CN105186948A - 一种人体3d扫描转速自适应控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法，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，？MCU芯片与转盘电机驱动模块连接；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；控制方法包括以下步骤：MCU芯片预设转盘转速预设值；MCU芯片发送命令至转盘电机驱动模块；转盘电机以预设值匀速旋转；人体站到转动的旋转转盘上；霍尔测速传感器感应转盘转速变化；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；转盘电机驱动模块控制转盘电机功率。本发明减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。

Description

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

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

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

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。

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。

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ASM1117，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。

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。

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。

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。

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。

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：

S1、MCU芯片预设转盘转速预设值；

S2、MCU芯片发送旋转命令至转盘电机驱动模块；

S3、转盘电机驱动模块驱动转盘电机以预设值匀速旋转；

S4、人体站到转动的旋转转盘上，转盘转速减小；

S5、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；

S6、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模块；

S7、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。

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+KC*TD*(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：

(1-2)=e(1)+e(2)+…………+e(k)；(1-3)=[e(k)-e(k-1)]/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-1)(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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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(也称偏差前项)。

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(1-5)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n次采样时刻,PID回路输出的计算值(OUT值)MPn：第n次采样时刻的比例项；MIn：第n次采样时刻的积分项；MDn：第n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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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-1=SPn-1-PVn-1)(也称偏差前项)。

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）的输出转速(被控制量)会反送回来影响控制器（转盘电机驱动模块）的输出，形成一个闭环结构，闭环控制系统有正反馈和负反馈（转速大于预设转速值为正反馈，转速小于预设转速值为负反馈），若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，本发明中，预先设定目标转速，通过霍尔传感器感测当前的速度数值，通过MCU芯片内设算法模块，实现维持原速度不变，从而使旋转转盘能够保证在预设的目标转速下匀速旋转，保证了扫描质量，同时，能使得人在踏上转盘和在转盘上转动的时候不至于因为速度变化产生倾倒现象。

本发明的MCU芯片内设的算法模块针对现有的PID算法进行相应的改进更新，实现了根据霍尔测速传感器检测到的转速变化量，得出对应的转盘电机功率调整量，通过实时改变转盘电机的功率保证其旋转转盘的转速维持在预设的目标转速下持续工作，同时，最大程度的减少了该功率及转速转换过程中所需的相应时间，将相应时间控制在1秒以内，人体站至运转的旋转转盘上时，其产生的转速变化不会对正常的扫描产生影响，且不会导致人体因速度变化而倾倒，其具体算法为：

Mn=KC*en+KC*en+MX+KC**(en-en-1)

Mn=MPn+MIn+MDn(1-6)

输出=比例项+积分项+微分项，式中：Mn：第n次采样时刻,PID回路输出的计算值(OUT值)；MPn：第n次采样时刻的比例项；MIn：第n次采样时刻的积分项；MDn：第n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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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-1=SPn-1-PVn-1)(也称偏差前项)。

附图说明

图1为本发明的方框原理图。

图2为本发明的流程示意图。

图3为本发明的电原理图。

图4为图3中MCU芯片的电原理图。

图5为图3中电源模块的电原理图。

图6为图3中转盘电机驱动模块的电原理图。

图7为图3中霍尔测速传感器的电原理图。

图8为本发明旋转转盘的装配结构示意图。

图9为本发明旋转转盘的立体结构示意图。

图10为图1中MCU芯片的计算数据表。

图11为本发明实施例中实验数据示意表。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步描述：

如图1至图11所示，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01、转盘电机驱动模块02、霍尔测速传感器03、电源模块04及转盘电机05，其中，上述MCU芯片01与转盘电机驱动模块02连接，以便发送控制命令至转盘驱动模块02；上述霍尔测速传感器03及转盘电机05分别与转盘电机驱动模块02连接，霍尔测速传感器03与MCU芯片01连接，形成闭环控制系统；转盘电机驱动模块02控制和监测转盘电机05工作，霍尔测速传感器03监测转盘电机05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01，MCU芯片01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02，以控制转盘电机05以预设转速匀速旋转。

电源模块04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ASM1117，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08型号为STM32F103RBT6，MCU芯片08与电源模块04的VCC-3V3端连接；转盘电机驱动模块02的芯片型号为BTS7960，转盘电机驱动模块02与电源模块04的VCC-12V端连接；霍尔测速传感器03与电源模块04的VCC-3V3端及VCC-5V端连接。

转盘电机05设置在旋转转盘内，旋转转盘包括壳体1、支撑架2、转盘电机05、转盘7及支撑盘8，其中上述壳体1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2设置在壳体1的安装空间内，转盘电机05嵌设在支撑架2内并通过传动机构与转盘7连接；转盘7设置在支撑架2上，并绕支撑架2自由旋转；上述支撑盘8盖设在转盘7上，并随转盘7旋转，以带动站在支撑盘8上的人体旋转。

支撑架2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2固定在壳体1内；所述的转盘电机05设置在支撑架2内，转盘电机05的输出轴向上伸出，输出轴上设有第一齿轮4，转盘电机05驱动第一齿轮4旋转；所述的第一齿轮4与第二齿轮5啮合，以带动第二齿轮5旋转；第二齿轮5的底部固定有套筒6；所述的套筒6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1的底部。

转盘7压设在上述第二齿轮5上，转盘7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2的内转环上；内转环设置在支撑架2上支撑圆环的内侧，并自由旋转，第二齿轮5旋转带动转盘7旋转。

支撑盘8设置在转盘7的上部，并将壳体1的顶部开放面盖紧，人体站在支撑盘8，使支撑盘8压紧转盘7，在静摩擦作用下转盘7带动支撑盘8旋转。

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：

S1、MCU芯片预设转盘转速预设值；

S2、MCU芯片发送旋转命令至转盘电机驱动模块；

S3、转盘电机驱动模块驱动转盘电机以预设值匀速旋转；

S4、人体站到转动的旋转转盘上，转盘转速减小；

S5、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；

S6、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模块；

S7、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。

步骤S6中MCU芯片采用以下公式：

M(t)=KC*e+KC*+Minitial+KC*TD*(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：

(1-2)=e(1)+e(2)+…………+e(k)；(1-3)=[e(k)-e(k-1)]/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-1)(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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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(也称偏差前项)。

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(1-5)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n次采样时刻,PID回路输出的计算值(OUT值)MPn：第n次采样时刻的比例项；MIn：第n次采样时刻的积分项；MDn：第n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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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-1=SPn-1-PVn-1)(也称偏差前项)。

进一步，单独分析各子项中各值的关系，

1.比例项(MPn)：

比例项MP是增益(Kc)和偏差(e)的乘积，偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差(en=SPn-PVn)，根据(1-5)与(1-6)式中对应关系可得CPU执行的求比例项算式为：MPn=Kc*(SPn-PVn)(2-1)式中：

MPn：第n次采样时刻比例项的值；Kc：PID回路增益；SPn：第n次采样时刻的给定值；PVn：第n次采样时刻的过程变量值；

从式(2-1)中，SP和PV都是已知量，因此影响输出值OUT在比例项中只有回路增益Kc，比例项值的大小与回路增益大小成比例系数关系，根据P控制规律，在比例项中我们只要合理的设定Kc的大小，就能因根据采样偏差e值的变化规律改变MPn，从而影响Mn来控制调节幅度。

2.积分项(MIn)：

积分项值MI与偏差和成正比，偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差(en=SPn-PVn)，根据(1-5)与(1-6)式中对应关系可得CPU执行的求积分项算式为：MIn=Kc*(SPn-PVn)+MX(2-2)式中：MIn：第n次采样时刻积分项的值；Kc：PID回路增益；T：采样周期(或控制周期)；TI：积分时间常数；SPn：第n次采样时刻的给定值；PVn：第n次采样时刻的过程变量值；MX：第n-1采样时刻的积分项(积分前项)；在CPU每次计算出MIn之后，都要用MIn值去更新MX，MX的初值通常在第一次计算输出以前被设置为为Minitial(初值)，这也就是Minitial为什么会在(1-5)式未执行扫描到(1-6)式执行扫描后变为MX的原因。

从式(2-2)中可知，积分项包括给定值SP、过程变量值PV、增益Kc、控制周期T、积分时间常数TI、积分前项MX，而SP、PV、Kc(已在比例项中设定)、T(根据设备性能参照确定)、MX(上一次积分已算出)都是已知量，因此影响输出值OUT在积分项中只有积分时间常数TI积分项值的大小与位于积分算式分母位置的积分时间常数TI大小成反比系数关系，因此在有积分项参与输出调节控制的时候，积分时间常数设置越大，积分项作用输出值就越小，反之增大，根据I控制规律，在积分项中只要合理的设定TI的大小，就能因根据采样偏差e值的变化规律改变MIn，从而影响Mn来控制调节幅度。在这里又涉及到采样周期选取的问题，采样周期是计算机重新扫描各现场参数值变化的时间间隔，控制周期是重新计算输出的时间间隔，在不考虑计算机CPU运算速度的情况下，采样周期与控制周期通常认为是同一描述。在实际工业过程控制中，采样、控制周期越短，调节控制的品质就越好。但盲目、无止境追求较短的采样周期，不仅使计算机的硬件开支(如：A/D、D/A的转换速度与CPU的运算速度)增加，而且由于现行的执行机构(如：电动类调节阀)的响应速度较低，过短的采样周期并不能有效的提高系统的动态特性，因此我们必须从技术和经济两方面综合考虑采样频率的选取。

3.微分项(MDn)：

微分项值MD与偏差的变化成正比，偏差(e)是给定值(SP)与过程变量值(PV)之差(en=SPn-PVn)，根据(1-5)与(1-6)式中对应关系可得CPU执行的求微分项算式为：

MDn=KC**{(SPn-PVn)-(SPn-1-PVn-1)}(2-3)为了避免给定值变化引起微分项作用的跳变，通常在定义微分项算式时，采用假定给定值不变，即：SPn=SPn-1，这样可以用过程变量的变化替代偏差的变化，计算算式可改进为：MDn=KC**(PVn-PVn-1)(2-4)(2-3)与(2-4)式中：MDn：第n次采样时刻微分项的值；Kc：PID回路增益；T：采样周期(或控制周期)；TD：积分时间常数；SPn：第n次采样时刻的给定值；PVn：第n次采样时刻的过程变量值；SPn-1：第n-1次采样时刻的给定值；PVn-1：第n-1次采样时刻的过程变量值；

式(2-4)中参与控制的变量或常量有增益Kc、微分时间常数TD、控制周期T、第n次采样时刻的过程变量值PVn、第n-1次采样时刻的过程变量值PVn-1。而PVn、PVn-1、Kc(已在比例项中设定)、T(根据设备性能参照确定)都是已知量，因此影响输出值OUT在微分项中只有微分时间常数TD。在式中不难看出，1、为了计算第n次的微分项值，必须保存第n-1次过程变量值参与下一次计算，而不是偏差，当在第一次扫描周期开始的时候，PID控制器会初始化PVn=PVn-1，2、微分项值的大小与位于微分算式分子位置的积分时间常数TD大小成比例系数关系，也就是说，在有微分项参与输出调节控制的时候，微分时间常数设置越大，与Kc乘积就会越大，从而微分项作用输出值就越大，反之变小，因此微分的设定不当很容易引起输出值的跳变，根据D控制规律，在积分项中合理的设定TD的大小，就能因根据采样偏差e值的变化规律改变MDn，从而影响Mn来控制调节开度。

进一步，本发明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）的输出转速(被控制量)会反送回来影响控制器（转盘电机驱动模块）的输出，形成一个闭环结构，闭环控制系统有正反馈和负反馈（转速大于预设转速值为正反馈，转速小于预设转速值为负反馈），若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，本发明中，预先设定目标转速，通过霍尔传感器感测当前的速度数值，通过MCU芯片内设算法模块，实现维持原速度不变，从而使旋转转盘能够保证在预设的目标转速下匀速旋转，保证了扫描质量，同时，能使得人在踏上转盘和在转盘上转动的时候不至于因为速度变化产生倾倒现象。

本发明的MCU芯片内设的算法模块针对现有的PID算法进行相应的改进更新，实现了根据霍尔测速传感器检测到的转速变化量，得出对应的转盘电机功率调整量，通过实时改变转盘电机的功率保证其旋转转盘的转速维持在预设的目标转速下持续工作，同时，最大程度的减少了该功率及转速转换过程中所需的相应时间，将相应时间控制在1秒以内，人体站至运转的旋转转盘上时，其产生的转速变化不会对正常的扫描产生影响，且不会导致人体因速度变化而倾倒，其具体算法为：

Mn=KC*en+KC*en+MX+KC**(en-en-1)

Mn=MPn+MIn+MDn(1-6)

输出=比例项+积分项+微分项，式中：Mn：第n次采样时刻,PID回路输出的计算值(OUT值)；MPn：第n次采样时刻的比例项；MIn：第n次采样时刻的积分项；MDn：第n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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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-1=SPn-1-PVn-1)(也称偏差前项)。

进一步，对应至本发明：

Mn=KC*en+KC*en+MX+KC**(en-en-1)

Mn为电机的转速；

En为霍尔传感器检测到的速度的变化；

KC为pid调节参数；

当en的数值不为0时候，也就是未达到目标速度，需要进行调节；达到目标转速后则不需进行调节。

本发明的实施例只是介绍其具体实施方式，不在于限制其保护范围。本行业的技术人员在本实施例的启发下可以作出某些修改，故凡依照本发明专利范围所做的等效变化或修饰，均属于本发明专利权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种人体3D扫描转速自适应控制系统，其特征在于：包括MCU芯片（01）、转盘电机驱动模块（02）、霍尔测速传感器（03）、电源模块（04）及转盘电机（05），其中，上述MCU芯片（01）与转盘电机驱动模块（02）连接，以便发送控制命令至转盘驱动模块（02）；上述霍尔测速传感器（03）及转盘电机（05）分别与转盘电机驱动模块（02）连接，霍尔测速传感器（03）与MCU芯片（01）连接，形成闭环控制系统；转盘电机驱动模块（02）控制和监测转盘电机（05）工作，霍尔测速传感器（03）监测转盘电机（05）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（01），MCU芯片（01）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（02），以控制转盘电机（05）以预设转速匀速旋转。

2.根据权利要求1所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统，其特征在于：所述的电源模块（04）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ASM1117，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（08）型号为STM32F103RBT6，MCU芯片（08）与电源模块（04）的VCC-3V3端连接；转盘电机驱动模块（02）的芯片型号为BTS7960，转盘电机驱动模块（02）与电源模块（04）的VCC-12V端连接；霍尔测速传感器（03）与电源模块（04）的VCC-3V3端及VCC-5V端连接。

3.根据权利要求2所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统，其特征在于：所述的转盘电机（05）设置在旋转转盘内，旋转转盘包括壳体（1）、支撑架（2）、转盘电机（05）、转盘（7）及支撑盘（8），其中上述壳体（1）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（2）设置在壳体（1）的安装空间内，转盘电机（05）嵌设在支撑架（2）内并通过传动机构与转盘（7）连接；转盘（7）设置在支撑架（2）上，并绕支撑架（2）自由旋转；上述支撑盘（8）盖设在转盘（7）上，并随转盘（7）旋转，以带动站在支撑盘（8）上的人体旋转。

4.根据权利要求1所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法，其特征在于：所述的支撑架（2）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（2）固定在壳体（1）内；所述的转盘电机（05）设置在支撑架（2）内，转盘电机（05）的输出轴向上伸出，输出轴上设有第一齿轮（4），转盘电机（05）驱动第一齿轮（4）旋转；所述的第一齿轮（4）与第二齿轮（5）啮合，以带动第二齿轮（5）旋转；第二齿轮（5）的底部固定有套筒（6）；所述的套筒（6）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（1）的底部。

5.根据权利要求4所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法，其特征在于：所述的转盘（7）压设在上述第二齿轮（5）上，转盘（7）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（2）的内转环上；内转环设置在支撑架（2）上支撑圆环的内侧，并自由旋转，第二齿轮（5）旋转带动转盘（7）旋转。

6.根据权利要求5所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统及其控制方法，其特征在于：所述的支撑盘（8）设置在转盘（7）的上部，并将壳体（1）的顶部开放面盖紧，人体站在支撑盘（8），使支撑盘（8）压紧转盘（7），在静摩擦作用下转盘（7）带动支撑盘（8）旋转。

7.一种如权利要求1所述的人体3D扫描转速自适应控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、MCU芯片预设转盘转速预设值；

S2、MCU芯片发送旋转命令至转盘电机驱动模块；

S3、转盘电机驱动模块驱动转盘电机以预设值匀速旋转；

S4、人体站到转动的旋转转盘上，转盘转速减小；

S5、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；

S6、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模块；

S7、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。

8.根据权利要求7所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤S6中MCU芯片采用以下公式：

M(t)=KC*e+KC*+Minitial+KC*TD*(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：

(1-2)=e(1)+e(2)+…………+e(k)；(1-3)=[e(k)-e(k-1)]/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-1)(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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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(也称偏差前项)。

9.根据权利要求8所述的一种人体3D扫描转速自适应控制系统的控制方法，其特征在于：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(1-5)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n次采样时刻,PID回路输出的计算值(OUT值)MPn：第n次采样时刻的比例项；MIn：第n次采样时刻的积分项；MDn：第n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；TI：积分项的比例常数；TD：微分项的比例常数；en：在第n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-1=SPn-1-PVn-1)(也称偏差前项)。