CN107525471B - 二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，包括二维绝对位置编码板，编码成像相机和基于LabVIEW的编码图像处理系统三部分，编码成像相机对成像区域内的二维编码图案进行成像；基于LabVIEW的编码图像处理系统主要实现功能有：相机参数设置与图像采集、图像对准误差参数识别、偏转角测量、位移译码与细分、误差补偿修正及平面位移与偏转角测量结果。本发明将二维绝对位置编码板固定在三自由度运动平台上，三自由度运动平台在平面内的位移与偏转和工业相机检测区编码图像一一对应，通过基于LabVIEW的编码图像处理系统解调图像信息实现二维绝对位置以及偏转角度的三自由度运动的精密测量。

Description

二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统

技术领域

本发明涉及精密测量系统领域，具体是一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统。

背景技术

三自由度运动平台包括X、Y方向的运动和旋转，是机械加工、光学调整等工程应用中典型的结构，三自由度运动平台的位移测量与控制一般通过光栅传感器的方式实现，即在X、Y方向位移通过两个线性光栅传感器，转角通过一个旋转编码器来实现。光栅传感器在实际应用中，传统计量光栅没有零位标志，测量时通过计算自设置零点开始的增量数获得当前相对位置信息，如果在测量过程中由于停机等原因，造成原测量结果丢失，必须重新寻零和测量；二维运动测量通常采用在二维方向上分别安装两条增量式光栅测量传感器方式，该方式不可避免在安装定位中引入阿贝误差，同时具有增量式光栅开机“寻零”的缺点。绝对式光栅传感器不需要参考零点，可以在断电后，再次给电时对当前位置进行绝对位置测量，无需“寻零”操作。因此可将绝对式光栅传感器从一维测量扩展到二维测量，以实现对三自由度运动平台的精密测量。

现有技术专利号：201710364677.7的中国专利公开了一种二维绝对位移编码器，其说明了采用二维绝对编码的编码码盘，并公开了编码码盘的编码方式，以及公开了采集二维编码的装置和编码识别过程。但该发明仅从理论上提出了采用二维编码进行位移测量的方式，在实际具体应用中，无论图像采集过程还是具体装置的运动过程，都会存在误差值，该专利并没有公开解决误差所需要的技术手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，以实现对三自由度运动平台的位移测量，并解决现有技术测量存在误差的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：包括置于三自由度运动平台上的二维绝对位置编码板，所述二维绝对位置编码板随三自由度运动平台共同运动，二维绝对位置编码板的上板面采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板的上板面每个不同位置分别对应唯一二维编码序列；还包括编码成像相机、基于LabVIEW的编码图像处理系统，其中编码成像相机位置固定，编码成像相机采集随三自由度运动平台运动的二维绝对位置编码板上的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像数据传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统；

基于LabVIEW的编码图像处理系统中，通过程序设置有相机参数设置与图像采集模块、图像对准误差参数识别模块、偏转角测量模块、位移译码与细分模块、误差补偿修正模块及平面位移与偏转角测量结果模块，二维绝对位置编码板随三自由度运动平台运动时，由编码成像相机采集二维绝对位置编码板运动至不同状态时对应呈现给编码成像相机的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统，基于LabVIEW的编码图像处理系统中：

相机参数设置与图像采集模块对编码成像相机进行参数配置，并接收编码成像相机传送的二维编码序列图像；

图像对准误差参数识别模块对二维编码序列图像进行处理，以获取图像对准误差并进行旋转补偿；

偏转角测量模块对二维编码序列图像进行处理，以获取编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列在工业相机所成图像坐标之间的偏转角，实现三自由度运动平台的旋转角度测量；

位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行解码，获得二维编码序列所在的二维绝对位置信息，同时位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行亚像素级处理，以获得更高测量精度；

误差补偿修正模块在获得的二维绝对位置信息基础上，对二维绝对位置编码板编码方向和三自由度运动平台坐标运动方向之间进行阿贝误差补偿，最终获得二维绝对位置编码板的实际位移信息。

平面位移与偏转角测量结果用于显示偏转角测量模块与位移译码与细分模块得到的三自由度运动平台的旋转角度和X、Y方向的运动量。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：二维绝对位置编码板采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板上每个不同位置对应唯一二维编码序列，所述二维绝对位置编码板的任意行或列a₁a₂a₃......a₆₂a₆₃a₆₄......a_n，按照公式b_i＝a_i^d₁a_i+1^d₂a_i+2^......^d_ha_i+h变换得到，其中^表示位异或运算，d₁,d₂,.......,d_h为0或者1，d₁,d₂,d₃......d_h有且仅有奇数个参数为1，每一位b_i是由a_i及其后面的连续h位逻辑运算得来，b_i满足：(1)奇数项或偶数项为m序列，若m序列为j阶，则它的循环长度为2^j-1；(2)偶数项或奇数项为表示数值大小的一段序列，以2^j-1为循环长度，后一段表示的数值大小比前一段大1。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：二维绝对位置编码板采用MEMS工艺制作，将二维编码序列按照等间距01代码刻划在平面玻璃基板上，为提高0和1代码的图像对比度，采用黑白码的形式进行制作。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：编码成像相机采用具有可调焦成像镜头的工业相机，工业相机的可调焦成像镜头周围设置有环形照明光源，工业相机通过USB数据线与基于LabVIEW的编码图像处理系统连接。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：图像对准误差参数识别模块对编码成像相机采集的图像进行相机镜头畸变校正与图像滤波后，在静止状态下，对编码成像相机采集编码图像坐标与编码成像相机像元阵列坐标进行对准误差检测，采用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，二维黑白编码行列边缘点拟合直线与编码成像相机像元阵列坐标之间的夹角为对准误差参数，以检测点为原点对二维编码序列图像按对准误差参数进行旋转补偿。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：偏转角测量模块在图像对准误差参数识别模块的基础上，用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，所拟合直线的斜率即编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列图像坐标之间的偏转角。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：位移译码与细分模块进行X、Y坐标的解码，X、Y坐标的解码就是在X、Y方向上分别截取一段编码c_ic_{i+ 1}c_i+2..............c_i+k-1，截取的编码长度k＝2*(2^j-1)+h，通过解码算法可以获知该段二维编码序列所在二维绝对位置信息；

位移译码与细分模块还进行像素级细分和亚像素级细分；所述像素级细分的机理是二维绝对位置编码板上最小单元码在编码成像相机所成的像占用四个像素；所述亚像素级细分方法采用三次曲线拟合算法进行位移细分，以获得更高分辨力，亚像素级细分算法为：首先对所需处理图像进行加矩形窗处理，然后对窗内像素灰度值进行三次曲线拟合，最后求出拟合函数的梯度最大值点，即亚像素黑白边界点，从而得到与测量标准的偏差。

所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：误差补偿修正模块针对二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝误差进行补偿，阿贝角测量方法为：测量前控制三自由度运动平台在X向移动，根据位移译码与细分模块得到相应X方向移动量ΔX与Y方向偏移量ΔY，计算二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝角θ，在进行测量时通过位移译码与细分模块得到二维编码序列X、Y方向上的测量值，对测量值进行误差修正得到二维编码序列实际位移值为：

本发明结合绝对式光栅传感器的优点，将绝对式光栅传感器从一维测量扩展到二维测量，采用二维绝对位置编码板固定在三自由度运动平台上，无需在二维方向上分别安装三个光栅传感器，有效降低由于装夹定位引起的阿贝误差，提高系统集成度。本发明可应用于三自由度运动平台的二维绝对位置以及偏转角度的精密测量与运动控制反馈。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在专利《二维绝对位移编码器》(专利号：201710364677.7)基础上，在系统架构和细分方法上做了改进，通过检测采集图像与二维绝对位置编码板之间的偏转角度与图像旋转，降低了误码率，同时实现二维绝对位置编码板与三自由度运动平台的移动方向之间的角度测量与补偿，有效提高系统的测量精度。

本发明的二维绝对式编码三自由度测量方法与系统可以在断电后，再次给电时对当前位置进行绝对位置测量，无需“寻零”操作，有效地解决增量式光栅开启和复位时需要寻零的缺陷；本发明采用m序列进行绝对位置的测量，同时引进另外一组序列，用于表示数值大小，用以确定大范围的位置值，极大增大的系统的量程；本发明结构简单，实时性强，同时对装夹系统的安装误差进行自动误差补偿与修正，可应用于三自由度运动平台的二维绝对位置以及偏转角度的精密测量与运动控制反馈。

附图说明

图1是本发明二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统结构示意图。

图2是本发明二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统的二维绝对位置编码流程图。

具体实施方式

参照图1，二维绝对式编码三自由度测量方法与系统，包括二维绝对位置编码板2，编码成像相机4和基于LabVIEW的编码图像处理系统7三部分。通过USB3.0数据线13实现编码成像相机4与基于LabVIEW的编码图像处理系统7之间数据通信。二维绝对位置编码板2采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板上每个不同位置对应唯一二维编码序列；编码成像相机4包括环形照明光源3，三自由度运动平台1，可调焦成像镜头5，工业相机6；基于LabVIEW的编码图像处理系统7包括：相机参数设置与图像采集模块8、图像对准误差参数识别模块9、偏转角测量模块10、位移译码与细分模块11、误差补偿修正模块12及平面位移与偏转角测量结果模块13。二维绝对位置编码板2固定在三自由度运动平台1上，三自由度运动平台1在平面内的位移与偏转和工业相机6检测区编码图像一一对应，通过LabVIEW的编码图像处理系统7解调图像信息实现二维绝对位置以及偏转角度的三自由度运动的精密测量。

参照图2，对于二维绝对式编码三自由度测量方法与系统的二维绝对位置编码图样的产生步骤：选取阶数为4的m序列，选取序列初值为1111，生成的m序列即为：111101011001000，即{b₁b₃…b₁₅}＝{111101011001000}。取转换公式：由于m序列循环周期为2^j-1，因此为扩大量程，需引入另外一组表示数值大小的序列，确定大范围的位置值，以适应实际的应用场合。因此再取{b₂b₄…b₁₆}＝{000000000000000}，取编码初值为{a₁a₂a₃}＝{111}，就可以产生33位二进制编码。而后，{b₂b₄…b₁₆}的值依次加一，如此循环进行编码即可得到一行编码值。按照以上编码方式，再生成三行相同的编码；利用这三行编码的前三列值为列编码的初值，利用相同的转换公式，生成前三列二进制编码；最后利用这三行与三列编码可以生成需要位数的二维绝对式编码行列表。

基于LabVIEW的编码图像处理系统7中位移译码与细分模块11得到精确位置，位移译码与细分模块11包含像素级细分和亚像素级细分；所述像素级细分的机理是二维绝对位置编码板2上最小单元码在工业相机所成的像占用四个像素，可以简单实现像素级4倍细分；所述亚像素级细分采用三次曲线拟合算法进行位移细分，以获得更高分辨力。利用亚像素分析来提高边缘检测精度，首先需要对待处理图像进行加矩形窗处理，然后对窗内N个像素单元进行三次曲线拟合，拟合步骤：令三次拟合曲线函数为w_t＝a₀+a₁x_i+a₂x_i ²+a₃x_i ³，则曲线拟合的方差

为使拟合曲线的方差最小，即求S²＝F(a₀,a₁,a₂,a₃)的最小值，

得

即

转化为关于a₀,a₁,a₂,a₃的线性方程组求解，用矩阵表示为：

解出矩阵即可得到三次拟合曲线函数，最后求出三次拟合曲线函数的梯度最大值点，即亚像素黑白边界点，从而得到与测量标准的偏差，实现高精度测量。

工业相机参数配置主要包含分辨率设置、采集模式设置、自动增益控制、伽玛校正、曝光增益及曝光时长的设置；伽玛校正的原理为：为消除外界环境的干扰，导致图像颜色偏离原图像的颜色，首先确定一个补偿参数γ的值，再用γ的值修正每个像素点的RGB值，通过控制补偿参数γ的大小，达到控制补偿值RGB的目的。

R＝255×(R/255)^1/γ

G＝255×(G/255)^1/γ

B＝255×(B/255)^1/γ

二维绝对式编码三自由度测量方法与系统的测量过程主要包括以下几个步骤：

首先进行实际位置测量之前需要测量二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝角θ，用于后续测量数据的误差补偿。测量方法为：控制三自由度运动平台在X方向移动，根据位移译码与细分得到相应X方向移动量ΔX与Y方向偏移量ΔY，计算二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝角

用于后续测量数据的误差补偿；

其次进行图像对准误差参数识别，对准误差参数识别对相机采集的图像进行相机镜头畸变校正与图像滤波后，在静止状态下，对相机采集编码图像坐标与相机像元阵列坐标进行对准误差检测，利用Canny算子进行边缘检测得到黑白边缘点，对边缘点进行拟合得到拟合直线，拟合直线的斜率即相机采集编码图像坐标与相机像元阵列坐标之间的偏转角度。根据测量的偏转角度以检测点为原点对图像进行旋转补偿，减少误码率的产生，检测点为位移译码中截取的X、Y编码的起点所在的像素；

再次进行X、Y坐标与偏转角的测量，X、Y坐标的测量就是截取长度为k＝4*(2^j-1)+h＝4*(2⁴-1)+3＝63的X方向编码为a_i,ja_i,j+1a_i,j+2......a_i,j+62和Y方向编码为a_i,ja_{i+1, j}a_i+2,j......a_i+62,j。通过解码算法可以快速，准确地获知该段编码所在绝对位置，得到二维绝对位置信息。细分包含像素级细分和亚像素级细分，像素级细分的机理是二维绝对位置编码板上最小单元码在工业相机所成的像占用四个像素，亚像素级细分方法采用三次曲线拟合算法进行位移细分，以获得更高分辨力，根据位移译码与细分得到高分辨力的测量结果；偏转角测量，用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，所拟合直线的斜率即工业相机像元阵列坐标与二维编码图像坐标之间的偏转角；

最后进行误差补偿修正，由于二维绝对位置编码板2编码方向与三自由度运动平台1的X、Y坐标运动方向之间存在阿贝角θ，导致三自由度运动平台的移动距离和方向与测量结果存在偏差，需要对测量值进行误差修正得到实际位移值，误差补偿修正的数学模型为：

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：包括置于三自由度运动平台上的二维绝对位置编码板，所述二维绝对位置编码板随三自由度运动平台共同运动，二维绝对位置编码板的上板面采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板的上板面每个不同位置分别对应唯一二维编码序列；还包括编码成像相机、基于LabVIEW的编码图像处理系统，其中编码成像相机位置固定，编码成像相机采集随三自由度运动平台运动的二维绝对位置编码板上的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像数据传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统；

基于LabVIEW的编码图像处理系统中，通过程序设置有相机参数设置与图像采集模块、图像对准误差参数识别模块、偏转角测量模块、位移译码与细分模块、误差补偿修正模块及平面位移与偏转角测量结果模块，二维绝对位置编码板随三自由度运动平台运动时，由编码成像相机采集二维绝对位置编码板运动至不同状态时对应呈现给编码成像相机的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统，基于LabVIEW的编码图像处理系统中：

相机参数设置与图像采集模块对编码成像相机进行参数配置，并接收编码成像相机传送的二维编码序列图像；

图像对准误差参数识别模块对二维编码序列图像进行处理，以获取图像对准误差并进行旋转补偿；

偏转角测量模块对二维编码序列图像进行处理，以获取编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列在工业相机所成图像坐标之间的偏转角，实现三自由度运动平台的旋转角度测量；

位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行解码，获得二维编码序列所在的二维绝对位置信息，同时位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行亚像素级处理，以获得更高测量精度；

误差补偿修正模块在获得的二维绝对位置信息基础上，对二维绝对位置编码板编码方向和三自由度运动平台坐标运动方向之间进行阿贝误差补偿，最终获得二维绝对位置编码板的实际位移信息；

平面位移与偏转角测量结果模块用于显示偏转角测量模块与位移译码与细分模块得到的三自由度运动平台的旋转角度和X、Y方向的运动量；

所述二维绝对位置编码板采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板上每个不同位置对应唯一二维编码序列，具体是所述二维绝对位置编码板的任意行或列a₁a₂a₃......a₆₂a₆₃a₆₄......a_n，按照公式b_i＝a_i^d₁a_i+1^d₂a_i+2^......^d_ha_i+h变换得到，其中^表示位异或运算，d₁,d₂,.......,d_h为0或者1，d₁,d₂,d₃......d_h有且仅有奇数个参数为1，每一位b_i是由a_i及其后面的连续h位逻辑运算得来，b_i满足：(1)奇数项或偶数项为m序列，若m序列为j阶，则它的循环长度为2^j-1；(2)偶数项或奇数项为表示数值大小的一段序列，以2^j-1为循环长度，后一段表示的数值大小比前一段大1。

2.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：二维绝对位置编码板采用MEMS工艺制作，将二维编码序列按照等间距01代码刻划在平面玻璃基板上，为提高0和1代码的图像对比度，采用黑白码的形式进行制作。

3.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：编码成像相机采用具有可调焦成像镜头的工业相机，工业相机的可调焦成像镜头周围设置有环形照明光源，工业相机通过USB数据线与基于LabVIEW的编码图像处理系统连接。

4.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：图像对准误差参数识别模块对编码成像相机采集的图像进行相机镜头畸变校正与图像滤波后，在静止状态下，对编码成像相机采集编码图像坐标与编码成像相机像元阵列坐标进行对准误差检测，采用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，二维黑白编码行列边缘点拟合直线与编码成像相机像元阵列坐标之间的夹角为对准误差参数，以检测点为原点对二维编码序列图像按对准误差参数进行旋转补偿。

5.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：偏转角测量模块在图像对准误差参数识别模块的基础上，用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，所拟合直线的斜率即编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列图像坐标之间的偏转角。

6.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：位移译码与细分模块进行X、Y坐标的解码，X、Y坐标的解码就是在X、Y方向上分别截取一段编码c_ic_i+1c_i+2..............c_i+k-1，截取的编码长度k＝4*(2^j-1)+h，通过解码算法获知该段二维编码序列所在二维绝对位置信息；

位移译码与细分模块还进行像素级细分和亚像素级细分；所述像素级细分的机理是二维绝对位置编码板上最小单元码在编码成像相机所成的像占用四个像素；所述亚像素级细分方法采用三次曲线拟合算法进行位移细分，以获得更高分辨力，亚像素级细分算法为：首先对所需处理图像进行加矩形窗处理，然后对窗内像素灰度值进行三次曲线拟合，最后求出拟合函数的梯度最大值点，即亚像素黑白边界点，从而得到与测量标准的偏差。

7.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：误差补偿修正模块针对二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝误差进行补偿，阿贝角测量方法为：测量前控制三自由度运动平台在X向移动，根据位移译码与细分模块得到相应X方向移动量ΔX与Y方向偏移量ΔY，计算二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝角θ，在进行测量时通过位移译码与细分模块得到二维编码序列X、Y方向上的测量值，对测量值进行误差修正得到二维编码序列实际位移值为：

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