三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣機電系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)*

曾文會，施松新,2，張華書,2，劉連哲，林寶聚

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074; 2.東莞華中科技大學制造工程研究院，廣東 東莞 523808；3.大連市科技館，遼寧 大連 116000 )

三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣機電系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)*

曾文會1，施松新1,2，張華書1,2，劉連哲1，林寶聚3

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074; 2.東莞華中科技大學制造工程研究院，廣東 東莞 523808；3.大連市科技館，遼寧 大連 116000 )

文章就一種三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器機電系統(tǒng)進行了分析和研究；對顯示器的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)處理方式，掃描方法的選擇，機械傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及“分屏”，“組屏”技術(shù)等進行了詳細的介紹和分析；并給出了這種顯示器的市場價值和可能的一些應(yīng)用領(lǐng)域。

多自由度旋轉(zhuǎn); 掃描方式; 分屏; 組屏

0 引言

目前的LED點陣顯示器顯示設(shè)計過于專一，內(nèi)容過于單調(diào)，只能顯示簡單的數(shù)字、文字，而且很少有能顯示三維動態(tài)圖形的LED點陣顯示器，并且在一些系統(tǒng)中，對顯示器軟硬件接口設(shè)計的通用性問題欠考慮，造成了大量重復開發(fā)工作[1]。

為了解決這些問題，本文在比較并借鑒國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器，這種三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器由兩部分組成，分為機械傳動部分和LED點陣控制部分。首先,機械傳動部分把LED點陣顯示器分為三層，使每一層都能獨立旋轉(zhuǎn)運動，并且可以控制每層旋轉(zhuǎn)速度等，每層三維顯示器可以獨立展現(xiàn)動態(tài)圖像，這樣把機械的動態(tài)運動與光學的視覺運動結(jié)合起來，產(chǎn)生更多動態(tài)變化效果。LED點陣控制部分主要是在上位機建立虛擬三維空間坐標，并與三維LED點陣實體坐標對應(yīng)，在這個點陣空間實時展現(xiàn)動態(tài)三維圖像，能夠最大程度的還原原來的圖像。

1 三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED顯示器機電系統(tǒng)的原理

1.1 三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器機電系統(tǒng)

分析與設(shè)計

三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED顯示器自上而下分為三層，每層高度約為100mm，陣列顯示器下方為傳動機構(gòu)箱體。整個系統(tǒng)主要分為兩個部分：三維LED點陣顯示器控制部分和機械傳動機構(gòu)部分。相應(yīng)的LED點陣顯示器的原理分析包括控制系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)兩部分原理分析[2]。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED顯示器系統(tǒng)框架圖

1.2 三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器控制系統(tǒng)原理

三維LED點陣顯示器控制部分原理：首先，本系統(tǒng)的上位機軟件控制著每幀圖片在三維LED點陣上的空間坐標和展示時間，在圖片的展示間隔時間內(nèi)三維LED點陣需要向下一幀圖片展示位置運動，且每一幀的數(shù)據(jù)信息都是同一連續(xù)視頻段的動態(tài)片段，在上位機的協(xié)調(diào)下，能使三維LED點陣單元按照視頻的數(shù)據(jù)信息形成連續(xù)動態(tài)的展示效果，達到三維LED點陣顯示器的設(shè)計目的[3]。

具體如下：以實現(xiàn)一個運動的三維圓形球體為例，首先，上位機解析軟件對運動的三維圓形球體視頻圖像進行解析，解析過程中，通過建立一個虛擬的三維空間坐標系，并與實體三維LED點陣空間坐標對應(yīng)。在這一虛擬的空間三維坐標系中，先模擬一個圓形的球體，并確定圓形球體的位置，大小等于視頻圖像一致。然后通過對構(gòu)成球體的坐標點施加矩陣變換實現(xiàn)其向前運動，并且坐標變換時間間隔為一幀，及一幀的時間變換一次坐標，并且變換一次記錄一次坐標，然后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，按時間序列，即一幀一幀的解析存儲。采集完信息后，打包傳送到下位機的控制板處理器，處理器對這些信息進行優(yōu)化處理，然后緩存到SD卡，SD卡的信息在同步傳送到下位機的總控制板，總控制板在對信息進行分路處理，分別傳到三維LED點陣顯示器的各控制板里，控制板通過這些虛擬點陣信息來控制三維LED點陣各點的開關(guān)以及色彩，從而重組原來的三維視頻圖像，重組后的圖像能達到360°全方位成像，無死角的效果。

1.3 三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器機械傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖2 三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器機械傳動機構(gòu)裝配圖

此機械傳動機構(gòu)部分的工作原理是：箱體內(nèi)有三個伺服電機，電機轉(zhuǎn)速為100r/min，三個伺服電機分別帶動三個小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，三對齒輪的傳動比均為5，因此大齒輪轉(zhuǎn)速為20r/min。三個大齒輪分別固定在三根空心旋轉(zhuǎn)軸上面，三根空心軸分別與三層三維旋轉(zhuǎn)LED陣列顯示器固定，因此三層三維旋轉(zhuǎn)LED陣列顯示器的每層可以獨立旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為20r/min，空心軸上面采用角接觸球軸承，支撐整個陣列顯示器[4]。在空心軸的內(nèi)壁開通槽，陣列顯示器的通訊線可以通過通槽接到電滑環(huán)上，電滑環(huán)可以避免導線在旋轉(zhuǎn)的過程中造成扭傷。如下圖2所示為三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器的機械傳動機構(gòu)裝配圖。

2 三維多自由旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器機電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

從整個機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1可以看出，整個系統(tǒng)關(guān)鍵在于解決四個問題：①三維視頻解析后會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，怎么快速有效的處理這些數(shù)據(jù)，并快速在系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道中傳送？②處理完這些數(shù)據(jù)，最后如何快速高效的重組這些數(shù)據(jù)？③如何實現(xiàn)每層顯示器的獨立旋轉(zhuǎn)不產(chǎn)生相互干涉？④如何把圖像的動態(tài)運動與機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動結(jié)合起來，相互配合？

2.1 大量數(shù)據(jù)的處理

整個三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣空間有像素16×16×16=4096個像素點。因此每幀數(shù)據(jù)量為16×16×16/8=512byte，現(xiàn)假定按照畫面播放速度24幀/秒(一般FLASH播放速度是12幀/S)，那么每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就是512×24=12288byte=12k。然而控制器與計算機之間使用串口傳輸最高為115.2kbit/s=14kbyte/s。所以播放速度不高的話，用串口完全是能實現(xiàn)的。

三維視頻解析過程中，通過對每一幀的三維圖像進行剖面一層一層的解析，并且解析每一層后對這一層的數(shù)據(jù)進行打包處理，與其它層的數(shù)據(jù)分開，然后傳送到3Dmax512處理器，由于這一處理器能同時控制512個通道，并且傳送過程中能保證每一幀的數(shù)據(jù)同時傳送過來，為了避免LED總控板超負荷工作，無法處理，這時提前對數(shù)據(jù)信息進行格式轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換成LED控制板識別的信息格式，然后緩存到SD卡里。SD卡里的信息再傳送到MCU，MCU對數(shù)據(jù)進行并行傳送，傳送到各控制板，同時各控制板通過掃描方式控制各LED燈的開關(guān)，從而形成各種動態(tài)的圖形、文字等[5]。

2.2 數(shù)據(jù)的快速重組

圖3 掃描方式

處理完這些大量數(shù)據(jù)，最后如何快速高效的重組這些數(shù)據(jù)？這里，先對SD卡里的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)化處理，使之能快速被總控制板直接讀取，這樣極大減輕了控制板的工作負荷?？偪刂瓢遄x取完這些信息數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)信息進行分流并行傳送到各控制板，各分控制板采用掃描的方式處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，控制各LED燈的開關(guān)。這樣就能提高數(shù)據(jù)處理效率，并且各控制板能夠同步工作實現(xiàn)三維圖像的重組。掃描方式按照如圖3的方式掃描每一平面的點陣LED燈。

掃描部分：掃描的控制核心是有一定接口的處理器，如各種內(nèi)核的單片機。由通用處理器完成幀數(shù)據(jù)的讀取、組合和變換，同時通過某些總線接口產(chǎn)生掃描時序。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸以及掃描過程圖

本文采用的掃描方式為8行，16列掃描，如圖3所示。一組橫向級聯(lián)的若干顯示驅(qū)動模塊稱為一組級聯(lián)模塊，一組級聯(lián)模塊對外部只有一組控制接口。所以采用的一組16×16的LED點陣有兩組控制接口。 幾組級聯(lián)模塊可以由一個時鐘來共同驅(qū)動。在這個時鐘的驅(qū)動下，幾組模塊的數(shù)據(jù)并行上屏。如圖4所示，由于一塊控制板控制一個LED點陣平面，相當于每個時鐘驅(qū)動2組級聯(lián)模塊。而整個三維LED點陣平面則由若干分時時鐘驅(qū)動。注意這里說的是分時時鐘，就是說在數(shù)據(jù)上屏過程中，這些時鐘是先后有效的。如果有兩個時鐘同時有效，那么認為這兩個時鐘是一個時鐘，只是驅(qū)動的數(shù)據(jù)位寬為原來的2倍，這樣兩者是等效的。就能保證整個數(shù)據(jù)并行快速有效上傳到LED屏。掃描過程如圖4所示。

2.3 三維多自由旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器分層旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

1.大齒輪 2.電滑環(huán) 3.支撐板 4.角接觸球軸承 5.空心軸 6.第一層LED陣列顯示器 7.小齒輪 8.電機固定板 9.伺服電機 10.電滑環(huán)止轉(zhuǎn)板圖5 第一層顯示器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)顯示器的設(shè)計要求，首先要實現(xiàn)的功能是每層可以獨立旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)過程中，能實現(xiàn)“組屏”和“分屏”功能。換言之，整個裝置各層都按一個固定的時間軸協(xié)調(diào)運行，以配合各層顯示器的圖像播放序列在“分屏”“組屏”過程中有序進行。因此，首先在機械上要求每一層能夠獨立運轉(zhuǎn)，相互之間的運動不能牽扯和干擾，即要求是一種積木層疊式的設(shè)計；其次要求每一層的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為了滿足同一個時間軸，因而每層配備的機電伺服驅(qū)動系統(tǒng)必須完全相同，以便提供一致的基本運動參數(shù)。第一層旋轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

分層旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在設(shè)計過程中，首先為了保證旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，采用雙角接觸球軸承支持空心軸的旋轉(zhuǎn)。為了避免電線旋轉(zhuǎn)過程中扭曲損害，采用過電滑環(huán)套在空心軸上，如圖6所示，電滑環(huán)具有內(nèi)圈轉(zhuǎn)，外圈不轉(zhuǎn)的特性，這樣就能保證電滑環(huán)外圈電線與外部的控制板、電機等固定，內(nèi)圈電線與空心軸保持相對靜止，一起轉(zhuǎn)動。采用伺服電機，實現(xiàn)精確的位置控制，并能隨著視頻的變化而運動。其他兩層的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與此類似，這樣能保證每層具有相同的旋轉(zhuǎn)運動特性[6]。

2.4 三維多自由度旋轉(zhuǎn) LED點陣顯示器“分屏”與“組屏”技術(shù)

圖6 多自由度旋轉(zhuǎn)LED的“分屏”與“組屏”控制系統(tǒng)

三維多自由度LED點陣顯示器“分屏”與“組屏”功能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，控制系統(tǒng)從信號傳輸上分為兩部分：圖像傳輸部分和多自由度的運動信號傳輸部分，圖像傳輸部分主要是利用計算機將多媒體內(nèi)容通過Matlab軟件實現(xiàn)終端顯示播放，而播放進程處于中控系統(tǒng)的監(jiān)視之下[7]；運動信號傳輸部分則是由中控系統(tǒng)發(fā)送的運動指令，經(jīng)單片機處理之后通過運算放大器、驅(qū)動芯片等組成的模塊，驅(qū)動伺服電機，完成各層視頻板的旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)播放內(nèi)容和旋轉(zhuǎn)運動的協(xié)調(diào)一致，即按導演所給出的腳本要求，時而“分屏”，時而“組屏”，所有的旋轉(zhuǎn)運動指令，包含位置，速度，加速度，正反向等，都要求中控系統(tǒng)嚴格按事先編好的視頻演播程序來同步發(fā)送指令[8]。所以運動指令序列是受到播放進程的時間約束的。這種播放系統(tǒng)，利用的是一種動態(tài)多自由度數(shù)字標牌(Dynamic Multi Degreeof Freedom Digital Signage, DFDS)原理[9],將數(shù)字顯示本身和多自由度運動完美的結(jié)合起來[10]。

3 結(jié)論

這種通過直接建立一個實體三維LED點陣坐標，在這個點陣空間實時展現(xiàn)動態(tài)三維圖像的方法，能夠最大程度的還原原來的圖像。并且這種三維多自由度旋轉(zhuǎn)LED點陣顯示器，可通過PC機實時顯示動態(tài)三維圖像變換，并可控制顯示圖案的形狀，運動速度等；通過設(shè)計的機械傳動機構(gòu)，可使顯示器分為三層，每層獨立旋轉(zhuǎn)，可同時顯示12幅獨立畫面，360°旋轉(zhuǎn)，全方位展示；通過 “分屏”，“組屏”技術(shù)，可實現(xiàn)數(shù)字圖像的分解和組合變換。這種顯示器可應(yīng)用在立體電影、立體電視、廣告宣傳、藝術(shù)再現(xiàn)、交通、科學可視化、多媒體展示、虛擬現(xiàn)實等多個方面。

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[10]Kanghee Kim; Minyoung Sung; Hyun-Wook Jin. Design and Implementation of a Delay-Guaranteed Motor Drive for Precision Motion Control [J]. Industrial Informatics, IEEE Transactions on, 2012(8):351-365.

(編輯 李秀敏)

The Design and Development of Electromechanical Systems of 3-DMulti-DOFRotating LEDDot Matrx

ZENG Wen-hui1, SHI Song-xin1,2, ZHANG Hua-shu1, 2, LIU Lian-zhe1,LIN Bao-ju3

(1 School of Mechanical Science & Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2 DG-HUST Mechanical Engineering Institute, Dongguan Guangdong 523808, China)

First, the analysis and research on the electromechanical systems of 3-Dmulti-DOFRotating LEDdot matrix monitor has been put forward; followed by the detailed description and analysis about the key technologies of the monitor including data processing, the choice of scanning mode, the design of mechanical transmission structure, and "separation of screen", "combination of screen"; Finally, the market value and some of the possibly applications of such monitor has been given.

multi-DOFrotating; scanning mode;separation of screen; combination of screen

1001-2265(2014)07-0091-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.025

2013-11-10;

2013-12-13

國家自然科學基金(50905065)；廣東省產(chǎn)學研項目(2011B090300101，2011B090400381)

曾文會(1989—)，男，湖北仙桃人，華中科技大學碩士研究生，從事機電一體化研究,(E-mail)895985683@qq.com。

TH122;TG65

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