CN102003955B - 基于图像分析的位置检测传感装置及其位置检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像分析的位置检测传感装置，包括一检测头和一标靶。该检测头包括一摄像头；该标靶具有一直径为D的圆形区的标靶图像，该圆形区沿着一轴线对半分成两个半圆；该圆形区平分为一黑区和一白区，该黑区和白区之间具有一分界线，该分界线由分别设置在轴线两侧并仅在圆形区的圆心处连接的二个直径为D/2的半圆形组成。该摄像头在检测位置拍摄标靶图像并与一标准图像相对比，获得检测头相对标靶X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值，并通过检测头传送至远端控制装器。本发明的位置检测传感装置大大减低了图像分析的难度和运算量，提高了抗干扰能力和效率，可达到精确的测量且成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种位置检测及传感装置，尤其是涉及一种基于图像分析的位置检测及传感装置。
背景技术
运动控制技术的应用越来越广泛，尤其在机器人或机械手出现后，一些劳动强度大、工作环境危险、工作效率严格或高精度动作要求等方面的工作，人力逐渐被精密机械所替代。
机器人或机械手等精密机械要求通过多轴运动可任意设置运动的目标位置、运行轨迹和运动速度，因此对多轴运动控制的精度要求很高。多轴运动控制包括开环控制、全闭环控制和部分闭环控制三种控制方式。
开环控制是多轴运动控制的主要形式。每一轴的位置控制器包括运动控制单元、伺服电机及其传感器。每一轴的最终位置精度受到伺服电机、运动控制单元的减速箱和传动装置的误差影响。如果是关节式的机械手，最终的位置偏差是每个运动轴的偏差叠加。开环控制对伺服电机、减速箱、传动装置各部件的精度要求很高，不容易实现高精度的控制要求。
全闭环控制是在机器人或机械手的运动终端位置安装空间位置传感器，在机器全运动范围内实时检测实际位置。这种控制方式对伺服电机、减速箱、传动装置的精度要求不高，任意范围都有良好的控制精度，是一种理想的控制方式。但全范围、多维以及高精度的空间位置传感器很难实现，目前几乎没有实用化。
大部分的机器人或机械手的运动都是在两到几个点之间移动。一般对目标位置的精度要求很高，但对移动轨迹的精度要求不高。部分闭环的运动控制就是为了满足这种要求产生的，实现的方法是在运动的目标位置附近安装位置传感装置，当机械手进入其检测范围才起作用，对定位的偏差进行检测和修正，保证最终位置的准确性。这种控制方法在降低了对空间位置检测要求的同时又保持了如全闭环的高控制精度、低部件要求的优点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种减低图像分析的难度和运算量，提高了抗干扰能力和效率的位置检测传感装置及位置检测方法。
一种基于图像分析的位置检测传感装置，包括一检测头和一标靶。该检测头包括一摄像头；该标靶具有一直径为D的圆形区的标靶图像，该圆形区沿着一轴线对半分成两个半圆；该圆形区平分为一黑区和一白区，该黑区和白区之间具有一分界线，该分界线由分别设置在 轴线两侧并仅在圆形区的圆心处连接的二个直径为D/2的半圆形组成。该摄像头在检测位置拍摄标靶图像并与一标准图像相对比，获得检测头相对标靶X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值，并通过检测头传送至远端运动控制器。
进一步，该检测头还包括图像处理器和信号接口，所述摄像头在检测位置获得标靶图像并传送至图像处理器中进行图像分析，获得检测头摄像头相对标靶的X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值，然后通过信号接口将位置偏差值传送至远端运动控制器，控制调整检测头的位置。
进一步，该检测头安装在一移动部件上，该标靶安装在一固定部件上，该检测头相对该标靶移动。
进一步，所述图像处理器根据检测位置图像的黑区和白区的占空比判断检测位置的偏向，然后通过信号接口将位置偏差信号传送至远端运动控制器，控制调整检测头的X轴和Y轴方向的移动。
进一步，所述检测头位置被调整，使得检测位置图像的黑区和白区的占空比为1∶1时，对比检测位置图像与标准图像的黑白区分界线形状，并控制调整检测头的Z轴方向的移动，使检测位置图像与标准图像的黑白区分界线的形状一致。
进一步，所述图像处理器根据检测位置图像的分界线与标准图像的分界线的角度偏差值判断检测位置的角度偏差，然后通过信号接口将位置偏差信号传送至远端运动控制器，控制调整检测头旋转角度。
一种基于图像分析的位置检测方法，包括步骤1：设置一标靶图像，所述标靶图像为一直径为D的圆形区，该圆形区沿着一轴线对半分成两个半圆；该圆形区平分为一黑区和一白区，该黑区和白区之间具有一分界线，该分界线由分别设置在轴线两侧并仅在圆形区的圆心处连接的二个直径为D/2的半圆形组成；步骤2：对准所述标靶图像的圆心在标准位置获得一标准图像；步骤3：获得检测位置图像，并将其与标准图像做对比，获得检测位置相对标准位置的X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值。
根据检测位置图像的黑白占空比判断检测位置偏向黑区或白区，从而计算检测位置相对标准位置X轴向和Y轴向的偏移量。
当检测位置图像的黑白占空比为1∶1时，对比检测位置图像与标准图像的黑白区交界形状，从而计算检测位置相对标准位置Z轴向的偏移量。
进一步，对比检测位置图像的分界线与标准图像的分界线的角度偏差值，从而计算检测位置相对标准位置的角度偏移值。
相对于现有技术，本发明的位置检测传感装置及其位置检测方法大大减低了图像分析的难度和运算量，提高了抗干扰能力和效率。对图像进行分析后，可输出X、Y、Z轴以及角度的偏差信号，可达到较精确的测量。此外，本发明的位置传感器成本较低。
为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。
附图说明
图1是本发明位置传感器的结构示意图。
图2是图1所示的标靶上的图像示意图。
图3是第一图像和第二图像的对比示意图。
图4是第一图像和第三图像的对比示意图。
图5是第一图像和第四图像的对比示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其是本发明位置传感器的结构示意图。该位置传感器包括检测头10和标靶20。该检测头10包括摄像头12、图像处理器14和信号接口16。该标靶20安装在一固定位置，该检测头10安装在一个运动部件上。当检测头10随运动部件移动时，检测头10与标靶20产生相对运动。当标靶20进入检测头10的摄像头12的有效范围内时，摄像头12获得标靶20上的图像并传送至图像处理器14中进行图像分析，获得检测头摄像头12与标靶10之间的X、Y、Z轴向位置偏差信息，然后通过信号接口16将位置偏差信息传送至远端运动控制器，控制调整检测头10的位置。
请同时参阅图2，其是标靶20上的图像示意图。所述标靶图像为一直径为D的圆形区25，其平分为黑区22和白区24。该圆形区25具有一轴线21，该圆形区25沿着该轴线21可对半分成两个半圆。该黑区22和白区24之间具有一分界线26，该分界线26具体由分别设置在轴线21两侧并仅在靶心A(即圆形区25的圆心)处连接的二个直径为D/2的半圆形组成。只要与靶心A对正，所述标靶图像在任何距离和角度上，其视像的黑白占空比都是50％，因此摄像头12的白平衡在全检测范围内都无需调整，图像非黑即白，从而使图像分析的精度、效率、可靠性都可达到很高。
以下详细说明该位置传感器的图像分析方法。
请参阅图3，其是该摄像头12获得标靶20上的图像的示意图。第一图像30为摄像头12在标准位置拍摄的图像，第二图像40为摄像头12在检测区域内实际非标准位置拍摄的图像。图像处理器14将第二图像40与作为标准图像的第一图像30进行对比，然后分析实际位置与标准位置之间X、Y、Z轴的偏差距离和方向。
首先分析X轴向和Y轴向的偏差位置：在图3中，第二图像40的黑色区域比白色区域要小，因此根据第二图像40的黑白占空比可以判断摄像头12偏向了白色区域，同时可计算相对X轴向和Y轴向的偏移量。
然后分析Z轴向的偏差位置：Z轴向的偏差位置具体为摄像头12与标靶20之间距离的偏差值。请参阅图4，此时，假设摄像头12已对准了靶心A的位置但其与标靶20之间具有一偏差值L，即摄像头12拍摄的第三图像50的黑白占空比1∶1，但是由于偏差值L，第三图像50的黑白交界形状与第一图像30的黑白交界形状相异。摄像头12与标靶20之间的距离越近，则图像的圆形越小。
最后分析Z轴的角度偏差：请参阅图5，假设摄像头12已对准了靶心A的位置，以Z轴为旋转轴旋转了一角度β，则摄像头12拍摄的第四图像60的黑白交界形状将相对第一图像30的黑白交界形状具有一偏转角度β。此时，对第四图像60进行旋转使得其与第一图像30重叠，即可得到旋转角度β的值。
通过上述图像分析方法，首先检测相对标准位置X轴向和Y轴向的位移偏差，通过信号接口16将位置偏差信息传送至远端运动控制器，控制检测头10对正标准位置的靶心，然后再检测相对标准位置Z轴向的位移偏差以及角度偏差，从而控制检测头10停在正确的位置上。
本发明的位置传感器对位移尤其是Z轴方向的位移精度和线性度不是很高，但该装置适合于以标靶中心为目标位置的运动控制上，偏差闭环控制可对检测精度和线性度的要求不高，完全满足控制要求。
相对于现有技术，本发明的标靶图像采用黑白两色的固定连续图像，只要对准其圆心，在任何距离和任何角度上黑白两色的占空比都是50％，适用于对图像的分析，可大大减低了图像分析的难度和运算量，提高了抗干扰能力和效率。此外，对图像进行分析后，可输出X、Y、Z轴以及角度的偏差信号，可达到较精确的测量。此外，本发明的位置传感器成本较低。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种基于图像分析的位置检测传感装置，其特征在于：包括
一检测头，该检测头包括一摄像头；
一标靶，该标靶具有一直径为D的圆形区的标靶图像，该圆形区沿着一轴线对半分成两个半圆；该圆形区平分为一黑区和一白区，该黑区和白区之间具有一分界线，该分界线由分别设置在轴线两侧并仅在圆形区的圆心处连接的二个直径为D/2的半圆形组成；
该摄像头在检测位置拍摄标靶图像并与一标准图像相对比，获得检测头相对标靶X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值，并通过检测头传送至远端运动控制器。
2.如权利要求1所述的位置检测传感装置，其特征在于：该检测头还包括图像处理器和信号接口，所述摄像头在检测位置获得标靶图像并传送至图像处理器中进行图像分析，获得检测头摄像头相对标靶的X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值，然后通过信号接口将位置偏差值传送至远端运动控制器，控制调整检测头的位置。
3.如权利要求2所述的位置检测传感装置，其特征在于：该检测头安装在一移动部件上，该标靶安装在一固定部件上，该检测头相对该标靶移动。
4.如权利要求2所述的位置检测传感装置，其特征在于：所述图像处理器根据检测位置图像的黑区和白区的占空比判断检测位置的偏向，然后通过信号接口将位置偏差信号传送至远端运动控制器，控制调整检测头的X轴和Y轴方向的移动。
5.如权利要求4所述的位置检测传感装置，其特征在于：所述检测头位置被调整，使得检测位置图像的黑区和白区的占空比为1∶1时，对比检测位置图像与标准图像的黑白区分界线形状，并控制调整检测头的Z轴方向的移动，使检测位置图像与标准图像的黑白区分界线的形状一致。
6.如权利要求4所述的位置检测传感装置，其特征在于：所述图像处理器根据检测位置图像的分界线与标准图像的分界线的角度偏差值判断检测位置的角度偏差，然后通过信号接口将位置偏差信号传送至远端运动控制器，控制调整检测头旋转角度。
7.一种基于图像分析的位置检测方法，其特征在于：包括
步骤1：设置一标靶图像，所述标靶图像为一直径为D的圆形区，该圆形区沿着一轴线对半分成两个半圆；该圆形区平分为一黑区和一白区，该黑区和白区之间具有一分界线，该分界线由分别设置在轴线两侧并仅在圆形区的圆心处连接的二个直径为D/2的半圆形组成；
步骤2：对准所述标靶图像的圆心在标准位置获得一标准图像；
步骤3：获得检测位置图像，并将其与标准图像做对比，获得检测位置相对标准位置的X、Y、Z轴向以及角度的位置偏差值。
8.如权利要求7所述的位置检测方法，其特征在于：根据检测位置图像的黑白占空比判断检测位置偏向黑区或白区，从而计算检测位置相对标准位置X轴向和Y轴向的偏移量。
9.如权利要求7所述的位置检测方法，其特征在于：当检测位置图像的黑白占空比为1∶1时，对比检测位置图像与标准图像的黑白区交界形状，从而计算检测位置相对标准位置Z轴向的偏移量。
10.如权利要求7所述的位置检测方法，其特征在于：对比检测位置图像的分界线与标准图像的分界线的角度偏差值，从而计算检测位置相对标准位置的角度偏移值。
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