專利名稱：一種激光表演裝置的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光表演裝置的控制方法。
背景技術：
現(xiàn)有的激光表演系統(tǒng)采用的掃描頭有步進電機和振鏡，表演的圖形顯示效果有光束和圖形動畫。采用步進電機式的系統(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(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)是一個小型的激光顯示系統(tǒng)，主要由激光器、單片機控制器、掃描頭等組成(圖1)。其中單片機控制器是系統(tǒng)中樞，存儲演示節(jié)目，在演示過程中自動控制系統(tǒng)各部件的協(xié)調動作；掃描頭由步進電機及其帶動的X-Y反射鏡片組組成。單片機控制器根據(jù)事先編輯好存儲在單片機內部ROM的節(jié)目內容，輸出控制命令，經(jīng)步進電機驅動電路驅動后控制步進電機完成掃描，激光器發(fā)出激光(通常為綠激光)經(jīng)由步進電機帶動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。
在這種系統(tǒng)中，反射鏡的轉動是步進電機控制的，而步進電機是由輸入的數(shù)字電脈沖控制的，其特點是每輸入一個脈沖就轉動一個步距角，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序，即可獲的所需的轉角、轉速及轉向。激光束經(jīng)過由步進電機帶動的X-Y反射鏡組有規(guī)律的轉動，就可投射出有對應規(guī)律的圖形?？刂埔粚Σ竭M電機沿預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的每一步轉動進給控制命令字。
另一類是采用控制算法間接控制電機的轉動進給。
第一類控制方法要存儲圖形軌跡的每一個象素(或稱點，點數(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聯(lián)，所以這種控制方法要存儲很多圖形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)又不易確定，圖形設計靈活性低，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)有技術中經(jīng)常采用逐點比較差補法控制光束掃描。
所謂比較差補法，是每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較，判斷這點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。逐點比較差補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脈沖當量。任何圖形掃描都能用逐點比較差補法控制。用差補算法作直線，只需輸入始點和終點即可，余下的由算法程序完成，用此算法作直線過程如圖6。差補法有其缺點，要么向X方向走一步，要么向Y方向走一步，不能同時都走一步(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，更逼近實際圖形。
本發(fā)明實現(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)事先編輯好并存儲的節(jié)目內容，輸出控制命令，經(jīng)步進電機驅動電路驅動后控制步進電機帶動鏡片組轉動；2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)由步進電機帶動的鏡片組投射到屏幕上指定位置并按固定的軌跡掃描；其特征是控制電機按預定的軌跡掃描的方法是“快速差補法”，即采用三個最可能的步進點與給定軌跡的一個點作比較，其中三個點分別為橫向X軸上的一個點、縱向Y軸上的一個點和斜向即對角線上的一個點，根據(jù)比較結果來判斷坐標進給方向——是橫向走、或縱向走、還是斜向走，然后確定坐標進給量。
采用以上方案的有益效果由于采用首創(chuàng)的“快速差補法”，它不是計算動點的偏差，而是根據(jù)所在象限計算它相鄰的橫向、縱向和對角線三點的偏差，其中有一偏差最小，這說明這點最靠近給定的軌跡，下一步就往走向這點。不但提高了速度，而且還使圖形更圓滑，更逼近實際圖形。


圖1是現(xiàn)有技術中的表演裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例表演裝置示意圖。
圖3是激光調制器示意圖。
圖4是本發(fā)明實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)有技術中逐點比較差補法原理示意圖。
圖7是本發(fā)明快速差補法原理示意圖。
圖8是本發(fā)明快速差補法流程示意圖。
具體實施例方式下面通過具體的實施例并結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
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)采用步進電機作掃描頭，單片機作為控制器來控制掃描頭的X軸和Y軸兩個反射鏡協(xié)調偏轉實現(xiàn)光束沿著圖形輪廓快速掃描，同時控制著激光器激光的有無來實現(xiàn)激光成像，可以完成復雜的光束效果和簡單的圖形動畫表演。
如圖2所示，該系統(tǒng)包括激光器1、單片機控制器2、掃描頭3，所述掃描頭3包括步進電機帶動的X-Y反射鏡組32和步進電機驅動器31，所述單片機控制器2與步進電機驅動器31相連，步進電機驅動器31又與步進電機帶動的X-Y反射鏡組32相連，并且所述步進電機帶動的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制單元5，其一個輸入端與單片機控制器2相連，一個輸出端與激光器1相連。還包括聲控單元21，與單片機單片機控制器2相連。
所以，與原有的表演小系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)能實現(xiàn)1.激光器具有調制功能。
2.圖形可以斷筆。
3.能實現(xiàn)復雜圖形成像。
激光調制器如圖3所示，所述激光器電源調制單元5包括與單片機相連的第一端口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。此結構大體與原有的表演小系統(tǒng)類似，成本相當。
控制軟件驅動激光調制器實現(xiàn)圖形斷筆功能。單片機發(fā)出控制信號來調制激光器的電源，實現(xiàn)激光有無來達到斷筆效果。
當圖形需要斷筆時，單片機發(fā)出斷筆控制信號送至CON1端口，信號經(jīng)過光電耦合器耦合至Q1，Q1調制激光器電源(CON2接至激光器電源端口，與LD并聯(lián))。在需要圖形斷筆時，使Q1導通，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，達到圖形斷筆效果。激光器電源調制器相當于一個數(shù)控的分流器。
軟件控制步進電機轉動掃描，控制激光調制器實現(xiàn)圖形斷筆，接受聲控信號來控制表演節(jié)目按聲音節(jié)拍或強弱播放，是一個大型的底層控制軟件。軟件采用單片機C語言設計，這使得程序結構嚴謹，可讀性和移植性比匯編語言大大增強，使得計算量和編程量大為減少，復雜圖形實現(xiàn)變成可能。
軟件流程圖見圖4。掃描頭反射鏡面需要一個參考位置，它是靠電機轉動復位設置的。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。單片機采用中斷方式響應聲控觸發(fā)，在聲控中斷程序置聲控標志位，節(jié)目程序中查詢聲控標志位的方法設計聲控軟件。根據(jù)查詢結果，程序作相應的處理(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，兩線段的交匯處構成一拐點，用反射鏡的轉動去控制光點朝向下一拐點掃描。單元節(jié)目軟件流程圖如圖5所示。
下面結合圖5-8描述本發(fā)明獨特的控制算法設計——快速差補法。
反射鏡的轉動是步進電機控制的，而步進電機是由輸入的數(shù)字電脈沖控制的，其特點是每輸入一個脈沖就轉動一步，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序，即可獲的所需的轉角、轉速及轉向。激光束經(jīng)過由步進電機帶動的X-Y反射鏡組有規(guī)律的轉動，就可投射出有對應規(guī)律的圖形。控制一組步進電機沿預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的每一步轉動進給控制命令字；另一類是采用控制算法間接控制電機的轉動進給。
第一類控制方法要存儲圖形軌跡的每一個象素控制命令字，而且后一象素的命令字與前一象素的命令字有關聯(lián)，所以這種控制方法要存儲很多圖形數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)又不易確定，圖形程序設計工作量大。
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，因為采用不同的控制算法在圖形軌跡和掃描速度有著差異。
現(xiàn)有技術中一般是采用逐點比較差補法控制光束掃描。所謂比較差補法，是每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較，判斷這點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。逐點比較差補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脈沖當量。任何圖形掃描都能用逐點比較差補法控制。用差補算法作直線，只需輸入始點和終點即可，余下的調用差補算法函數(shù)完成，用此算法走直線過程如圖6。差補法有其缺點，要么向X方向走一步，要么向Y方向走一步，不能同時都走一步(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的算法，這是系統(tǒng)最關鍵的一項新技術，類似于差補法，所不同的是不僅能實現(xiàn)直走(X或Y)，而且同時能斜走(X、Y同時走一步)，這樣即保留了差補法的優(yōu)點，又彌補了用差補算法的缺點。
“快速差補”采用三個點與給定軌跡的一個點作比較，其中三個點分別為橫向X軸上的一個點、縱向Y軸上的一個點和斜向(對角線)上的一個點，根據(jù)結果來判斷是橫向走，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，差補算法所需9步，而快速差補算法只需5步。后者的速度是前者的一倍多，一些圖形可以達到前者的兩倍。速度時逐點比較差補法無法比擬的，而且快速差補法掃描的圖形更圓滑，更逼近實際圖形。快速差補法軟件流程圖如圖8所示。
其算法的實現(xiàn)實例介紹如下在逐點比較法插補中，必須把每一插值點(動點)的實際位置與給定軌跡的理想位置的誤差，即“偏差“計算出來，根據(jù)偏差的正、負決定下一步的走向，來逼近給定軌跡。因此偏差計算是關鍵的一步。逐點比較法插補法的偏差判別式為(推導略)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、終點和動點坐標。不同象限直線的動點進給的兩個方向是不同的，要根據(jù)點的偏差和直線所在象限來決定動點的進給方向，見圖6。
快速差補算法的偏差判別式與逐點比較差補法相同，但它不是計算動點的偏差，而是根據(jù)所在象限計算它相鄰的橫向、縱向和對角線三點的偏差，其中有一偏差最小，這說明這點最靠近給定的軌跡，下一步就往走向這點，見圖7。
下面是直線快速插補法的實現(xiàn)步驟(已知直線段的起始點和終點)首先，根據(jù)所要作直線的起始點和終點兩坐標判斷直線所在象限。
其次，根據(jù)直線的模式，可以大致知道動點的進給方向。通過判別式計算出偏差來決定動點的下一步進給。
最后，終點判別。到達終點后，完成該直線掃描，進入下一直線掃描。
權利要求
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)事先編輯好并存儲的節(jié)目內容，輸出控制命令，經(jīng)步進電機驅動電路驅動后控制步進電機帶動鏡片組轉動；2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)由步進電機帶動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，控制電機按預定的軌跡掃描的方法是“快速差補法”，即采用三個最可能的步進點與給定軌跡的一個點作比較，其中三個點分別為橫向X軸上的一個點、縱向Y軸上的一個點和斜向即對角線上的一個點，根據(jù)比較結果來判斷坐標進給方向——是橫向走、或縱向走、還是斜向走，然后確定坐標進給量。
2.如權利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是找到三個最可能的步進點的方法包括如下步驟A)根據(jù)所要作直線的起始點和終點兩坐標判斷直線所在象限；B)根據(jù)直線的模式，判斷動點的進給方向，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步進間距的點，即為所需要的三個最可能的步進點。
3.如權利要求1所述的激光表演裝置的控制方法，其特征是根據(jù)比較結果來判斷坐標進給方向的方法是通過判別式分別計算出三個最可能的步進點與給定軌跡的一個點的偏差，取偏差最小的步進點即為下一步的進給點。
4.如權利要求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，兩線段的交匯處構成一拐點，所述拐點是前一直線的終點，又是后一直線的起點；到達終點后，完成前一直線掃描，用反射鏡的轉動去控制光點朝向下一拐點掃描。
5.如權利要求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，根據(jù)聲音節(jié)拍控制播放。
6.如權利要求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聲控觸發(fā)，在聲控中斷程序置聲控標志位，節(jié)目程序中查詢聲控標志位，根據(jù)查詢結果，程序作相應的處理，包括繼續(xù)執(zhí)行或跳出改變圖形節(jié)目。
7.如權利要求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，則激光器電源調制單元(5)控制激光器實現(xiàn)調制激光，控制激光器激光的有無從而來到達圖形斷筆。
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)事先編輯好并存儲的節(jié)目內容，輸出控制命令，經(jīng)步進電機驅動電路驅動后控制步進電機帶動鏡片組轉動；2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)由步進電機帶動的鏡片組投射到屏幕上指定位置并按固定的軌跡掃描；其中控制電機按預定的軌跡掃描的方法是“快速差補法”，即采用三個最可能的步進點與給定軌跡的一個點作比較，其中三個點分別為橫向X軸上的一個點、縱向Y軸上的一個點和斜向即對角線上的一個點，根據(jù)比較結果來判斷坐標進給方向——是橫向走、或縱向走、還是斜向走，然后確定坐標進給量。由于采用首創(chuàng)的“快速差補法”，不但提高了速度，而且還使圖形更圓滑，更逼近實際圖形。
文檔編號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有限公司