CN107272757B - 用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，具体地说，涉及一种用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置及控制方法。本发明分别向扫描转镜控制模块和数据采集同步信号发送模块发送扫描同步信号，启动机电扫描系统工作；在扫描同步信号的作用下，扫描转镜控制单元控制扫描转镜按设定速率进行旋转，以将转台上的转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像通过转镜的一个镜面反射到扫描测量系统的图像采集单元上；将扫描转镜的旋转角度发送给数据采集同步信号发送模块，以在扫描转镜旋转了设定角度时发送数据采集同步信号；在扫描同步信号和数据采集同步信号的作用下，线阵图像采集单元被触发进行采样投影图像。

Description

用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地说，涉及一种用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置及控制方法。

背景技术

航空航天领域检测目标的外形以往多使用接触法，如三坐标测量机、特殊的量具等，使用贴靠的方法检测目标的曲面形状。这种方法效率不高，受人为因素影响较大，容易出错，存在一定的缺陷。而众所周知的是，光学测量技术属于非接触式测量技术，测量速度快，盲区少，能够直观反映出目标的三维形状，以及与标准数据的偏差大小。因此，光学测量技术在航空航天领域广为应用。

光学测量技术在航空航天检测中的应用主要在以下两个方面：(1)复杂零件的面型检测，特别是对于毛坯零件加工余量的检测，非常适合；(2)关键尺寸的检测，如孔的位置、直径、各种角度、长度等。

然而，基于光学测量技术的测量仪的性能还远远达不到某些应用的要求，目前迫切需要一种能够适应大测量范围，并可以多点同步测量的技术方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置及控制方法。

所述机电扫描控制装置包括：

扫描同步信号发送模块，用以分别向扫描转镜控制模块和图像采样触发模块发送扫描同步信号，启动全视角扫描测量系统工作；

数据采集同步信号发送模块，用以采集全视角扫描测量系统中的扫描转镜的旋转角度，并在扫描转镜旋转到设定角度时，发送数据采集同步信号至图像采样触发模块；

图像采样触发模块，用以在所述数据采集同步信号的作用下，触发所述线阵图像采集单元进行采样；

扫描转镜控制模块，用以在扫描同步信号的作用下，控制全视角扫描测量系统中的扫描转镜并按照设定的速率进行旋转，将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像，通过扫描转镜的一个镜面反射到线阵图像采集单元上，所述扫描转镜控制模块包括：

电流环和速度环，用以采集机电扫描系统的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到扫描转镜控制模块中的速度控制单元以获取扫描转镜速度控制量；

位置环，用以获取扫描转镜的编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入以得到速度控制量。

所述扫描转镜控制模块还包括卡尔曼滤波器，用以对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理。

所述方法包括：

启动全视角扫描测量系统工作，分别向扫描转镜控制模块和数据采集同步信号发送模块发送扫描同步信号；

在扫描同步信号的作用下，所述扫描转镜控制模块控制扫描转镜按照设定速率进行旋转，以将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像通过转镜的一个镜面反射到扫描测量系统的图像采集单元上；扫描转镜控制模块采集扫描转镜的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到速度控制单元的输入形成电流环和速度环以获取速度控制量；获取扫描转镜的编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入以得到速度控制量；

在扫描同步信号的作用下，当扫描转镜旋转到了设定角度时数据采集同步信号发送模块发送数据采集同步信号给线阵图像采集单元，触发所述线阵图像采集单元采集所述投影图像中的线阵图像。

所述扫描同步信号的频率为20Hz，所述数据采集同步信号的频率为200KHz。

对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理。

本发明的有益之处在于，本发明所提供的机电扫描控制装置及控制方法可以协调控制扫描转镜与线阵相机同步工作，获取清晰完整的图像，使全视角扫描测量系统在大型测量场内，纵向视场角最大可达90°；水平方向的视场角可以根据实际需求灵活设置，最大可达90°，最多可测300点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的全视角三维扫描测量系统的总体结构框图；

图2显示了根据本发明一个实施例中扫描测量工作站的机械结构图；

图3显示了根据本发明一个实施例的全视角扫描测量系统的同步控制原理框图；

图4显示了根据本发明一个实施例的机电扫描系统的示意图；

图5显示了用以实现根据本发明一个实施例的具有电流环、速度环以及位置环的复合控制结构框图；

图6显示了根据本发明一个实施例位置环的控制框图；

图7显示了典型的比例微分积分控制框图；以及

图8显示了根据本发明一个实施例的机电扫描测量控制方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图1显示了使用本发明一个实施例的全视角扫描测量系统100的总体结构框图。如图1所示，全视角扫描测量系统100具体包括靶标照明单元101、至少两个扫描测量工作站102、空间交会测量单元103以及测量控制单元104。测量控制单元104用以协调控制靶标照明单元、扫描测量工作站以及空间交会测量单元的交互，并在它们之间传递数据和控制信号。测量控制单元104上还设置有显示器，这样便可以将扫描测量工作站发送的测量数据例如靶标图像以及坐标值实时显示出来。测量控制单元104还包括同步脉冲分配器，使得同步脉冲之间的延时在纳秒量级。

在各个扫描测量工作站内部，需要根据所获取的靶标图片处理得到靶标相对于各自测量工作站的角度信息，包括方向角以及垂直角。根据各测量工作站的方位信息和获取的角度信息通过空间交会单元得到被测靶标的空间三维坐标值。有关图像特征检测、特征匹配以及空间交会测量等具体的实施细节不在本发明的讨论范围之内。通常情况下，现有技术中也有一些知识可以被利用来完成上述功能，因此为不模糊本发明起见，这里对此暂不进行详述。本领域的技术人员也可以参看与本申请同日提交的其他专利文献。

从机械结构上，扫描测量工作站102是按照如图2所示的方式进行设计的。如图2所示，扫描测量工作站102包括扫描转镜及控制模块102a及线阵图像采集模块102b、光学模块102c、保护壳体102d以及云台102e，以及安装在控制主机上的图像处理模块、同步控制模块。光学模块102c对所反射的图像进行非实时对焦，以在一定景深范围内进行清晰成像，其采用远心F-θ结构设计。扫描转镜包括八棱镜鼓和单轴转台，可以提高系统的采样效率。

本发明提供了一种用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置，实现多测量工作站之间同步协调控制和各测量工作站内部相关模块的同步协调及运动控制，该装置包括：

扫描同步信号发送模块，用以分别向扫描转镜控制模块和图像采样触发模块发送扫描同步信号，启动全视角扫描测量系统工作；

数据采集同步信号发送模块，用以采集全视角扫描测量系统中的扫描转镜的旋转角度，并在扫描转镜旋转到设定角度时，发送数据采集同步信号至图像采样触发模块；

图像采样触发模块，用以在所述数据采集同步信号的作用下，触发所述线阵图像采集单元进行采样；

扫描转镜控制模块，用以在扫描同步信号的作用下，控制全视角扫描测量系统中的扫描转镜并按照设定的速率进行旋转，将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像，通过扫描转镜的一个镜面反射到线阵图像采集单元上，所述扫描转镜控制模块包括：

电流环和速度环，用以采集机电扫描系统的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到扫描转镜控制模块中的速度控制单元以获取扫描转镜速度控制量；

位置环，用以获取扫描转镜的编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入以得到速度控制量。

本发明所提到的同步包括两方面，一方面是各个测量工作站之间的测量工作需要同步。同步控制模块负责发送信号保证不同测量工作站同时开始采集图像。在本发明的实施例中，此触发信号的频率为20Hz。另一方面是线阵相机和转镜的同步，即转镜转到一定角度时同步控制模块给线阵相机(线阵图像采集模块)发送触发指令采集图像，这个触发信号的频率是200kHz。

根据本发明的用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置，优选的是，所述装置还包括卡尔曼滤波器，其用以对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理。

根据本发明的用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置，优选的是，全视角扫描测量系统还包括转台编码器，其用以获取扫描转镜的旋转角度。

全视角扫描测量系统根据帧同步的方式来保证单位时间内线阵图像传感器采集的图像总数量与对应的扫描视场和纵向分辨率匹配。

如图3所示，其中显示了在同步信号控制下全视角扫描测量系统的工作原理图。20Hz的扫描同步信号同时发送给机电扫描控制装置中的扫描转镜控制模块和数据采集同步信号发送模块。机电扫描控制模块同时接收单测量工作站的控制计算机的控制指令，以此来控制扫描转镜进行转动，扫描转镜也会将已经运动的信号作为同步信号的反馈信号返回给机电扫描控制装置，以进行协调同步控制。由于本发明一个实施例中的局部速度反馈元件是角位置传感器，即增量式圆光栅。因此，这里的同步信号的反馈信号是角位置信号。另一方面，扫描同步信号发送给数据采集同步信号发送模块之后，数据采集同步信号发送模块开始采集扫描转镜的旋转角度，并在扫描转镜旋转到设定角度时，发送数据采集同步信号至图像采样触发模块控制线阵图像采集单元执行采集线阵图像的动作，随后将图像采集数据通过采集卡发送到处理模块进行拼接处理，从而得到一幅完整的图像。在测量站工作主机中计算出靶标图像的方向角和垂直角。

如图4所示，其中显示了根据本发明一个实施例的扫描转镜控制模块的原理框图。在该控制模块包括控制器701、力矩电机驱动器702，被控对象为扫描转镜102a。电机是扫描转镜系统的关键部件之一，它直接影响到系统性能指标的实现。根据负载条件，本系统选取钕铁硼力矩电机作为驱动电机。

力矩电动机是一种由伺服电动机和驱动电动机结合起来发展而成的特殊电机。其工作原理、基本结构和基本特性与伺服电动机基本相同，直接利用它驱动负载，并由输入的控制电压信号直接调节负载的转速。在位置控制方式的伺服系统中，它可以工作在堵转状态；而在速度控制方式的伺服系统中，又可以工作在低转速状态，且输出较大的转矩。

(1)控制精度

影响角位置精度的因素主要有回转误差、测量元件系统误差和控制误差。回转误差主要靠轴承的精度和装配精度保证。控制误差主要受控制器和反馈元件的误差影响，控制器由于采用了32位数字式控制方式，一般误差可以忽略，所以需主要考虑反馈元件的测量精度，测量精度又与反馈元件的系统精度和安装误差有关。

(2)速率精度及平稳性

通过机械设计、硬件保证、软件控制三个部分共同配合实现高速率精度及平稳性。首先，机械设计采用回转对称型结构，材料选用铸铁件，配合空气轴承使用，这种设计使得台体结构对称且摩擦力小，运转时台体动平衡性能好，从而保证台体工作时的平稳性。其次，电控系统硬件设计时，我们采用脉宽调制代替常规的模拟量控制，抗干扰性更好；在转速测量时，我们分配给角速度的分辨率为2×10^-8，且转台每转输出的脉冲频率也比理论计算得出的高；同时，我们在电路布线上强弱电、交直流分开走线，电路中也会加入硬件滤波，保证系统的稳定运行。再次，软件算法上，我们采用复合控制算法，比传统的PID控制精度更高；对稳速精度的控制，软件上还加有卡尔曼滤波，实时对测得的数据进行滤波，更好的保证了速度的稳定性。

(3)倾角回转误差

轴承是转台的关键元件之一，轴承的精度、支撑刚度、摩擦力矩会直接影响转台的动态和静态特性。

如图5所示，其中显示了根据本发明对驱动电机进行控制的结构框图。

(1)各回路的控制策略

一般说来，转台的控制策略中至少包含两个回路，即用于跟踪位置的位置回路和用于跟踪速度的速度回路。速度回路解决了转速调节问题，大大地提高了静态特性的硬度，而位置环则进一步提高系统的总体性能。但是，在实际应用中，单靠这两个回路并不能保证系统的正常运行。因此，本发明的转台采用力矩电机直接驱动，以满足转台的指标要求。

力矩电机全电压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这对换向不利。给速度闭环突然加上一个给定参考电压时，由于系统的惯性较大，力矩电机转速不可能立即建立起来，因而在启动初期转速反馈电压为零，这就意味着偏差电压等于给定参考电压，而且几乎是其稳态工作时的1+K倍(K为速度环开环增益)。这时，由于伺服放大器和功率放大器的惯性较小，电枢电压一下子就达到其峰值。这对无框力矩电机来说，相当于全电压启动，其启动电流比额定电流高几十倍，这当然是不允许的。

此外，当发生故障或机械卡死时，电机可能会堵转。这时，由于闭环系统的静态特性很硬，若无限流环节，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给工作带来不便。为了解决闭环调速中启动和堵转时电流过大问题，系统中必须有自动限制电枢电流过大的环节。根据反馈控制原理，要使电流不超过允许值，就应该引入电流负反馈以控制电流的大小。因此，本发明的转台采用位置环、速度环和电流环三回路控制策略。

(2)电流环的作用

在力矩电机驱动系统中，采用截流反馈限制最大电流，这种限流作用只在启动或堵转的情况下存在，一旦电流超过某一规定最大值时，电流负反馈即投入运行，使静特性急剧地“软化”，随着负载电流的增加，电机转速不断下降，当负载电流增加到某一数值(即堵转电流)时，电机停止转动(即堵转)。

在正常运行时，截流反馈不起作用，静特性的硬度比较高，电流自由地随着负载的变化而变化。然而系统中只靠截流反馈环节限制启动和升速时的冲击电流，其启动性能仍然不能令人满意。这是因为截流反馈只能限制最大电流，而在过渡过程中，电流一直是变化的，达到最大值后，由于负反馈的引入和无框力矩电机反电势的增加，电流又被压了下来，力矩电动机的转矩也就随之减小，这样启动和加速的过程就会延长，从而不能保证系统的快速性。

因此，为了充分利用电机允许过载能力，最好在过渡过程中，电流一直保持为最大值，使系统能经尽可能大的加(减)速度起(制)动，获得快速动态响应；到达稳态转速时，电流应立即降下来，使电机的电磁力矩与负载力矩相平衡，从而转入稳速运行。理想的启动或制动电流波形应该是方波形，转速呈线性变化。但在实际系统中，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，理想的波形只能得到近似逼近。从控制的角度看，关键是如何获得一段使电流保持最大值的恒流过程，另外，电流负反馈控制实际上是对加速度的控制，所以电流环的作用不应该仅仅局限于安全保护作用，还应该从控制的角度来设计和使用。

(3)速度环的作用

在转台的应用中，当执行元件和框架的耦合力矩不是很大，也就是结构刚度不是足够大时，速度环有一个特别的用处。为了减小摩擦的影响，必须加大系统的开环增益，因为在系统稳定范围内，加大开环增益可以使系统对扰动(把摩擦看作是一种扰动)的灵敏度减小。另一方面，如果转台的结构刚度不是足够大，那么它的动态特性就存在多个振动模态，这样就有一些位于右半平面的零点，系统成为非最小相位系统。

从上面的分析可知，引入速度反馈后，不仅满足了半实物仿真中速率模式的需要，而且改善了执行元件控制特性的线性度和动态特性，这对抑制干扰、克服摩擦死区、减小力矩波动以及拓宽系统频带都有好处。另外，速度环的引入减轻了位置环的压力，使位置环可以有较高的伺服刚度、静态精度和较好的动态特性。本系统的驱动器属于速度放大器，内部含有速度环，通过模拟电路来实现的，驱动器输入正负10V的电压信号，通过放大后驱动电机运动。

(4)位置环的设计与分析

在转台伺服系统中，速度环确定后，把它当成位置环的一个传递函数，采用数据采集模块自己构建位置控制器，它的输出作为速度环的输入，其模型如图6所示，位置环增益是直流伺服系统中重要的参数之一，位置环增益的选择要考虑很多因素的影响，通常情况下，位置环增益越高，位置跟踪误差越小，但是当输入速度突变时，其输出就会剧烈的变化，并且增益越高，稳定性越差，增益过小，稳定性变好，但跟踪误差就变大，所以选择合适的位置环增益，对整个控制系统有至关重要的作用。

图7显示了典型的PID调节器的结构图。在典型的PID调节器结构中，比例环节、积分环节以及微分环节共同决定对被控对象的控制量。实际中，可根据系统的性能要求省略微分环节。

用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置进行扫描控制的方法包括：

启动全视角扫描测量系统工作，分别向扫描转镜控制模块和数据采集同步信号发送模块发送扫描同步信号；

在扫描同步信号的作用下，所述扫描转镜控制模块控制扫描转镜按照设定速率进行旋转，以将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像通过转镜的一个镜面反射到扫描测量系统的图像采集单元上；扫描转镜控制模块采集扫描转镜的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到速度控制单元的输入形成电流环和速度环以获取速度控制量；获取扫描转镜的编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入以得到速度控制量；

在扫描同步信号的作用下，当扫描转镜旋转到了设定角度时数据采集同步信号发送模块发送数据采集同步信号给线阵图像采集单元，触发所述线阵图像采集单元采集所述投影图像中的线阵图像。

所述扫描同步信号的频率为20Hz，所述数据采集同步信号的频率为200KHz。对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理。

综上可以得出本发明的机电扫描控制方法的总体流程，如图8所示。在图8中，方法开始于步骤S1101。在该步骤中，分别向扫描转镜控制模块和数据采集同步信号发送模块发送扫描同步信号，启动机电扫描系统工作。

接下来，在步骤S1102中，在扫描同步信号的作用下，所述扫描转镜控制模块控制扫描转镜按照一定速率进行旋转，以将转台上的转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像通过转镜的一个镜面反射到扫描测量系统的图像采集单元上。

在步骤S1103中，将扫描转镜的旋转角度发送给数据采集同步信号发送模块，以在扫描转镜旋转了特定角度时发送数据采集同步信号。

在步骤S1104中，在所述扫描同步信号和所述数据采集同步信号的作用下，触发所述线阵图像采集单元采样所述二维投影图像中的线阵图像。

在一个实施例中，优选的是，扫描同步信号的频率为20Hz，数据采集同步信号的频率为200KHz。

在一个实施例中，采用以下方法控制扫描转镜的速率：采集机电扫描系统的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到速度控制单元的输入形成电流环和速度环以获取速度控制量；获取编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入形成位置环。优选的是，可对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理，以得到更为精确的控制信号。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (5)

1.一种用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置，其特征在于，所述机电扫描控制装置包括：

扫描同步信号发送模块，用以分别向扫描转镜控制模块和图像采样触发模块发送扫描同步信号，启动全视角扫描测量系统工作；

数据采集同步信号发送模块，用以采集全视角扫描测量系统中的扫描转镜的旋转角度，并在扫描转镜旋转到设定角度时，发送数据采集同步信号至图像采样触发模块；

图像采样触发模块，用以在所述数据采集同步信号的作用下，触发线阵图像采集单元进行采样；

扫描转镜控制模块，用以在扫描同步信号的作用下，控制全视角扫描测量系统中的扫描转镜并按照设定的速率进行旋转，将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像，通过扫描转镜的一个镜面反射到线阵图像采集单元上，所述扫描转镜控制模块包括：

电流环和速度环，用以采集机电扫描系统的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到扫描转镜控制模块中的速度控制单元以获取扫描转镜速度控制量；

位置环，用以获取扫描转镜的编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入以得到速度控制量。

2.根据权利要求1所述的用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置，其特征在于，所述扫描转镜控制模块还包括卡尔曼滤波器，用以对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理。

3.一种利用权利要求1所述的用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制装置进行扫描控制的方法，其特征在于，所述方法包括：

启动全视角扫描测量系统工作，分别向扫描转镜控制模块和数据采集同步信号发送模块发送扫描同步信号；

在扫描同步信号的作用下，所述扫描转镜控制模块控制扫描转镜按照设定速率进行旋转，以将扫描转镜所面向的测量场内的目标物的投影图像通过转镜的一个镜面反射到扫描测量系统的图像采集单元上；扫描转镜控制模块采集扫描转镜的驱动电机的实际电流和实际转速，并反馈到速度控制单元的输入形成电流环和速度环以获取速度控制量；获取扫描转镜的编码器传送的位置编码信号，并作为速度控制单元的前馈输入以得到速度控制量；

在扫描同步信号的作用下，当扫描转镜旋转到了设定角度时数据采集同步信号发送模块发送数据采集同步信号给线阵图像采集单元，触发所述线阵图像采集单元采集所述投影图像中的线阵图像。

4.根据权利要求3所述的用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制方法，其特征在于，所述扫描同步信号的频率为20Hz，所述数据采集同步信号的频率为200KHz。

5.根据权利要求3所述的用于全视角扫描测量系统的机电扫描控制方法，其特征在于，对实时测得的电流信号、位置编码信号、速度信号进行卡尔曼滤波处理。

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