CN110455222A - 一种高精度旋转角测量方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度旋转角测量方法、装置及设备,包括以下步骤：在待测旋转物开始旋转时，获得包含实时成像部分在内的实时成像图像，并对待测旋转物的旋转周数进行计数，其中，相机实时拍摄时位于相机拍摄视场内的部分码盘信息环为实时成像部分；获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置d；计算待测旋转物的旋转角。通过图像处理高精度识别出相机视场中心在码盘信息环的纹理特征以实现精确位置，并结合码盘心信息环的标定从而计算得到相机视场对应的信息环转动的绝对角度值，因此无需高精度加工光电码盘的编码刻度，相较于传统光电编码信息，图像信息的使用可以大大降低码盘制作工艺的要求。本发明应用于测量技术领域。

Description

一种高精度旋转角测量方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种高精度旋转角测量方法、装置及设备。

背景技术

转角测量是几何测量技术重要的组成部分之一，转角测量一般通过将角度测量装置安装在被测物件上，通过被测件的旋转带动角度传感器的安装轴旋转，从而测得角度的变化。转角测量装置(传感器)被广泛地应用于机器人、航空航天、光电经纬仪、国防、雷达、地面指挥仪、数控机床及各种高精度闭环调速系统和伺服系统的转速测量等领域，另外，在日常生产生活中，包括交通运输、工农业生产、医疗卫生、商务办公，乃至家用电器中，都大量使用着各种类型的转角测量装置。

采用光电编码器的光电码盘是一种集光、机、电于一体的先进的数字转角测量设备，通过机械装置将光学信号转换成电信号，从而对旋转角位移、位置和速度等多种物理量进行直接或间接的测量。与其他同类用途的传感器相比较，光电编码器具有结构形式简单多样、体积小、测量精度以及分辨率高、抗干扰能力强等优点，是自动化设备中一种较为理想的角度传感器。但光电编码器的结构复杂、工艺要求非常高，使得造价昂贵，同时成品容易损坏，而且想要进一步提高精度十分困难。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高精度旋转角测量方法、装置及设备。

其采用的技术方案是：

一种高精度旋转角测量方法,相机与完成标定且具有纹理特征的码盘信息环中任一个安装在安置在待测旋转物上，另一个安置在待测旋转物以外的任意位置，码盘信息环的中心轴线与待测旋转物的旋转轴线重合，且在码盘信息环与相机安置完成后，码盘信息环上至少有一个区域位于相机的拍摄视场的中心位置；包括以下步骤：

步骤101，在待测旋转物开始旋转时，获得包含实时成像部分在内的实时成像图像，并对待测旋转物的旋转周数进行计数，其中，相机实时拍摄时位于相机拍摄视场内的部分码盘信息环为实时成像部分；

步骤102，获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置d；

步骤103，根据步骤101中的计数值与步骤102中位置d计算待测旋转物的旋转角。

进一步优选的，步骤102中，获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置d 的具体实现过程为：

步骤201，以实时成像图像的中心像素点为中心在实时成像图像中截取出仅包含码盘信息环的部分作为实时成像检测图像；

步骤202，在码盘信息环的映射图上截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像；

步骤203，计算实时成像检测图像与实时成像比对图像的相似度量；

步骤204，将实时成像比对图像的轮廓在码盘信息环的映射图上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或者多个像素，获得新的实时成像比对图像，并计算实时成像检测图像与新的实时成像比对图像的相似度量；

步骤205，重复步骤204直至码盘信息环的映射图上所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过；

步骤206，筛选出与实时成像检测图像之间相似度量最大的实时成像比对图像，作为实时成像结果图像；

步骤207，实时成像结果图像的中心像素点在码盘信息环的映射图上的位置即实时成像图像的中心像素点在码盘信息环位置d。

进一步优选的，所述码盘信息环上设有若干能够将码盘信息环划分为若干图段的标识。

进一步优选的，步骤202中，所述在码盘信息环的映射图上截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像，具体为：

确定实时成像检测图像在码盘信息环的映射图中所属的图段，并在该所属图段中截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像；

步骤205中，所述重复步骤204直至码盘信息环的映射图中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过，具体为：

重复步骤204直至码盘信息环的映射图中实时成像检测图像的所属图段中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过。

进一步优选的，步骤203中，所述相似度量的计算过程为：

式中，i表示第i个实时成像比对图像；S(i)表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像的相似度量；t_i与w_i表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像中各像素的灰度值；与表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像的灰度均值。

进一步优选的，通过亚像素插值或者数据拟合的方法求取与实时成像检测图像之间相似度量最大的实时成像比对图像的中心像素点在码盘信息环的映射图上的位置d′：

式中，0<i<M表示亚像素插值或者数据拟合的搜索范围，M表示搜索范围长度。

进一步优选的，步骤104中，所述待测旋转物的旋转角的计算过程为：

式中，θ表示待测旋转物的旋转角的绝对角度；N为自然数，表示步骤101中所计待测旋转物的旋转周数；d表示实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置；L表示以码盘信息环的中心为圆心、位置d到码盘信息环中心的连线为半径的圆的周长。

一种高精度旋转角测量装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有高精度旋转角测量程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤。

一种高精度旋转角测量装置，包括：

码盘信息环，设在待测旋转物上或待测旋转物以外的位置，所述码盘信息环上具有纹理特征以用于作为待测旋转物的旋转角测量的参照物；

相机，设在待测旋转物上或待测旋转物以外的位置，用于拍摄码盘信息环；

控制模块，包括上述的高精度旋转角测量装置，与相机及计数模块均电性相连；

所述计数模块，与待测旋转物相连，用于计数。

本发明的有益技术效果：

本发明通过将码盘信息环与相机安置在相对位置，在待测旋转物旋转的时对码盘信息环直接成像，通过图像处理高精度识别出相机视场中心在码盘信息环的纹理特征以实现精确位置，并结合码盘心信息环的标定从而计算得到相机视场对应的信息环转动的绝对角度值，因此无需高精度加工光电码盘的编码刻度，相较于传统光电编码信息，图像信息的使用可以大大降低码盘制作工艺的要求。

附图说明

图1是本实施例中高精度旋转角测量方法的流程示意图；

图2是本实施例中获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环中的位置d的流程示意图；

图3是本实施中步骤104中距离d与周长L的求取示意图；

图4是本实施例中高精度旋转角测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。

如图1所示的一种高精度旋转角测量方法,先将码盘信息环安置在待测旋转物上、将相机安置在待测旋转物以外的任意位置，或者：

将相机安置在待测旋转物上，将码盘信息环安置在待测旋转物以外的任意位置。其中，码盘信息环的轴线与待测旋转物的旋转轴线重合，且在码盘信息环与相机安置完成后，码盘信息环上至少有一个区域位于相机的拍摄视场的中心位置，其中，相机的拍摄视场可以是经过反射、折射或其他改变光路方向方式所形成的视场，本实施例中，码盘信息环上位于相机的拍摄视场的中心位置的区域包含500×500个像素。

本实施例中，码盘信息环为已完成标定的状态且其上具有纹理特征，码盘信息环上的纹理特征为形状、大小或者分布不规则的纹路、颗粒、毛刺、纤维等表面特征，码盘信息环上不同区域的纹理特征具有唯一性，以便通过这些特征的图像分析能够直接确定其对应的码盘信息环位置。其中，完成标定状态的码盘信息环指的是码盘信息环上具有与地球经纬度一样的虚拟定位信息，表示在已知码盘信息环上一个像素点的位置信息后，即是直接获知该像素点的角度信息，以用于读取码盘信息环转动的绝对角度值。

本实施例中具体采用的安置方式是将码盘信息环安置在待测旋转物上，将相机悬挂在待测旋转物的上方，其中，码盘信息环可以是扁平贴纸，通过粘胶黏贴在待测旋转物上，同样的，码盘信息环也可以是其他具有等同效果的结果或连接方式设在待测旋转物上。

具体包括以下步骤：

步骤101，在待测旋转物开始旋转时，获得包含实时成像部分在内的实时成像图像，并对待测旋转物的旋转周数进行计数，其中，相机实时拍摄时位于相机拍摄视场内的部分码盘信息环为实时成像部分；

步骤102，获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置d，参考图2，具体过程包括：

步骤201，以实时成像图像的中心像素点为中心在实时成像图像中截取出仅包含码盘信息环的部分作为实时成像检测图像，本实施例中，实时成像检测图像为以实时成像图像的中心像素点为中心的方形图像，包含有500×500个像素；

步骤202，在码盘信息环的映射图上截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像；

步骤203，计算实时成像检测图像与实时成像比对图像的相似度量；

步骤204，将实时成像比对图像的轮廓在码盘信息环的映射图上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或多个像素，获得新的实时成像比对图像，并计算实时成像检测图像与新的实时成像比对图像的相似度量；

步骤205，重复步骤204直至码盘信息环的映射图中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过；

步骤206，筛选出与实时成像检测图像之间相似度量最大的实时成像比对图像，作为实时成像结果图像；

步骤207，实时成像结果图像的中心像素点在码盘信息环的映射图中的位置即实时成像图像的中心像素点在码盘信息环位置p₀；

其中，码盘信息环的映射图指的是录入数据库的图像，其具有与码盘信息环相同的形状、纹理特征，以用于实现图片处理比对计算。

优选的，可以在码盘信息环上设有若干能够将码盘信息环划分为若干图段的标识，因此步骤202中的在码盘信息环的映射图上截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像可以缩减为：确定实时成像检测图像在码盘信息环的映射图中所属的图段，并在该所属图段中截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像；步骤205中的重复步骤204直至码盘信息环的映射图中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过可以缩减为：重复步骤204直至码盘信息环的映射图中实时成像检测图像的所属图段中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过。进而有效的打到减少计算量、提高计算速度的效果。

其中，码盘信息环的标识可以是数字、文字、编码等可以达到辅助定位效果的信息，本实施例中的标识即为角度信息，具体为0°，90°，180°，270°，代表着码盘信息环呈十字结构分布的四个点，进而将码盘信息环等分为四个图段，其中，标识的角度信息与码盘信息环标定的角度信息重合。

在步骤203中，实时成像检测图像在进行后续的相似度量计算过程之前，需要对实时成像检测图像进行校正处理，本实施例中采用多项式校正法对图像进行几何校正，多项式系数可以事先标定得到：

其中，(x′_i,y′_i)是实时成像检测图像在几何校正前的图像坐标，(x_i,y_i)是实时成像检测图像在几何校正后的图像点坐标。除了单应变换方法，还可以采用多项式拟合等方法进行图像的几何校正。

在对实时成像检测图像进行几何校正后，利用图像归一化协方差相关法求取实时成像检测图像与实时成像比对图像的相似度量：

式中，i表示第i个实时成像比对图像；S(i)表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像的相似度量；t_i与w_i表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像中各像素的灰度值；与表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像的灰度均值。

在步骤206中，在获取实时成像检测图像与所有的实时成像比对图像的相似度量后，最后通过亚像素插值或者数据拟合的方法求取相似度量最大值所对应于码盘信息环的映射图的亚像素位置d′：

式中，0<i<M表示亚像素插值或者数据拟合的搜索范围，M表示搜索范围长度。

步骤103，根据步骤101中的计数值与步骤102中位置d计算待测旋转物的旋转角，通过上述实时图像分析，可以确定码盘信息环位置d以及待测旋转物旋转的圈数，然后根据以下公式即可高精度确定相机视场所拍摄区域对应的绝对角度，待测旋转物的旋转角的计算过程为：

式中，θ表示待测旋转物的旋转角的绝对角度；N为自然数，表示步骤101中所计待测旋转物的旋转周数；参考图3，d表示实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置，也表示沿待测旋转选方向，码盘信息环标定0°位置到实时成像图像的中心像素点与之间的路径长度；L表示以码盘信息环的中心为圆心、位置d到码盘信息环中心的连线为半径的圆的周长，图3中标号401表示码盘信息环，标号402表示实时成像检测图像，标号403表示待测旋转物的旋转方向，图3中r表示位置d到码盘信息环中心的连线长度，L＝2πr。

一种高精度旋转角测量装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有高精度旋转角测量程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤。

如图4所示，本实施例还公开了一种高精度旋转角测量设备，包括：

码盘信息环501，设在待测旋转物上或待测旋转物以外的位置，用于作为待测旋转物的旋转角测量的参照物，码盘信息环上具有纹理特征以用于作为待测旋转物的旋转角测量的参照物；

相机502，设在待测旋转物上或待测旋转物以外的位置，用于拍摄码盘信息环；

控制模块，包括上述的高精度旋转角测量装置，与相机及计数模块均电性相连；

计数模块，与待测旋转物相连，用于计数。

其中，控制模块、计数模块均为图示，控制模块可以采用嵌入式系统设计，技术模块可以采用硬件形式的计数器，也可以是软件形式的技术软件，通过相机每次拍摄的角度进行计数。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (9)

1.一种高精度旋转角测量方法,其特征在于，相机与完成标定且具有纹理特征的码盘信息环中任一个安装在安置在待测旋转物上，另一个安置在待测旋转物以外的任意位置，码盘信息环的中心轴线与待测旋转物的旋转轴线重合，且在码盘信息环与相机安置完成后，码盘信息环上至少有一个区域位于相机的拍摄视场的中心位置，所述码盘信息环上不同区域的纹理特征具有唯一性；

具体包括以下步骤：

步骤101，在待测旋转物开始旋转时，获得包含实时成像部分在内的实时成像图像，并对待测旋转物的旋转周数进行计数，其中，相机实时拍摄时位于相机拍摄视场内的部分码盘信息环为实时成像部分；

步骤102，获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置d；

步骤103，根据步骤101中的计数值与步骤102中位置d计算待测旋转物的旋转角。

2.根据权利要求1所述高精度旋转角测量方法,其特征在于，步骤102中，获取实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置d的具体实现过程为：

步骤201，以实时成像图像的中心像素点为中心在实时成像图像中截取出仅包含码盘信息环的部分作为实时成像检测图像；

步骤202，在码盘信息环的映射图上截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像；

步骤203，计算实时成像检测图像与实时成像比对图像的相似度量；

步骤204，将实时成像比对图像的轮廓在码盘信息环的映射图上向上和/或向下和/或向左和/或和/向右平移一个或者多个像素，获得新的实时成像比对图像，并计算实时成像检测图像与新的实时成像比对图像的相似度量；

步骤205，重复步骤204直至码盘信息环的映射图上所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过；

步骤206，筛选出与实时成像检测图像之间相似度量最大的实时成像比对图像，作为实时成像结果图像；

步骤207，实时成像结果图像的中心像素点在码盘信息环的映射图上的位置即实时成像图像的中心像素点在码盘信息环位置d。

3.根据权利要求2所述高精度旋转角测量方法,其特征在于，所述码盘信息环上设有若干能够将码盘信息环划分为若干图段的标识。

4.根据权利要求3所述高精度旋转角测量方法,其特征在于，步骤202中，所述在码盘信息环的映射图上截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像，具体为：

确定实时成像检测图像在码盘信息环的映射图中所属的图段，并在该所属图段中截取出一块形状与实时成像检测图像形状相同的图像作为实时成像比对图像；

步骤205中，所述重复步骤204直至码盘信息环的映射图中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过，具体为：

重复步骤204直至码盘信息环的映射图中实时成像检测图像的所属图段中所有的像素点均在实时成像比对图像中出现过。

5.根据权利要求2至4任一项所述高精度旋转角测量方法,其特征在于，步骤203中，所述相似度量的计算过程为：

式中，i表示第i个实时成像比对图像；S(i)表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像的相似度量；t_i与w_i表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像中各像素的灰度值；与表示实时成像检测图像与第i个实时成像比对图像的灰度均值。

6.根据权利要求5所述高精度旋转角测量方法,其特征在于，步骤206中，通过亚像素插值或者数据拟合的方法求取与实时成像检测图像之间相似度量最大的实时成像比对图像的中心像素点在码盘信息环的映射图上的位置d′：

式中，0<i<M表示亚像素插值或者数据拟合的搜索范围，M表示搜索范围长度。

7.根据权利要求1至4任一项所述高精度旋转角测量方法,其特征在于，步骤103中，所述待测旋转物的旋转角的计算过程为：

式中，θ表示待测旋转物的旋转角的绝对角度；N为自然数，表示步骤101中所计待测旋转物的旋转周数；d表示实时成像图像的中心像素点在码盘信息环上的位置；L表示以码盘信息环的中心为圆心、位置d到码盘信息环中心的连线为半径的圆的周长。

8.一种高精度旋转角测量装置，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有高精度旋转角测量程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1～7任一项方法所述的步骤。

9.一种高精度旋转角测量设备，其特征在于，包括：

码盘信息环，设在待测旋转物上或待测旋转物以外的位置，所述码盘信息环上具有纹理特征以用于作为待测旋转物的旋转角测量的参照物，所述码盘信息环上不同区域的纹理特征具有唯一性；

相机，设在待测旋转物上或待测旋转物以外的位置，用于拍摄码盘信息环；

控制模块，包括权利要求8所述的高精度旋转角测量装置，与相机及计数模块均电性相连；

所述计数模块，与待测旋转物相连，用于计数。