專利名稱：一種激光表演裝置的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光表演裝置的控制方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的激光表演系統(tǒng)采用的掃描頭有步進(jìn)電機(jī)和振鏡，表演的圖形顯示效果有光束和圖形動(dòng)畫。采用步進(jìn)電機(jī)式的系統(tǒng)由于精度和速度影響，用在中小型表演系統(tǒng)中，作光束表演(光線在空間表現(xiàn)的效果)，它使用單片機(jī)(MCU)作為控制器，采用小功率激光器，系統(tǒng)操作簡單，成本低。
這些激光表演系統(tǒng)是一個(gè)小型的激光顯示系統(tǒng)，主要由激光器、單片機(jī)控制器、掃描頭等組成(圖1)。其中單片機(jī)控制器是系統(tǒng)中樞，存儲(chǔ)演示節(jié)目，在演示過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)各部件的協(xié)調(diào)動(dòng)作；掃描頭由步進(jìn)電機(jī)及其帶動(dòng)的X-Y反射鏡片組組成。單片機(jī)控制器根據(jù)事先編輯好存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部ROM的節(jié)目內(nèi)容，輸出控制命令，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后控制步進(jìn)電機(jī)完成掃描，激光器發(fā)出激光(通常為綠激光)經(jīng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的鏡片組投射到屏幕上指定位置。表演節(jié)目可以受聲音節(jié)拍控制播放，它通過聲控單元拾取聲音控制信號(hào)。
在這種系統(tǒng)中，反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)控制的，而步進(jìn)電機(jī)是由輸入的數(shù)字電脈沖控制的，其特點(diǎn)是每輸入一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序，即可獲的所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。激光束經(jīng)過由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的X-Y反射鏡組有規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可投射出有對應(yīng)規(guī)律的圖形。控制一對步進(jìn)電機(jī)沿預(yù)定的軌跡掃描有兩類控制方法。
一類是直接或編碼間接輸入電機(jī)的每一步轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給控制命令字。
另一類是采用控制算法間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給。
第一類控制方法要存儲(chǔ)圖形軌跡的每一個(gè)象素(或稱點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)等于所需步距數(shù))控制命令字，而且后一象素的命令字與前一象素的命令字有關(guān)聯(lián)，所以這種控制方法要存儲(chǔ)很多圖形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)又不易確定，圖形設(shè)計(jì)靈活性低，工作量大。
第二類采用控制算法避免了直接輸入圖形數(shù)據(jù)，由程序完成圖形數(shù)據(jù)的生成。采用不同的控制算法在圖形軌跡和掃描速度有著差異?，F(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)常采用逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法控制光束掃描。
所謂比較差補(bǔ)法，是每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，判斷這點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的走向。逐點(diǎn)比較差補(bǔ)是以階梯折線逼近直線或圓弧等曲線的，它與規(guī)定的軌跡圖形之間的最大誤差為一個(gè)脈沖當(dāng)量。任何圖形掃描都能用逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法控制。用差補(bǔ)算法作直線，只需輸入始點(diǎn)和終點(diǎn)即可，余下的由算法程序完成，用此算法作直線過程如圖6。差補(bǔ)法有其缺點(diǎn)，要么向X方向走一步，要么向Y方向走一步，不能同時(shí)都走一步(斜向走即向45度或135度方向)，經(jīng)過A(X1，Y1)和B(X2，Y2)兩點(diǎn)所需步數(shù)為|X2-X1+Y2-Y1|所要步數(shù)多，掃描速度就較慢；而且不能斜走，這樣掃描出來的圖形不圓滑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供一種激光表演裝置的控制方法，提高速度，并使圖形更圓滑，更逼近實(shí)際圖形。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的激光表演裝置的控制方法包括如下步驟1)控制器根據(jù)事先編輯好并存儲(chǔ)的節(jié)目內(nèi)容，輸出控制命令，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鏡片組轉(zhuǎn)動(dòng)；2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的鏡片組投射到屏幕上指定位置并按固定的軌跡掃描；其特征是控制電機(jī)按預(yù)定的軌跡掃描的方法是“快速差補(bǔ)法”，即采用三個(gè)最可能的步進(jìn)點(diǎn)與給定軌跡的一個(gè)點(diǎn)作比較，其中三個(gè)點(diǎn)分別為橫向X軸上的一個(gè)點(diǎn)、縱向Y軸上的一個(gè)點(diǎn)和斜向即對角線上的一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)比較結(jié)果來判斷坐標(biāo)進(jìn)給方向——是橫向走、或縱向走、還是斜向走，然后確定坐標(biāo)進(jìn)給量。
采用以上方案的有益效果由于采用首創(chuàng)的“快速差補(bǔ)法”，它不是計(jì)算動(dòng)點(diǎn)的偏差，而是根據(jù)所在象限計(jì)算它相鄰的橫向、縱向和對角線三點(diǎn)的偏差，其中有一偏差最小，這說明這點(diǎn)最靠近給定的軌跡，下一步就往走向這點(diǎn)。不但提高了速度，而且還使圖形更圓滑，更逼近實(shí)際圖形。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的表演裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例表演裝置示意圖。
圖3是激光調(diào)制器示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例軟件流程圖見圖4圖5是節(jié)目單元軟件流程圖。
圖6是現(xiàn)有技術(shù)中逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法原理示意圖。
圖7是本發(fā)明快速差補(bǔ)法原理示意圖。
圖8是本發(fā)明快速差補(bǔ)法流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
本發(fā)明可用于(但不限于)控制下述激光表演系統(tǒng)該系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作掃描頭，單片機(jī)作為控制器來控制掃描頭的X軸和Y軸兩個(gè)反射鏡協(xié)調(diào)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光束沿著圖形輪廓快速掃描，同時(shí)控制著激光器激光的有無來實(shí)現(xiàn)激光成像，可以完成復(fù)雜的光束效果和簡單的圖形動(dòng)畫表演。
如圖2所示，該系統(tǒng)包括激光器1、單片機(jī)控制器2、掃描頭3，所述掃描頭3包括步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的X-Y反射鏡組32和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器31，所述單片機(jī)控制器2與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器31相連，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器31又與步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的X-Y反射鏡組32相連，并且所述步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的X-Y反射鏡組32位于激光器1所發(fā)射的光線的光路上；與圖1不同的是還包括激光器電源調(diào)制單元5，其一個(gè)輸入端與單片機(jī)控制器2相連，一個(gè)輸出端與激光器1相連。還包括聲控單元21，與單片機(jī)單片機(jī)控制器2相連。
所以，與原有的表演小系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)1.激光器具有調(diào)制功能。
2.圖形可以斷筆。
3.能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形成像。
激光調(diào)制器如圖3所示，所述激光器電源調(diào)制單元5包括與單片機(jī)相連的第一端口CON1、與第一端口CON1另一端相連的光電耦合器U1、三極管Q1和與激光器電源端口相連的第二端口CON2，所述光電耦合器U1的輸出端與三極管Q1的基極相連，第二端口CON2兩端分別接于三極管Q1的集電極和發(fā)射極，從而使激光器1并聯(lián)于三極管Q1的集電極和發(fā)射極一側(cè)。此結(jié)構(gòu)大體與原有的表演小系統(tǒng)類似，成本相當(dāng)。
控制軟件驅(qū)動(dòng)激光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)圖形斷筆功能。單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)來調(diào)制激光器的電源，實(shí)現(xiàn)激光有無來達(dá)到斷筆效果。
當(dāng)圖形需要斷筆時(shí)，單片機(jī)發(fā)出斷筆控制信號(hào)送至CON1端口，信號(hào)經(jīng)過光電耦合器耦合至Q1，Q1調(diào)制激光器電源(CON2接至激光器電源端口，與LD并聯(lián))。在需要圖形斷筆時(shí)，使Q1導(dǎo)通，從而原流過LD的電流一部分被Q1分流，使LD的電流在它的閾值之下，LD不能發(fā)光，達(dá)到圖形斷筆效果。激光器電源調(diào)制器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)控的分流器。
軟件控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，控制激光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)圖形斷筆，接受聲控信號(hào)來控制表演節(jié)目按聲音節(jié)拍或強(qiáng)弱播放，是一個(gè)大型的底層控制軟件。軟件采用單片機(jī)C語言設(shè)計(jì)，這使得程序結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可讀性和移植性比匯編語言大大增強(qiáng)，使得計(jì)算量和編程量大為減少，復(fù)雜圖形實(shí)現(xiàn)變成可能。
軟件流程圖見圖4。掃描頭反射鏡面需要一個(gè)參考位置，它是靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位設(shè)置的。表演的節(jié)目是以節(jié)目單元為單位播放的，而單元節(jié)目的切換是由聲控即聲音節(jié)奏控制的。單片機(jī)采用中斷方式響應(yīng)聲控觸發(fā)，在聲控中斷程序置聲控標(biāo)志位，節(jié)目程序中查詢聲控標(biāo)志位的方法設(shè)計(jì)聲控軟件。根據(jù)查詢結(jié)果，程序作相應(yīng)的處理(繼續(xù)執(zhí)行或跳出改變圖形節(jié)目)。
單元節(jié)目是由基本圖形組成的一組有有特色、有規(guī)律的的簡短節(jié)目。圖形是由很多線段組成，兩線段的交匯處構(gòu)成一拐點(diǎn)，用反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)去控制光點(diǎn)朝向下一拐點(diǎn)掃描。單元節(jié)目軟件流程圖如圖5所示。
下面結(jié)合圖5-8描述本發(fā)明獨(dú)特的控制算法設(shè)計(jì)——快速差補(bǔ)法。
反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)控制的，而步進(jìn)電機(jī)是由輸入的數(shù)字電脈沖控制的，其特點(diǎn)是每輸入一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序，即可獲的所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。激光束經(jīng)過由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的X-Y反射鏡組有規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可投射出有對應(yīng)規(guī)律的圖形?？刂埔唤M步進(jìn)電機(jī)沿預(yù)定的軌跡掃描有兩類控制方法一類是直接或編碼間接輸入電機(jī)的每一步轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給控制命令字；另一類是采用控制算法間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)給。
第一類控制方法要存儲(chǔ)圖形軌跡的每一個(gè)象素控制命令字，而且后一象素的命令字與前一象素的命令字有關(guān)聯(lián)，所以這種控制方法要存儲(chǔ)很多圖形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)又不易確定，圖形程序設(shè)計(jì)工作量大。
第二類采用控制算法避免了直接輸入圖形數(shù)據(jù)，按照程序完成圖形數(shù)據(jù)的生成。但到底采用何種控制算法非常重要，因?yàn)椴捎貌煌目刂扑惴ㄔ趫D形軌跡和掃描速度有著差異。
現(xiàn)有技術(shù)中一般是采用逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法控制光束掃描。所謂比較差補(bǔ)法，是每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，判斷這點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的走向。逐點(diǎn)比較差補(bǔ)是以階梯折線逼近直線或圓弧等曲線的，它與規(guī)定的軌跡圖形之間的最大誤差為一個(gè)脈沖當(dāng)量。任何圖形掃描都能用逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法控制。用差補(bǔ)算法作直線，只需輸入始點(diǎn)和終點(diǎn)即可，余下的調(diào)用差補(bǔ)算法函數(shù)完成，用此算法走直線過程如圖6。差補(bǔ)法有其缺點(diǎn)，要么向X方向走一步，要么向Y方向走一步，不能同時(shí)都走一步(斜向走即向45度或135度方向)，經(jīng)過A(X1，Y1)和B(X2，Y2)兩點(diǎn)所需步數(shù)為|X2-X1+Y2-Y1|所要步數(shù)很多，掃描速度較慢；而且不能斜走，這樣掃描出來的圖形不圓滑。
本發(fā)明則用“快速差補(bǔ)法”控制光束掃描，它是本發(fā)明人余建華先生定義的一種源于差補(bǔ)的算法，這是系統(tǒng)最關(guān)鍵的一項(xiàng)新技術(shù)，類似于差補(bǔ)法，所不同的是不僅能實(shí)現(xiàn)直走(X或Y)，而且同時(shí)能斜走(X、Y同時(shí)走一步)，這樣即保留了差補(bǔ)法的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了用差補(bǔ)算法的缺點(diǎn)。
“快速差補(bǔ)”采用三個(gè)點(diǎn)與給定軌跡的一個(gè)點(diǎn)作比較，其中三個(gè)點(diǎn)分別為橫向X軸上的一個(gè)點(diǎn)、縱向Y軸上的一個(gè)點(diǎn)和斜向(對角線)上的一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)結(jié)果來判斷是橫向走，或縱向走，還是斜向走。用此算法走直線過程如圖7。
從圖6和圖7可以看出，走同樣一條直線，差補(bǔ)算法所需9步，而快速差補(bǔ)算法只需5步。后者的速度是前者的一倍多，一些圖形可以達(dá)到前者的兩倍。速度時(shí)逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法無法比擬的，而且快速差補(bǔ)法掃描的圖形更圓滑，更逼近實(shí)際圖形。快速差補(bǔ)法軟件流程圖如圖8所示。
其算法的實(shí)現(xiàn)實(shí)例介紹如下在逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)中，必須把每一插值點(diǎn)(動(dòng)點(diǎn))的實(shí)際位置與給定軌跡的理想位置的誤差，即“偏差“計(jì)算出來，根據(jù)偏差的正、負(fù)決定下一步的走向，來逼近給定軌跡。因此偏差計(jì)算是關(guān)鍵的一步。逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)法的偏差判別式為(推導(dǎo)略)Fm＝|Koa-Kom|＝|(Ye-Yo)/(Xe-Xo)-(Ym-Yo)/(Xm-Xo)|＝|(Ym-Yo)(Xe-Xo)-(Ye-Yo)(Xm-Xo)|
(X0，Y0)、(Xe，Ye)、(Xm，Ym)分別為線段起點(diǎn)、終點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)。不同象限直線的動(dòng)點(diǎn)進(jìn)給的兩個(gè)方向是不同的，要根據(jù)點(diǎn)的偏差和直線所在象限來決定動(dòng)點(diǎn)的進(jìn)給方向，見圖6。
快速差補(bǔ)算法的偏差判別式與逐點(diǎn)比較差補(bǔ)法相同，但它不是計(jì)算動(dòng)點(diǎn)的偏差，而是根據(jù)所在象限計(jì)算它相鄰的橫向、縱向和對角線三點(diǎn)的偏差，其中有一偏差最小，這說明這點(diǎn)最靠近給定的軌跡，下一步就往走向這點(diǎn)，見圖7。
下面是直線快速插補(bǔ)法的實(shí)現(xiàn)步驟(已知直線段的起始點(diǎn)和終點(diǎn))首先，根據(jù)所要作直線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)兩坐標(biāo)判斷直線所在象限。
其次，根據(jù)直線的模式，可以大致知道動(dòng)點(diǎn)的進(jìn)給方向。通過判別式計(jì)算出偏差來決定動(dòng)點(diǎn)的下一步進(jìn)給。
最后，終點(diǎn)判別。到達(dá)終點(diǎn)后，完成該直線掃描，進(jìn)入下一直線掃描。
權(quán)利要求
1.一種激光表演裝置的控制方法，包括如下步驟1)控制器根據(jù)事先編輯好并存儲(chǔ)的節(jié)目內(nèi)容，輸出控制命令，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鏡片組轉(zhuǎn)動(dòng)；2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的鏡片組投射到屏幕上指定位置并按固定的軌跡掃描；其特征是，控制電機(jī)按預(yù)定的軌跡掃描的方法是“快速差補(bǔ)法”，即采用三個(gè)最可能的步進(jìn)點(diǎn)與給定軌跡的一個(gè)點(diǎn)作比較，其中三個(gè)點(diǎn)分別為橫向X軸上的一個(gè)點(diǎn)、縱向Y軸上的一個(gè)點(diǎn)和斜向即對角線上的一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)比較結(jié)果來判斷坐標(biāo)進(jìn)給方向——是橫向走、或縱向走、還是斜向走，然后確定坐標(biāo)進(jìn)給量。
2.如權(quán)利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是找到三個(gè)最可能的步進(jìn)點(diǎn)的方法包括如下步驟A)根據(jù)所要作直線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)兩坐標(biāo)判斷直線所在象限；B)根據(jù)直線的模式，判斷動(dòng)點(diǎn)的進(jìn)給方向，沿該方向在橫向X軸上、縱向Y軸上和斜向即對角線上分別取距離為一個(gè)步進(jìn)間距的點(diǎn)，即為所需要的三個(gè)最可能的步進(jìn)點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是根據(jù)比較結(jié)果來判斷坐標(biāo)進(jìn)給方向的方法是通過判別式分別計(jì)算出三個(gè)最可能的步進(jìn)點(diǎn)與給定軌跡的一個(gè)點(diǎn)的偏差，取偏差最小的步進(jìn)點(diǎn)即為下一步的進(jìn)給點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是圖形由線段組成，兩線段的交匯處構(gòu)成一拐點(diǎn)，所述拐點(diǎn)是前一直線的終點(diǎn)，又是后一直線的起點(diǎn)；到達(dá)終點(diǎn)后，完成前一直線掃描，用反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)去控制光點(diǎn)朝向下一拐點(diǎn)掃描。
5.如權(quán)利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是是通過聲控單元拾取聲音控制信號(hào)，根據(jù)聲音節(jié)拍控制播放。
6.如權(quán)利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是單元節(jié)目的切換是由聲控即聲音節(jié)奏控制的；控制器采用中斷方式響應(yīng)聲控觸發(fā)，在聲控中斷程序置聲控標(biāo)志位，節(jié)目程序中查詢聲控標(biāo)志位，根據(jù)查詢結(jié)果，程序作相應(yīng)的處理，包括繼續(xù)執(zhí)行或跳出改變圖形節(jié)目。
7.如權(quán)利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是圖形由線段組成，如果在線段之間有斷筆，則激光器電源調(diào)制單元(5)控制激光器實(shí)現(xiàn)調(diào)制激光，控制激光器激光的有無從而來到達(dá)圖形斷筆。
全文摘要
本發(fā)明公開一種激光表演裝置的控制方法，包括如下步驟1)控制器根據(jù)事先編輯好并存儲(chǔ)的節(jié)目內(nèi)容，輸出控制命令，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鏡片組轉(zhuǎn)動(dòng)；2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的鏡片組投射到屏幕上指定位置并按固定的軌跡掃描；其中控制電機(jī)按預(yù)定的軌跡掃描的方法是“快速差補(bǔ)法”，即采用三個(gè)最可能的步進(jìn)點(diǎn)與給定軌跡的一個(gè)點(diǎn)作比較，其中三個(gè)點(diǎn)分別為橫向X軸上的一個(gè)點(diǎn)、縱向Y軸上的一個(gè)點(diǎn)和斜向即對角線上的一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)比較結(jié)果來判斷坐標(biāo)進(jìn)給方向——是橫向走、或縱向走、還是斜向走，然后確定坐標(biāo)進(jìn)給量。由于采用首創(chuàng)的“快速差補(bǔ)法”，不但提高了速度，而且還使圖形更圓滑，更逼近實(shí)際圖形。
文檔編號(hào)G09F19/12GK1555041SQ2003101041
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者黃代桓, 余建華 申請人:深圳市鐳幻激光高技術(shù)有限公司