CN105606840B - 旋转角传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转角传感器系统，用于检测沿转动轴线延伸的转动轴的转动角位置和/或角速度，具有至少两个在转动轴上的光学标记，具有包括含有像素点的像素矩阵的光学传感器，具有用于在像素矩阵上沿基本上轴向的方向将各个标记成像为标记图像的成像装置，以及具有用于读取和分析处理像素矩阵以用于确定关于转动角位置和/或角速度的数据的分析处理装置，其中，标记、成像装置和像素点这样设计，使得在像素矩阵上的标记图像至少具有一个像素点的面积，其中，分析处理装置设计为用于，确定在像素矩阵上的标记图像的中心的位置。特别是可以确定在子矩阵部分中在像素矩阵上的标记图像的中心。

Description

旋转角传感器系统
技术领域
本发明涉及一种旋转角传感器系统，用于检测围绕转动轴线转动的转动轴的转动角位置。
背景技术
由现有技术已知了多种旋转角传感器系统，其以光学方式追踪在转动轴上的标记。
发明内容
本发明的目的是，提供一种改进的旋转角传感器系统。
从开头所述类型的旋转角传感器系统出发，该目的通过根据权利要求1所述的旋转角传感器系统和根据权利要求14所述的转动角传感器来实现。有利的设计方案在其它的从属权利要求中给出。
根据本发明的旋转角传感器系统是一种用于检测沿转动轴线延伸的转动轴的转动角位置和/或角速度的旋转角传感器系统，该旋转角传感器系统具有至少两个在转动轴上的光学标记，具有包括含有像素点的像素矩阵的光学传感器，具有用于在像素矩阵上沿基本上轴向的方向将各个标记成像为标记图像的成像装置，以及具有用于读取和分析处理像素矩阵以用于确定关于转动角位置和/或角速度的数据的分析处理装置，其中，标记、成像装置和像素点设计成，使得像素矩阵上的标记图像至少具有一像素点的面积，其中，分析处理装置设计为用于，确定像素矩阵上的标记图像的中心或重心(Schwerpunkte)的位置。特别是可以在子矩阵部分中确定像素矩阵上的标记图像的中心。
像素点的大小、标记的面积和成像装置被这样彼此匹配，使得在像素矩阵上通过标记图像形成所述的最小面积。
基本上轴向的成像表示，成像基本上设计在转动轴的延长线上，且相对于转动轴形成特别是小于45°、特别是小于10°、特别是小于2°、特别为0°的观测角。
像素矩阵表示应被分析处理的最大像素矩阵区域。原则上不用于读取和/或分析处理的行或列不属于本发明的像素矩阵。
面积对于标记图像来说表示其总面积大小的值。面积对于像素点来说表示由四个紧邻的像素点的面中心所撑开的矩形的面积大小的值。
子矩阵部分表示，以比像素区域更高的分辨率，特别是以多倍的分辨率，也就是例如以双倍的、四倍的或八倍的分辨率来确定在像素区域内的中心/中心的位置。这可以通过以下方式实现：通过由此产生的有限的亮度变化来探测矩阵图像对像素点的部分覆盖。特别地，各个标记可以是深色的，特别是黑色的，而标记的背景可以是浅色的，特别是白色的、浅灰色的或银色的。分析处理装置可以特别设计为用于，通过分析处理标记图像对相邻的像素点的部分覆盖，特别是通过确定被至少部分覆盖的像素点的灰度值，和通过随后对该像素点进行加权来确定在像素矩阵上的各个标记图像的中心或重心的位置。
在预设的角度分辨率的情况下，标记图像的中心的子矩阵分析处理允许使用有限大的像素矩阵。使用有限大的像素矩阵的优点在于，可以降低数据传输率并更快地读取像素矩阵且可以因此提供更高的测量-重复率，其中，角度准确性下降。数据传输率随着像素矩阵的行的平方(Quadrat der Zeilen)而上升。已经证明的是，对具有相应多于128×128个像素点的像素矩阵或区域的足够快的分析处理可能不再能以合理的方式实现。对读取速度和角度分辨率的非常好的平衡可利用64×64的像素阵列实现。在16×16的像素阵列的情况下在非常快地读取时仍还能达到+/-0.5°的角度分辨率。
分析处理装置可以特别设计为用于，在不变的时间间隔中读取并分析处理像素矩阵。该不变的时间间隔可以形成用于重新反映测量值的旋转角传感器系统的重复率。时间上不变的读取的中间结果可以是时间上不同的像素图像。
优选地，旋转角传感器系统和分析处理装置可以设计为用于，提供大于1000赫兹(测量值每秒)或大于10000赫兹或大于100000赫兹的重复率/重复频率。
光学检测标记的优点在于，角探测可以无接触地进行和/或通过玻璃分离件也在空间上分开地进行和/或通过相对较长的、例如至少为标记间隔的10倍、100倍、1000倍、10000倍或100000倍的距离，例如借助于望远镜头/摄远镜头进行。
使用至少2个标记的优点在于，探测相对轴震动和/或未在中心成像是健壮的/鲁棒的。
优选地，标记图像具有最高100倍的、特别是最高64倍的、特别是最高36倍的、特别是最高16倍的、特别是最高4倍的、特别是最高单倍的像素点面积。
在像素矩阵上的标记图像的这种大小方面的限制可以实现像素矩阵的缩小和/或可在像素矩阵上读取的部分区域的缩小，而不会出现角度分辨率以相同程度降低。由此可以优化角度分辨率和重复率之间的比例。
优选地，标记图像具有至少1倍的、特别是2倍的、特别是至少4倍的、特别是至少16倍的像素点面积。
其优点在于，可以将更多的像素点用于计算中心，因此分析处理更准确。
优选地，像素矩阵具有最高128×128个像素点、特别是最高64×64个像素点、特别是最高32×32个像素点、特别是最高16×16个像素点、特别是最高8×8个像素点。
这就足以提供足够高的角度分辨率且优点在于，进一步提高了读取速度和进而提供了本发明的测量-重复率。
最高N×N个像素点的像素矩阵表示N×N个点的像素矩阵或更大的像素矩阵，在该更大的像素矩阵中仅有一个N×N的区域被读取。
优选地，分析处理装置设计为用于，读取和/或分析处理数量最高相应128×128个像素点、特别是最高相应64×64个、特别是最高相应32×32个、特别是最高相应16×16个、特别是最高相应8×8个、特别是最高相应4×4个、特别是最高相应2×2个像素点。
像素矩阵的其余像素点未被读取和/或分析处理并且因此不会对重复率造成不利影响。这就足以提供足够高的角度分辨率且优点在于，进一步提高了读取速度和进而提高了本发明的测量-重复率。
优选地，各个标记在假想的或真实的面上与转动轴线成角度地布置，特别是在面上垂直于转动轴线地布置，特别是布置在转动轴线的端面上。其优点在于，成像变得简单。
优选地，各个标记是一种光学标记，该光学标记具有在可见光谱中和/或在红外线和/或紫外线光谱中与背景之间的亮度区别或颜色区别。特别地，标记可以是深色的，特别是黑色的，而标记的背景可以是浅色的，特别是白色的、浅灰色的或银色的。优选地，像素矩阵和成像装置相应地在同一光学光谱中有效。这可以实现标记的简单成像和探测。
优选地，各个标记具有被填满的圆形形状。这可以使得对通过标记图像实现的像素点部分覆盖的分析处理和/或中心插值更容易。
也可以考虑标记的与转动轴线同心的圆周线形的形状。
优选地，标记通过颜色互补的相邻面形成，特别是通过白色的和黑色的半圆形面形成，该半圆形面组合成为与转动轴线基本上同心的圆形面。
优选地，恰好存在2个标记。其优点在于，能够以小的分析处理投入和以高的重复率追踪角运动。
优选地，至少两个标记的面具有不同的大小和/或形状。其优点在于，始终可以明确地确定当前角度。
优选地，存在至少或恰好3个标记。其优点在于，始终可以明确地确定当前角度。
优选地，在使用时至少3个标记并不是都彼此隔开相同角距离地围绕转动轴线布置。其优点在于，始终可以明确地确定当前角度。
优选地，各个标记与转动轴线隔开相同距离。其优点在于，实现了最大的角度分辨率。
优选地，标记相对于转动轴线径向对称地布置。其优点在于，实现了最大的角度分辨率。
优选地，分析处理装置设计为，通过分析处理标记图像对像素点的部分覆盖，特别是通过分析处理构成标记图像的像素点的灰度值，特别是通过对各个构成标记图像的像素点的位置基于该像素点的相应的亮度值进行加权来确定像素矩阵上的标记图像的中心的位置。
其优点在于，可以在子矩阵部分中确定中心位置，由此对于相同的分辨率来说需要的像素数量更少。
中心原则上可以通过所有由标记图像接触的像素点的x位置和y位置的简单平均形成，所述像素点的亮度值超出特定阈值。然而更有利的是，像素图像被记录为灰度级图像或彩色图像。因此可以给被标记图像接触的像素点分派加权因子，其相应于由于标记图像引起的、其亮度值的变化。在所有这样加权的、被标记图像接触的像素点上的x位置和y位置的平均可以实现更准确地确定中心。
优选地，分析处理装置设计为，由像素矩阵上的标记图像的中心生成用于转动轴的转动角位置和/或转动角变化和/或角速度和/或角加速度的测量值，所述测量值的生成特别是通过三角学和/或特别是通过与一个或多个以前的像素图像的测量值或中心进行比较来实现。
优选地，分析处理装置设计为，由中心的位置和/或关于一个或多个时间错开的像素图像的标记图像的图像扩展的数据和/或关于转动角位置和/或角速度的确定的数据确定像素矩阵的一个或多个部分区域，特别是相应于标记的数量进行确定，在该标记内部至少部分地预期了用于后续的像素图像的标记图像，以及对于该后续的像素图像仅分析处理像素矩阵的所述一个或多个部分区域。
这种也称为敏感区域/感兴趣区域(Region of Interest)的方法的优点在于，可以进一步降低数据传输率且提高重复率和/或在数据传输率近似不变的情况下通过像素矩阵的更多数量的像素提高分辨率。
根据本发明的转动角传感器是一种用于在上述的旋转角传感器系统中使用的转动角传感器，用于检测沿转动轴线延伸的转动轴的转动角位置和/或角速度以及用于将在转动轴上的至少两个光学标记成像，具有包括含有像素点的像素矩阵的光学传感器，具有用于在像素矩阵上沿基本上轴向的方向将各个标记成像为标记图像的成像装置，和具有用于读取和分析处理像素矩阵以用于确定关于转动角位置和/或角速度的数据的分析处理装置，其中，成像装置和像素点这样设计，使得在像素矩阵上的标记图像至少具有一像素点的面积，其中，像素矩阵和分析处理装置可以如上文所述地设计。
在附图中给出本发明的其它特征。
分别提出的优点也可以对于组合特征来说以其未提及的组合方式来实现。
附图说明
在附图中示出并在下面详细说明本发明的实施例。在各个附图中的相同附图标记在此表示彼此相对应的元件。图中示出：
图1示出具有转动轴的旋转角传感器系统，
图2示出具有标记图像的像素矩阵。
具体实施方式
图1示出具有转动轴1的旋转角传感器系统4。转动轴可转动地围绕其转动轴线2支承且在其垂直于转动轴线布置的浅色的端面3上具有两个圆形的黑色的标记5。成像装置9具有透镜10，该透镜沿轴向方向11在传感器6的像素矩阵7上将标记成像，这通过成像光束12所示。在像素矩阵上的成像通过分析处理装置15读取并分析处理。
图2示出具有16×16个像素点8的像素矩阵7。标记的大小、成像装置和像素点的大小被这样彼此匹配，使得标记的两个成像的标记图像13在转动轴线转动时始终在像素矩阵上成像且具有像素点的近似2.5倍面积。为了形象地说明，显示出想象中的成像的转动轴范围14。
标记图像对像素点的部分覆盖由与像素矩阵相连的分析处理装置15分析处理为灰度级值且由多个相邻的像素点的灰度级值作为内插法计算出各个标记图像的中心坐标16。分析处理装置由两个标记图像的中心坐标根据三角学计算出转动轴围绕其转动轴线的转动角位置的角度值phi，所述计算按照以下公式进行：
phi＝arctan((y1-y2))/((x1-x2))
其中，x1和y1是其中一个标记图像的中心坐标，而x2和y2是其中另一个标记图像的中心坐标。
相应地，转动角变化被计算为角度值的差，转动角速度被计算为单位时间的角度值的差，转动角加速度被计算为单位时间的转动角速度的差。
图标记列表：
1.转动轴
2.转动轴线
3.端面
4.转动角传感器，旋转角传感器系统
5.光学标记
6.光学传感器
7.像素矩阵
8.像素点
9.成像装置
10.透镜
11.轴向方向
12.成像光束
13.标记图像
14.成像的转动轴范围
15.分析处理装置
16.中心线

Claims (16)

1.一种旋转角传感器系统(4)，
-用于检测沿转动轴线(2)延伸的转动轴(1)的转动角位置和/或角速度，
-具有至少两个在转动轴上的光学标记(5)，
-具有包括含有像素点(8)的像素矩阵(7)的光学传感器(6)，
-具有用于在像素矩阵上沿基本上轴向的方向(11)将各个标记成像为标记图像(13)的成像装置(9)，以及
-具有用于读取和分析处理像素矩阵以用于确定关于转动角位置和/或角速度的数据的分析处理装置(15)，
-其中，标记、成像装置和像素点这样设计，使得在像素矩阵上的标记图像至少具有一像素点的面积，
其特征在于，
所述分析处理装置设计用于确定像素矩阵上的标记图像的中心(16)在子矩阵部分中的位置。
2.根据权利要求1所述的旋转角传感器系统，其特征在于，标记、成像装置和像素点设计为，使得标记图像
-具有最高100倍的像素点面积，和/或
-具有至少1倍的像素点面积。
3.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，
-像素矩阵具有最高128×128个像素点，和/或
所述分析处理装置设计为，读取和/或分析处理数量最高相应128×128个像素点。
4.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，各个标记在转动轴的端面(3)上与转动轴线成角度地布置。
5.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，各个标记、像素矩阵和成像装置在可见光谱中和/或在红外线和/或紫外线光谱中以光学方式起作用。
6.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，各个标记是圆形的。
7.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，标记通过颜色互补的相邻面形成。
8.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，恰好存在2个标记。
9.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，至少两个标记具有不同的大小和/或形状，和/或存在至少3个标记，和/或至少3个标记并不是都彼此隔开相同角距离地围绕转动轴线布置。
10.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，所述标记隔开相同距离地和/或相对于转动轴线径向对称地布置。
11.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，分析处理装置设计为，通过分析处理标记图像对像素点的部分覆盖来确定在像素矩阵上的标记图像的中心(16)的位置。
12.根据权利要求11所述的旋转角传感器系统，其特征在于，分析处理装置设计为，通过分析处理各个构成标记图像的像素点的灰度值来确定在像素矩阵上的标记图像的中心(16)的位置。
13.根据权利要求11所述的旋转角传感器系统，其特征在于，分析处理装置设计为，通过对各个构成标记图像的像素点的位置基于该像素点的相应的亮度值进行加权来确定在像素矩阵上的标记图像的中心(16)的位置。
14.根据权利要求1或2所述的旋转角传感器系统，其特征在于，分析处理装置设计为，由像素矩阵上的标记图像的中心生成用于转动轴的转动角位置和/或转动角变化和/或角速度和/或角加速度的测量。
15.根据权利要求14所述的旋转角传感器系统，其特征在于，分析处理装置设计为，通过三角学由像素矩阵上的标记图像的中心生成用于转动轴的转动角位置和/或转动角变化和/或角速度和/或角加速度的测量值。
16.一种旋转角传感器，
-用于在根据权利要求1-15中任一项所述的旋转角传感器系统中使用，
-用于检测沿转动轴线(2)延伸的转动轴(1)的转动角位置和/或角速度，以及
-用于将转动轴上的至少两个光学标记(5)成像，
-具有包括含有像素点(8)的像素矩阵(7)的光学传感器(6)，
-具有用于在像素矩阵上沿基本上轴向的方向(11)将各个标记成像为标记图像(13)的成像装置(9)，和
-具有用于读取和分析处理像素矩阵以用于确定关于转动角位置和/或角速度的数据的分析处理装置(15)，
-其中，成像装置和像素点设计成，使得在像素矩阵上的标记图像至少具有一像素点的面积，
其特征在于，
-像素矩阵和/或分析处理装置采用根据权利要求1-15中任一项所述的设计。
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