馈信号，并将正反馈及负反馈信号传递至MCU芯片，MCU芯片根据反馈信号算出偏差值，形成功率改变命令，并将该命令发送至转盘电机驱动模块，以控制转盘电机以预设转速匀速旋转。
[0005]优选地，所述的电源模块包括相互串联的第一电源转换芯片LM2576及第二电源转换芯片ASMl117，第一电源转换芯片LM2576的接入电压为12V，输出电压为5V，第二电源转换芯片ASM1117的接入电压为5V，输出电压为3V ;上述MCU芯片型号为STM32F103RBT6，MCU芯片与电源模块的VCC-3V3端连接；转盘电机驱动模块的芯片型号为BTS7960，转盘电机驱动模块与电源模块的VCC-12V端连接；霍尔测速传感器与电源模块的VCC-3V3端及VCC-5V端连接。
[0006]优选地，所述的转盘电机设置在旋转转盘内，旋转转盘包括壳体、支撑架、转盘电机、转盘及支撑盘，其中上述壳体为圆柱型盒状结构，其内设有安装空间，该安装空间的顶部为开放面；上述支撑架设置在壳体的安装空间内，转盘电机嵌设在支撑架内并通过传动机构与转盘连接；转盘设置在支撑架上，并绕支撑架自由旋转；上述支撑盘盖设在转盘上，并随转盘旋转，以带动站在支撑盘上的人体旋转。
[0007]优选地，所述的支撑架为圆柱型框体结构，包括上下两个间隔设置的支撑圆环，两支撑圆环之间设有至少两根支撑杆，以便支撑，其中，下支撑圆环的周缘均匀间隔设有至少二个外沿部，外沿部上开有螺孔，以便通过螺钉将支撑架固定在壳体内；所述的转盘电机设置在支撑架内，转盘电机的输出轴向上伸出，输出轴上设有第一齿轮，转盘电机驱动第一齿轮旋转；所述的第一齿轮与第二齿轮啮合，以带动第二齿轮旋转；第二齿轮的底部固定有套筒；所述的套筒套设在限位轴上，并绕限位轴自由旋转，限位轴固定设置在壳体的底部。
[0008]优选地，所述的转盘压设在上述第二齿轮上，转盘的周缘均匀间隔的开设至少二个螺孔，通过螺钉固定在支撑架的内转环上；内转环设置在支撑架上支撑圆环的内侧，并自由旋转，第二齿轮旋转带动转盘旋转。
[0009]优选地，所述的支撑盘设置在转盘的上部，并将壳体的顶部开放面盖紧，人体站在支撑盘，使支撑盘压紧转盘，在静摩擦作用下转盘带动支撑盘旋转。
[0010]一种人体3D扫描转速自适应控制系统的控制方法，包括以下步骤:
51、MCU芯片预设转盘转速预设值；
52、MCU芯片发送旋转命令至转盘电机驱动模块；
53、转盘电机驱动模块驱动转盘电机以预设值匀速旋转；
54、人体站到转动的旋转转盘上，转盘转速减小；
55、霍尔测速传感器感应转盘转速变化，形成正负反馈信号，并将信号传递至MCU芯片;
56、MCU芯片根据反馈信号算出偏差值，形成转盘电机功率改变量，并输送至转盘电机驱动t吴块；
57、转盘电机驱动模块控制转盘电机功率，使转盘电机的转速接近预设值。
[0011]优选地，所述的步骤S6中MCU芯片采用以下公式:
M(t) =KC*e+ KC* +Minitial+ KOTD氺(1-1)
输出M(t)是比例项(P)、积分项(I)、微分项(D)的函数，积分与微分项分别改写成差分方程，可得:
(l-2)=e(l)+e(2)+............+e (k) ; (1-3) = [e (k) _e (k_l) ]/T ; T 是离散采样周期
将上(1-2)和(1-3)式代入输出项函数(1-1)式，可得数字偏差算式(1-4)为: Mn=KC*en+KC* +Minitial+ KC* *(en-en_l) (1-4)
输出=比例项+积分项+微分项；
(1-1)与(1-4)式中:M(t):回路输出(时间函数)；Mn:第n次采样时刻，PID回路输出的计算值(OUT值)；T:采样周期(或控制周期)；Minitial:PID回路输出初始值；Kc:PID回路增益；T1:积分项的比例常数；TD:微分项的比例常数；en:在第η次采样时刻的偏差值(en=SPn-PVn) ; en-1:在第n_l次采样时刻的偏差值(也称偏差前项)。
[0012]优选地，所述的比例项是当前误差采样的函数；积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数；微分项是当前误差采样和前一次误差采样的函数；从第一次误差采样开始，利用每一次偏差采样都会计算出的输出值的特点，在以后的输出值计算时只需保存偏差前项和积分项前值；利用计算机的处理的周期重复性，根据数字偏差算式计算出下一次积分项值，简化上述的数字偏差算式(1-4)为:Mn=KC*en+KC* en +MX+ KC**(en-en-1) (1-5)
CPU实际计算中使用的是α-5)简化算式的改进比例项、积分项、微分项和的形式计算PID输出的；
改进型算式是:Mn = MPn +MIn + MDn (1-6)
输出=比例项+积分项+微分项；
(1-5)和(1-6)式中:Mn:第η次采样时刻，PID回路输出的计算值(OUT值)MPn:第η次采样时刻的比例项；MIn:第η次采样时刻的积分项；MDn:第η次采样时刻的微分项；T:采样周期(或控制周期)；MX:PID回路积分前项；Kc:PID回路增益；T1:积分项的比例常数；TD:微分项的比例常数；en:在第η次采样时刻的偏差值(en=SPn-PVn);en-1:在第n-1次采样时刻的偏差值(en-l=SPn-l-PVn-l)(也称偏差前项)。
[0013]本发明的有益效果在于:
本发明针对现有技术存在的缺陷和不足进行改进创新，将霍尔测速传感器引入3D扫描领域，设计了一种包括MCU芯片、转盘电机驱动模块、霍尔测速传感器、电源模块机转盘电机的人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法，该系统中，MCU芯片、转盘电机驱动模块及霍尔测速传感器三者形成一个闭环的控制系统，系统被控对象(转盘电机驱动模块