CN107144641A - 基于阿基米德螺旋线的分辨率区域可调扫描装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种基于阿基米德螺旋线的分辨率区域可调扫描装置与方法。发明所述装置通过使角度的旋转与径向的平移形成联动，仅通过单个电机驱动扫描探头沿特定阿基米德螺旋线轨迹完成指定区域的扫描。探头的位置与旋转的角度坐标一一对应，因此通过配备角度传感器与计数器，可精确已知探头所在位置坐标。发明所述基于螺旋线的极坐标扫描方法，通过控制采样点的间隔与电机的转速，控制采样点的轨迹线上的分布，使采样分辨率全局或局部可调。本发明通过螺旋线确定了一维角度参数与二维平面坐标的映射关系，因此仅通过单个电机控制完成扫描，纪录角度坐标便可精确已知探头位置坐标，结构简单，性能可靠。

Description

基于阿基米德螺旋线的分辨率区域可调扫描装置与方法

技术领域

本发明属涉及扫描探测、机械设计与控制等领域，具体为一种基于阿基米德螺旋线的分辨率区域可调的扫描装置与方法。

背景技术

机械扫描装置，一般通过机械及自动控制技术，驱动扫描探头使其在某一区域内遍历从而实现扫描。对于二维平面内的扫描，现有方法通常可以分为两种。一种配备阵列式探头，单次可完成某一线性区域的探测，然后通过机械装置带动阵列式探头实现一维运动，合成二维平面的扫描。但阵列式探头系统复杂度高，且对阵元间的一致性有严格要求，带来成本的提高，并且阵元的间距一旦确定，分辨率无法更改，使用的灵活度不高。另一种移动端仅配备的探头单词扫描仅完成一个点区域的探测，然后通过机械装置带动探头完成二维平面的内的运动，实现二维平面扫描。例如公开专利CN105181817A，以及CN104644214A，通过分布式电机驱动，带动探头完成扫描。但是前者的扫描方式需要多个电机驱动多个维度的扫描运动，机械装置与控制模块的复杂度高，且不同维度运动需要精准的控制与匹配，才能精确已知扫描点的坐标。而后者专利中机械模块或者电机转动如果出现误差（比如步进电机的丢步、跳步等），无法得到及时的反馈和矫正，造成探头实际位置与理论之间的偏差，对扫描成像的拼接带来不利影响。

针对上述问题，本专利提出一种基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描装置与方法。本专利的扫描装置由单个电机驱动，通过机械装置带动探头，以阿基米德螺旋线轨迹完成对二维平面的扫描，基于阿基米德螺旋线实现极坐标内某一平面区域的覆盖。另外，对于给定的螺旋线方程，螺旋线上一点的半径坐标与角度坐标的关系是确定的，因此扫描区域内任意一点的位置与角度坐标建立了一一映射的关系。装置通过配备角度传感器与计数器，可记录当前探头位置的角度坐标，由螺旋线方程的映射关系可精确已知探头所在位置，不受电机因丢步或跳步等产生误差的影响。另外，本专利提出一种基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描方法，可以通过控制探头扫描时的采样间隔与电机转速，灵活控制在平面内采样点的分布密度，从而实现分辨率全局或局部可调的拼接成像。

发明内容

本发明所述的基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描装置，其特征在于通过齿轮、螺杆等机械装置，将移动端半径方向位移与角度转动关联起来，仅通过单个电机驱动，使探头沿阿基米德螺旋线轨迹运动，实现二维平面的扫描。

基于极坐标体系，设（θ，r）表示扫描探头在平面的位置，设扫描轨迹的螺旋线方程为r=aθ，其中参数a由机械装置确定。螺旋线确定后，给定r或者θ其中任意一个参数，都可以确定另外一个，也即确定了（θ，r）的位置。因此通过螺旋线，建立了一维参数θ与二维极坐标平面内点的映射关系。由于仅需要已知角度便可以确定螺旋线上点的位置坐标，发明所述装置配备了角度传感器与计数器记录当前探头的角度坐标，可根据角度传感器与计数器的数值，确定探头所在位置的坐标，不受电机转动误差的影响。

发明所述的一种基于阿基米德螺旋线的极坐标扫描探测方法，其特征在于随着探头沿螺旋线移动，探测模块以一定间隔沿螺旋线进行探测采样。由于探头的移动速度为：，其中w为电机旋转的角速度。因此探头速度与角速度w以及当前的角度θ有关。所述发明的基于螺旋线的极坐标扫描探测方法，其特在于通过控制角速度w或相邻采样点之间的角度间隔，控制探测扫描点的在平面的分布。

发明所述的一种基于螺旋线的极坐标扫描探测方法，其步骤包括：

1）初始化，设置扫描范围（起始点、终点），每两个扫描采样点距离间隔，扫描角速度等参数；

2）开始扫描，探头沿螺旋线轨迹运动，角度传感器与计数器记录探头位置：当角度传感器有小到大达到360度时，计数器加1；当角度传感器数值由大到小达到0度时，计数器减1，因此当前探头的角度坐标为角度传感器数值*计数器数值；

3）根据设定的采样距离间隔，求得角度间隔，在扫描轨迹上进行扫描探测采样；

4）判断是否到达扫描终点，到达终点结束扫描，否则重复步骤2）、3）。

本发明的特点和优势在于：

1. 通过阿基米德螺旋线将二维平面与一维角度参数建立映射关系，使二维平面的扫描问题转化为一维参数的控制问题，仅通过单个电机驱动便可实现探头的二维螺旋线运动，系统复杂度降低，效率提高；

2. 可以通过控制探测采样的间隔，灵活调整采样点在螺旋线轨迹上的分布，实现扫描平面内的全局或局部分辨率可调成像；

3. 通过配备角度传感器与计数器，实时监控探头的角度坐标，只要装置的螺旋线轨迹确定，便可精确已知探头的位置坐标，不受电机和机械传动产生的误差影响，为后处理的探测成像提供空间位置依据。

附图说明

图1 为发明所述一种实现阿基米德螺旋线扫描的机械传动装置案例。

图2为发明所述一种实施案例的阿基米德螺旋线轨迹及扫描间隔求解示意图。

图3为发明所述一种实施案例的扫描方法流程图。

具体实施方式

下面结合一种实施案例及其附图，说明本发明的内容。该实施案例仅为本发明专利的一种举例，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：一种实现阿基米德螺旋线极坐标平面扫描的机械装置

如图1为发明所述装置实现角度旋转与半径轴向传动的一种实施案例。该实施例中利用了伞齿轮与螺杆配合实现旋转与轴向平移的联动。其中101为电机驱动端，102为伞齿轮，将电机的旋转与螺杆旋转联动起来，103为螺杆，104为安装探头的滑块。当电机转动时，将带动伞齿轮旋转，同时带动螺杆旋转，使滑块104在半径方向产生水平移动，叠加角度的旋转运动，其移动轨迹将形成阿基米德螺旋线。

装置在探头移动部分配备有角度传感器和计数器。设角度传感器的数值为，计数器的数值为n，由于取值范围为0至360度，当角度传感器数值增大到360度时，计数器+1，当传感器减小到0度时，计数器-1，因此探头角度坐标为。当角度坐标确定，半径坐标r=也即确定，因此探头沿螺旋线轨迹扫描，仅需知道角度坐标，便可以确定探头的位置坐标。

实施例2：一种基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描间隔确定方法

如图2，为发明所述扫描装置的一种螺旋线扫描轨迹，以及采样点的位置示意图。

设电机转动角速度恒定，并且螺旋线方程为r=aθ，考虑螺旋线上任意两个相邻的采样点A（），B（）,并令，则AB间的距离间隔为：

（1）

为使得采样点在平面内尽量均匀分布，考虑设采样点的间隔L为定值。此时解关于方程（1），可以得到角度间隔，即可确定一下个采样点的位置。值得说明的是，螺旋线不同位置处的半径不同，因此在本实施案例的扫描过程中，恒定间隔L的相邻两个采样点的角度间隔不是恒定值。

实施例3：一种基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描采样流程。

如图3，开始扫描前，初始化基本参数，包括电机转速，采样点的距离间隔L，以及设定扫描的起始点以及终点，即确定扫描范围。然后在当前位置发射采样，并根据当前位置，求得下一个采样点的角度间隔。循环此过程，直至扫描完成。

根据实际需求，采样间隔L可以是扫描全部区域是恒定值，也可以在不同局部区域设置不同的间隔，实现全局或局部分辨率可调的扫描与拼接成像。

Claims (6)

1.基于阿基米德螺旋线的极坐标机械扫描装置，其特征在于通过机械传动装置，电机驱动扫描探头沿特定阿基米德螺旋线轨迹完成指定区域的扫描。

2.根据权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的极坐标机械扫描装置，其特征在于通过机械齿轮将探头沿半径运动与沿角度旋转的联动起来，这样仅通过单个电机驱动，使扫描探头的运动形成阿基米德螺旋线轨迹。

3.根据权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的平面极坐标机械扫描装置，其特征在于在极坐标系下，阿基米德螺旋线的方程由机械装置确定，因而扫描探头当前在螺旋线轨迹上的位置与角度坐标值一一对应。

4.根据权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的平面极坐标机械扫描装置，其特征在于配备有角度传感器与计数器，角度传感器记录探头相对于坐标原点的旋转角度，计数器记录探头当前转动的总圈数，具体方法为：当角度传感器数值增加到360度时，计数器加1；当角度传感器数值减小到0度时，计数器减1，因此当前探头的角度坐标值为角度传感器数值与计数器数值相乘。

5.一种基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描方法，其特征在于通过控制电机转速或扫描采样间隔，控制采样点在平面的间距、分布密度，实现扫描采样分辨率在平面内的全局或局部可调。

6.根据权利要求5所述的基于阿基米德螺旋线的平面极坐标扫描方法，其特征在于包括如下步骤：

1）初始化，设置扫描范围（起始点、终点），相邻扫描采样点距离间隔，扫描角速度等参数；

2）开始扫描，探头沿阿基米德螺旋线轨迹运动，角度传感器与计数器记录探头位置：当角度传感器有小到大达到360度时，计数器加1；当角度传感器数值由大到小达到0度时，计数器减1，因此当前探头的角度坐标为角度传感器数值*计数器数值；

3）根据采样距离间隔，确定采样角度间隔，并根据角度间隔沿阿基米德螺旋线轨迹移动到一下个采样位置；

4）判断是否到达扫描终点，到达终点结束扫描，否则重复步骤2）、3）。