CN103471529B - 基于图像处理的高精度小型光电角度传感器 - Google Patents

Abstract

基于图像处理的高精度小型光电角度传感器涉及光电角度传感器领域，该传感器包括光电探测器、光学成像镜头组、刻有精码和粗码的合作靶标、放大镜头和图像处理器；合作靶标固定在轴系的旋转轴上，光电探测器、光学成像镜头组、放大镜头固定不动；精码通过放大镜头与粗码一起通过光学成像镜头组在光电探测器上清晰成像；轴系进行转动时合作靶标与光学成像镜头组产生相对运动，进而合作靶标图案在光电探测器上的成像随之变化，光电探测器将实时的图像传送给图像处理器，图像处理器通过图像处理的方法判断码盘的旋转角度，并将计算出的实时旋转角度输出。本发明具有结构小、精度高、易加工、易装调、可批量生产的优点。

Description

基于图像处理的高精度小型光电角度传感器

技术领域

本发明涉及光电角度传感器领域，具体涉及一种基于图像处理的高精度小型化光电角度传感器。

背景技术

光电角度传感器具有广阔的市场需求，其应用领域遍及各行各业，光电角度传感器的发展趋势是更高精度、更小型化和更智能化。根据精度要求的不同，光电角度传感器的生产方式也不相同，精度较低的光电角度传感器可以大批量的进行生产，而高精度的角度传感器产量不高，特殊应用场合还需要定制。高精度的角度传感器生产过程中需要进行精密装调，因此成品率不高。常见的测量轴系转动的角度传感器具有码盘和光学探测器，通过测量其间的相对运动，确定轴系的旋转角度，光学探测器可以是线阵或面阵CCD或CMOS，码盘通常为圆盘或圆环，码盘刻有编码，用于光学探测器读取，确定旋转角度。码盘刻画的精密程度严重影响整个角度传感器的精度，而码盘刻画的工艺水平是有限的，这使得角度传感器的精度受到限制，高精度的角度传感器难于加工和装调，因此带来了产量不高，成品率不高，维护费用高，周期长的特点。现有技术中，为了提升角度传感器的精度，往往通过电子细分或改变码盘编码方式来实现，但都存在码盘加工工艺要求高的技术瓶颈，而且精密装调困难。

发明内容

为了解决现有光电角度传感器存在的精度低、加工和装调难、不能批量生产的技术问题，本发明提供一种基于图像处理的高精度小型化光电角度传感器。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于图像处理的高精度小型光电角度传感器包括：光电探测器、光学成像镜头组、合作靶标、放大镜头和图像处理器；合作靶标上刻画有由精码和粗码组成的合作靶标图案，在合作靶标上刻画的精码直线与指向合作靶标中心的向心线之间成固定角度，使得旋转过程中精码直线方向与光电探测器靶面的像元排列方向之间的夹角大于1度，在合作靶标上采用基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式刻画粗码；合作靶标固定在轴系的旋转轴上，光电探测器、光学成像镜头组、放大镜头均固定在轴系的固定端上，光电探测器与图像处理器连接；光源发出的光照射在合作靶标图案上，经过合作靶标图案反射后的光射入放大镜头，经过放大镜头的放大后射入光学成像镜头组，经过光学成像镜头组后合作靶标图案在光电探测器上清晰成像；旋转轴进行转动时合作靶标图案与光学成像镜头组产生相对运动，进而合作靶标图案在光电探测器上的成像随之变化，光电探测器将实时的图像传送给图像处理器，图像处理器通过图像处理的方法判断合作靶标的旋转角度，并将计算出的实时旋转角度输出。

采用基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式刻画粗码，当需分辨2ⁿ条精码线时，需要将n位信息刻画在合作靶标上，得到精码的绝对位置，刻画方式有两种：一种为一维编码刻画方式，即采用二进制编码方式，实现n位表示；另一种为二维编码刻画方式，即采用按照码在图像上的不同位置来判断位数和数值的方式。

本发明不采用传统码盘上高精度高密度的刻码道的方式作为评估图像进行角度旋转测量，比如，为了达到0.5〞测量精度，传统编码器需要刻画3万多条线，而本发明仅需刻画256条线即可达到0.5〞的精度要求，合作靶标图案由精码和粗码组成，以合作靶标图案的位移信息数值经过光学放大作为测量值的精码，实现高精度的角度测量，粗码用于区分精码的绝对位置。在合作靶标测量过程中采用高效的图像细分算法，能够将光电探测器探测到的合作靶标图案的成像进行细分，照明成像条件优质，从而达到更高精度的角度测量计算；用于计算粗码和精码的合作靶标图像数据可以采用同一个面阵图像传感器接收，也可以采用多个面阵图像传感器分别接收，光电探测器探测到的图像数据量较大（如采用1024×1024，8bit的CMOS传感器，帧频50Hz），需要采用高速图像处理器，可以采用FPGA或DSP或多核处理器或嵌入式GPU处理系统来完成。测量的瞬时角度由光电探测器的中心线与精码的成像之间的相对位置关系来确定，精码的绝对位置由粗码来确定。

本发明的光学系统为由放大镜头构成的光学放大系统，本发明是采用光学成像镜头组的成像方式，合作靶标的照明是采用反射式或透射式照明方式，而不是采用自发光的设计，而且本发明的光电角度传感器接收的是图像信息，不是单纯的能量信息，本发明中合作靶标的精码上刻有绝对编码作为粗码，用于精码的区分。本发明精码根据粗码进行绝对位置确定，计算光电探测器中心线指向与精码间的位置关系，无需参考图案，而利用精码本身在光电探测器上的截距移动以及其与光电探测器参考线间的相对位置关系来计算当前角度，与传统的统计学方法来根据参考图案判断角度不一致，本发明可以用更少的编码刻画达到更高的角度测量精度。

本发明的有益效果是：该光电角度传感器结构小，精度高，易加工，易装调，可批量生产，比现有同外径的光电角度传感器的精度提升一个数量级。

附图说明

图1是本发明实施例1采用的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器结构示意图。

图2是本发明中的光路原理图，(a)为实施例1中的单点测量方式，(b)为实施例2中的对径相加测量方式。

图3是本发明根据图像进行角度测量时角度从0～2度变化过程的误差曲线示意图。

图4是本发明粗码精码采用一维编码一体化设计时的示意图。

图5是本发明粗码精码采用二维编码一体化设计时的示意图，其中，(a)为一点标记方式，(b)为两点标记方式。

图6是本发明粗码精码采用二维编码两点标记的一体化设计示意图。

图7是图6的局部放大图。

图8是本发明粗码精码采用二维编码两点标记方式的放大的成像效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于图像处理的高精度小型光电角度传感器包括：光电探测器1、光学成像镜头组2、合作靶标3、放大镜头4和图像处理器5；合作靶标3上刻画有由精码和粗码组成的合作靶标图案，在合作靶标3上刻画的精码直线与指向合作靶标3中心的向心线之间成固定角度，使得旋转过程中精码直线方向与光电探测器1靶面的像元排列方向之间的夹角大于1度，在合作靶标3上采用基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式刻画粗码；合作靶标3固定在轴系的旋转轴6上，光电探测器1、光学成像镜头组2、放大镜头4均固定在轴系的固定端7上，光电探测器1与图像处理器5连接；光源8发出的光照射在合作靶标图案上，经过合作靶标图案反射后的光射入放大镜头4，经过放大镜头4的放大后射入光学成像镜头组2，经过光学成像镜头组2后合作靶标图案在光电探测器1上清晰成像；旋转轴6进行转动时合作靶标图案与光学成像镜头组2产生相对运动，进而合作靶标图案在光电探测器1上的成像随之变化，光电探测器1将实时的图像传送给图像处理器5，图像处理器5通过图像处理的方法判断合作靶标的旋转角度，并将计算出的实时旋转角度输出。

实施例1

如图2(a)所示，本发明的光电角度传感器采用的光路为单点测量模式。

放大镜头4的放大率4；光电探测器1采用的CCD/CMOS参数：像元数1024*1024，像元尺寸8um；精码靶面直径：8cm，平均分刻画256条直线，直线宽度+间隔0.98mm，直线间角度1.4度，直线宽度40um，4倍放大，成像宽度约20个像素左右，直线长度2200um左右，成像长度约2200×4/8=1100个像素，能够进行细分来确定直线中心位置；视场内至少有2条线（0.008×1024/4/（0.98）=2.089）

此方案对图像处理算法的要求是：为达到0.5〞的精度，CCD/CMOS所需分辨率为

$\frac{0.5\·2\mathrm{\π}\·0.04\·4}{3600\·360}=0.387\mathrm{\μm}$

即0.05个像素（位移0.2um）以上的移动，用1/20个像素的细分即可实现，这样使得合作靶标刻画工艺和图像处理软件设计均可实现指标要求。如果光学放大增大，则减轻了图像细分的负担，但提升了对刻画工艺及光程尺寸的要求；而光学放大减小，则将减轻刻画工艺的负担，而对图像细分的要求更加苛刻。

在轴系转动过程中，精码中至少有两条线可以在CCD/CMOS的靶面上成像，靶面间的距离表征了0.7度，也就是说整个精码测量范围是1.4度。

若加入图像细分算法，可以达到50等分的像素细分，即能判断0.02个像素的移动，则最高分辨精度为：

1.4/(2k*50)=0.0000136度

由于精码只能实现1.4度以内的小角度测量，因此需要粗码进行绝对位置定位，360度是由512个0.703度组成，合作靶标图案测量精度能够小于0.7度，用粗码来判断是第几个0.703度，由CCD/CMOS的中心线与上下两条精码线之间的相对位置关系可以确定0.703度以内的角度是多少。

高精度测量结果：n*0.703+m

n由粗码确定，m由精码确定。精码的精度理论上能够达到1.4/(2k*50)=0.0000136度。

实施例2

如图2（b）所示，本发明的光电角度传感器采用的光路为对径相加模式。

光电探测器1采用的CCD/CMOS参数：像元数2048*2048，像元尺寸5um；精码靶面直径：8cm，平均分刻画512条直线，直线宽度+间隔0.48mm，直线间角度0.7度左右，直线宽度10um，8倍放大，成像宽度20个像素，能够进行细分来确定直线中心位置；光电探测器1的视场内至少有2条线。

目标精度为0.5〞，CCD/CMOS所需分辨率为：

$\frac{0.5\·2\mathrm{\π}\·0.04\·8}{3600\·360}=0.77\mathrm{\μm}$

即0.1个像素（位移0.5um）以上的移动，而图像细分技术完全可以达到0.1个像素左右的细分要求，这样使得合作靶标刻画工艺和图像处理软件设计均可实现上述分辨率的要求。如果光学放大增大，则减轻了图像细分的负担，但提升了对刻画工艺的要求；如果光学放大减小，则将减轻刻画工艺的负担，但对图像细分的要求更加苛刻。

精码在刻画时，需要与指向合作靶标3中心的向心线呈一个固定角度，该角度能够避免合作靶标3上的线在旋转过程中接近零度而造成较大误差的情况，以256条线为例，应大于0.7度，原因是，对于传感器采样图像，当直线运动到-0.7度时，接近0度角的角度测量误差较大，图3显示了根据图像进行角度测量角度从0～2度变化时的误差曲线，0度附近误差较大，如果刻画了向心的线，需要将传感器旋转一定角度，使得光电探测器靶面的像元排列方向与精码线方向之间有相对夹角，但这样做不利于后期解算截距平移。

实施例3

粗码精码一体化设计，可以采用一维编码刻画方式，当刻画256条精码线时，利用高位或低位做标记加以识别的方式，粗码部分只需要六位编码即可实现八位编码对256条精码线绝对位置的确定，例如图4所示的粗码的4种形式，其中，竖直的长线为精码线，水平的短线为粗码，较长的短线为高位或低位的标记线。

实施例4

粗码精码一体化设计，也可以采用二维编码刻画方式，如图5所示。

以1024×1024像元的探测器靶面为例，合作靶标上刻画256条精码线。

精码线呈在探测器靶面上的像素数长度1024个像元，精码线间距490个像素，划定两精码之间400×400的区域为编码区，用来设计16×16的虚拟码格，每个格25×25个像元，格子中心为该精码的标记点，若标记点直径为15个像元，标记点与标记点之间的间距为20个像元，则标记点刻画的定位精度需要在5个像元以内。

换算成实际情况：精码线长度2.2mm，精码线间距0.98mm，划定两精码之间0.8mm×0.8mm的区域为编码区，用来设计16×16的虚拟码格，每个格子50um×50um，格子中心为该精码的标记点，若标记点直径为30um，标记点与标记点之间的间距为40um，则标记点刻画的定位精度需要在10um以内，这样的合作靶标可以进行刻画。

由此，合作靶标为256条精码线与256个粗码点组成，即图5中图(a)的形式。如果想换成16×8或8×8的虚拟码格，甚至更少的虚拟码格，则需要增加标记线或标记点的数量，便可以实现。

以上为采用1个标记点的方式实现合作靶标，也可以采用2个标记点做合作靶标。16×16=256，即一个标记点位置4×4个虚拟码格，另一个标记点位置4×4个虚拟码格，相加即为4×8个虚拟码格，便可以采用两个标记点实现256个粗码位置。如果用排列组合的形式，nchoosek（24,2）=276就足够分辨，这样是4×6个格，但是不容易译码和解码，因此采用两个标记点分别在上半区的4×4个虚拟码格和下半区的4×4个虚拟码格，这样可以减少搜索范围。

若是再选用更多的标记点，虽然可以减少虚拟码格的数量，但同时译码过程变得复杂了，因此采用两个标记点的粗码编码方式，这样，合作靶标上刻画256条精码线和512个粗码点即可，如图5中图（b）的形式。

以1024×1024像元的探测器靶面为例，合作靶标上刻画256条精码线。

精码线呈在靶面上的像素数长度为1024，两精码线间距为490个像素，划定两精码之间400×200的区域为编码区，用来设计8×4的虚拟码格，每个格50×50个像元，格子中心为该精码的标记点，若标记点的直径为20个像元，则标记点刻画的定位精度需要在10个像元以内，即可达到要求。如图6至图8所示，合作靶标刻画时，可以加入一个圆，与每条精码相交，成像后，在探测器靶面上近似成一条与精码垂直的线，其交点可用于确定合作靶标各图案的相对位置，如编码区的位置。

换算成实际情况：精码线长度2.2mm，两精码线间距0.98mm，划定两精码线之间0.8mm×0.4mm的区域为编码区，用来设计8×4的虚拟码格，每个格100um×100um，格子中心为该精码的标记点，若标记点直径为40um，则标记点刻画的定位精度需要在20um以内，这样的合作靶标可以进行刻画。

由于合作靶标的半径相对于粗码线的长度很大，所以，两粗码线与两精码线所构成的图形可以近似为方形，经计算，方形内两粗码长度之差最大不超过6个像元，因此不影响点阵的定位，即，可以采用上述二维编码刻画方式实现对精码的定位。

本发明只需检测8×4个位置，用很少的运算，即可得到精码的绝对位置，大大简化了合作靶标的刻画，减少了粗码对提取精码的影响。

本发明的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器不局限于上述4个实施例给出的具体形式。

Claims (7)

1.基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，该传感器包括光电探测器(1)、光学成像镜头组(2)、合作靶标(3)、放大镜头(4)和图像处理器(5)；合作靶标(3)上刻画有由精码和粗码组成的合作靶标图案，在合作靶标(3)上刻画的精码直线与指向合作靶标(3)中心的向心线之间成固定角度，使得旋转过程中精码直线方向与光电探测器(1)靶面的像元排列方向之间的夹角大于1度，在合作靶标(3)上采用基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式刻画粗码；合作靶标(3)固定在轴系的旋转轴(6)上，光电探测器(1)、光学成像镜头组(2)、放大镜头(4)均固定在轴系的固定端(7)上，光电探测器(1)与图像处理器(5)连接；光源(8)发出的光照射在合作靶标图案上，经过合作靶标图案反射后的光射入放大镜头(4)，经过放大镜头(4)的放大后射入光学成像镜头组(2)，经过光学成像镜头组(2)后合作靶标图案在光电探测器(1)上清晰成像；旋转轴(6)进行转动时合作靶标图案与光学成像镜头组(2)产生相对运动，进而合作靶标图案在光电探测器(1)上的成像随之变化，光电探测器(1)将实时的图像传送给图像处理器(5)，图像处理器(5)通过图像处理的方法判断合作靶标的旋转角度，并将计算出的实时旋转角度输出。

2.如权利要求1所述的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，所述的实时旋转角度由光电探测器(1)的中心线与精码的成像之间的相对位置关系确定，精码的绝对位置由粗码确定。

3.如权利要求1所述的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，所述基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式为当需分辨2ⁿ条精码线时，需要将n位信息刻画在合作靶标(3)上，得到精码的绝对位置，n为正整数。

4.如权利要求3所述的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，所述将n位信息刻画在合作靶标(3)上的方式为采用二进制编码方式实现n位表示的一维编码刻画方式。

5.如权利要求3所述的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，所述将n位信息刻画在合作靶标(3)上的方式为按照码在图像上的不同位置来判断位数和数值的二维编码刻画方式。

6.如权利要求1所述的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，所述光电探测器(1)为一个或多个面阵图像传感器。

7.如权利要求1所述的基于图像处理的高精度小型光电角度传感器，其特征在于，所述图像处理器(5)为FPGA或DSP或多核处理器或嵌入式GPU处理系统。