总体方案 final.pdf

2014 光电设计大赛设计方案 竞赛题目：复杂表面物体体积的 非接触光学测量 成员：杜敏 彭超 胡蔚民 指导老师：吴裕斌 一、总体设计 1.1 参赛作品的工作原理 系统由线激光源、旋转转台、CCD 摄像机、计算机组成，结构示意图如下。 首先将被测物放置在旋转平台上，然后线激光源发出一束线光照射被测物，由摄 像头来接收被测物反射光。当线光条纹投射到目标表明时，由于物体表面凹凸不 平，故条纹产生畸变，这种畸变由条纹受物体表面形状调制所致，因此包含了物 体的三维信息。通过一定的算法，可确定待测物实际的体积。 （图中的激光器和扩束系统属于线激光源的内部结构） 图1.系统结构图 1.2 系统框图 图2.系统框图 系统框图如上所示，线光源投出线光，电机驱动控制步进电机，编码器实时 反馈角度，COMS 摄像头采集到图像，传给主控ARM 进行图像处理，结合编码 器反馈的角度，算出棱锥的体积，输出到显示模块显示。 1.3 作品的结构设计与参数计算 对准参考物 1.3.1 整体结构 机械台 待测物体 线光源 摄像头 主控、人机界面 图3.作品三维建模示意图 作品三维建模示意图如上，各个模块被固定在420×320×5 （单位：mm ） 的光学台上。对准参考物用于线光对准转轴、摄像头对准转轴。 俯视图如下。 图4.三维建模俯视图 1.3.2 机械台结构 图5.机械台三维建模图 图6.机械台三视图 根据待测物体为各方向为50mm 的棱锥，设定转盘的直径为60mm，图中绿 色部分为各级轴承，橙色为编码器，黄色为步进电机，通过减速转盘驱动转轴。 底盘为150× 120×5 的平台。 1.4 主要模块介绍 1.4.1 电机模块 方案一：采用步进电机。步进电机是开环控制的，输入一个脉冲步进电机就 会转过一个固定的角度，驱动相对方便。但是步进电机响应速度不够快，另外控 制不当可能引起共振和失步。 方案二：采用直流电机。直流电机响应速度快，转矩比较大。但是需要额外 的编码器来反馈得到电机的转速和位置，不能像步进电机那样通过脉冲个数来控 制转过的角度。 考虑到转台需要实时反馈选装角度，同时为了能够较好的控制角度，选择方 案一，步进电机加角度反馈的方式。 1.4.2 角度反馈模块 方案一：电位器式的角度传感器。这类传感器线性精度高且稳定，温度系数 小，而且输出量是绝对式的，使用前不需要额外的校准调零，成本较低。但是这 类传感器输出信号为模拟量需要经AD 采集后才能转换成相应的角度，分辨率受 AD 限制，高频特性较差。 方案二：加速度式的角度传感器。这类传感器依靠测重力加速度在某个轴上 a a g sin 的分量测得角度。只有读取重力加速度在某个轴上的分量 ，通过 就  可以计算出 角。这类传感器只适合测量静态的角度，在有振动或转动的场合下 会引入额外的加速度，使得测量不准确。 方案三：增量式编码器。这类传感器输出信号为两路正交的矩形波，通过单 片机的正交编码器接口即可得到一个相对的角度，测