CN111006614A - 一种平面ccd绝对转动位置测量方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转动位置测量技术领域，公开了一种平面CCD绝对转动位置测量方法和设备，通过拍摄一张转动盘转动时的简单图像，利用交比算法和螺旋曲线极坐标位置，就可以获得绝对转动位置，再重复拍摄图像、计算，就能实现实时转动位置的测量；而且本设备中，转轴安装在转动盘的中心，拍摄模组安装在转动盘的一侧，用于获取图像数据，光源安装在拍摄模组旁或者拍摄模组的对面一侧，提供光源，转动盘上还设有一层螺旋曲线层。本发明简化了转动盘的制作、简化了设备的装配和设备技术体系，利用简单的拍摄模组和螺旋曲线层，就可完成转动位置的测量，以及实现转动位置的实时测量。

Description

一种平面CCD绝对转动位置测量方法和设备

技术领域

本发明涉及转动位置测量技术领域，尤其涉及一种平面CCD绝对转动位置测量方法和设备。

背景技术

当前转动角度精密测量方法主要使用圆光栅(circular grating)。圆光栅是一种在玻璃圆盘表面的一个圆环形区域上刻有大量均匀分布的、透明和不透明相间的圆分度元件。根据测量数据的类型，又分为增量式、绝对式测量2种。

增量式测量，每次获得的测量数据，是相对于测量前位置的相对角位移。因此为了获得当前的转动位置，系统需要累加每次的转动数据。如果中途系统丢失该数据，则需要运动到初始位置后，才能重新开始记录转动位置。

绝对式测量，每次获得的测量数据即为当前的转动位置。系统无需对转动历史进行记录。但该类型传感器较增量式结构复杂。目前使用圆光栅，多采用透射式。因此光栅圆盘制作多采用玻璃材料，在一定程度上会降低设备的抗冲击能力。在精密测量场景下，该类型设备还存在以下问题：

(1)高分辨率的精密光栅制作困难；目前常用的制作方法为机械刻划、光电刻划、全息照相刻划。但皆需使用昂贵的设备，且每次制作时间长，在制作时间内需保证设备能长时间精密运行，和无环境振动干扰。

(2)精密光栅、光电信号检出部件的装配精度要求高，装配时间长。该过程依赖高级技术人员，常需要对安装面进行手工精修，对人员的技能和经验要求高，难以实现批量生产。

(3)涉及的技术多样复杂。涉及精密机械制造、光电信号采集、信号处理硬件软件开发等。集合和协调多技术人员进行产品的研发和生产，较为困难，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种平面CCD绝对转动位置测量方法和设备，简化了转动盘的制作，以及简化了设备的装配和技术体系，能够实现精确测量。

本发明采用的技术方案如下：一种平面CCD绝对转动位置测量方法，包括以下步骤：

S1：通过拍摄模组拍摄一张转动盘转动时的图像；

S2：在图像上选取两个点，利用交比算法计算出两点在转动盘上的实际距离；

S3：将两点的距离值代入螺旋曲线极坐标方程，计算出转动位置的角度，完成转动位置的测量；

S3：重复S1、S2和S3，实现转动盘的实时转动位置测量。

进一步的，所述交比算法中，在图像上设有A、B、C、D四个点，所述A为基准点、B为距离A点为单位长度的点、C为距离基准点A实际距离为c的点、D为无穷远点，所述S2中选取的两点分别为点A和点C；其交比公式如下：

设图像上点A到点B的距离为x₁，点A到点C的距离为x_c，点A到点D的距离为x₂；则上述公式如下：

进一步的，所述S1之前，还包括对测量设备进行标定，所述标定的具体步骤为：

步骤a：转动转动盘，每转动角度a，进行一次拍照，转动360度后，获得图像序列PS，记录每张图像对应的转角；

步骤b：根据所述交比算法，在图像序列PS中找到AC图像距离最大的图像Pmax，并找到Pmax对应的转角；

步骤c：将转动盘转动至Pmax的转角值处，以间隔角度b进行转动，所述b小于等于a；

步骤d：重复步骤a和步骤b，将获得的最大图像Pmax作为测量设备的原点；

步骤e：从测量设备原点对应的位置开始，依次转动n次已知角度，并拍摄图像，利用所述交比算法，计算出交比算法中的B、D点的坐标值，并将计算结果存储于设备系统中，完成设备标定工作；所述n为大于等于2的自然数。

进一步的，所述图像中包括基础圆标识图像和螺旋曲线图像。

进一步的，所述S2中，在所述图像上取一条过转动盘中心的水平中线，所述水平中线与基础圆标识图像和螺旋曲线图像的交点为A、C，取交点A、C，利用交比算法，计算出转动盘上A、C两点之间的实际距离。

进一步的，所述螺旋曲线极坐标方程公式如下：

r＝r0+θ·a；

其中r0为固定设置的基础圆标识半径，a为固定常数，r为图像上选取的两点在转动盘上的实际距离，θ为转动位置角度且θ∈[0 2π]。

一种平面CCD绝对转动位置测量设备，包括：转动盘、转轴、光源和拍摄模组，所述转轴穿过转动盘的中心并与转动盘固定连接；所述拍摄模组设置在转动盘的一侧，对转动盘进行拍摄；所述光源设置在转动盘的一侧，提供拍摄时所需光源；所述转动盘表面设有螺旋曲线层。

进一步的，所述光源与拍摄模组设置在转动盘的同一侧时，则测量设备为反射式结构；所述光源设置在拍摄模组的对立一侧时，则测量设备为投射式结构。

进一步的，所述光源采用发出白光或者单色光的LED。

进一步的，所述拍摄模组采用摄像头模组或者照相机模组。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明使用成熟的摄像头模组，通过拍摄一张简单图案的图像，即可获得绝对转动位置；本技术方案对各部件的制作、安装精度无过高要求，通过测量算法和标定既能保证测量精度；并且标定过程易于实现自动化、无人值守，便于设备的批量生产。

附图说明

图1是本发明拍摄的图像；

图2是本发明带有水平中线的图像；

图3是交比算法的示意图；

图4是转动盘的俯视图；

图5是反射式结构示意图；

图6是投射式结构示意图。

附图标记：1-螺旋曲线局部边缘图像、2-基圆局部边缘图像、3-水平中线、4-基础圆、5-转动盘、6-转轴中心、7-螺旋曲线层、8-拍摄模组、9-光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本发明提供了一种平面CCD绝对转动位置测量方法，实现精准测量，包括以下步骤：

一、通过拍摄模组拍摄一张转动盘转动时的图像。转动盘高速转动下可采用频闪拍摄法获取瞬间的转动图像；中低速转动下可使用一般拍摄方法，获取转动盘清晰图像。获取的转动图像如图1所示，图中显示了螺旋线局部边缘图像和基础圆局部边缘图像。

二、如图2所示在图像上取一条图像的水平中线，水平中线必过转动盘的中心点，在拍摄模组安装时，微调拍摄模组，保证拍摄到的图像中可以取到一条过图像中心的水平中线，水平中线与基础圆局部边缘图像和螺旋曲线图像的交点为A、C，取交点A、C，利用交比算法，计算出转动盘上A、C两点之间的实际距离。

交比算法公式：

R(AB,CD)＝AC*BD/(BC*AD)； (1)

A、B、C、D共线，其中A为基准点、B为距离A点为单位长度的点、C为距离基准点距离为c的点、D为无穷远点，则其交比为：

如图3所示，图像水平中线与基础圆、螺旋曲线边缘的交点分别为点A,C；同时水平中线上，距离A点为单位长度，且位于基础圆外侧的点为B；水平中线上无穷远点的像点为D，即点A、C为图像中实际存在的点；点B、D为图像上不存在的点。

设图像上，线段AB、AC、AD长度分别为x₁、x_c、x₂；点C到点A在转动盘上的实际距离为c，其中x_c(x_c可从图像上计算出来)和c为已知量，则有以下关系：

对于以上方程，已知至少2个不同的C点坐标，即能求解出x₁、x₂；多于2个C点坐标时，可以使用最小二乘法对x₁、x₂进行求解，同时有助于提高求解精度。

在转角测量时，式3中的x₁、x₂、x_c为已知量，图像上获取点C的图像坐标，与点A的图像坐标计算出图像上x_c的距离，而c值为待求解量；则利用式3可直接求解。

三、在获得c值后，代入螺旋曲线极坐标方程中计算，其方程如下：

r＝r0+θ·a； (4)

其中，r0为固定设置的基础圆标识半径，a为固定常数，r为A、C两点之间的实际距离，即c值，所以在获得c值后，只需带入方程，就可求得转动角度θ的值，并且

θ∈[0 2π]，图4是转动盘的俯视图像。

四、重复上述步骤一、二、三，就可以实时测量转动盘的转动角度，实现转动盘转角的实时测量，同时，还能完成加速度等测量。

在使用该方法测试前，还需要对测试设备进行标定，标定的步骤如下：

(1)转动转动盘360度，每转动角度a，进行一次拍照，角度a小于360度，最终获得图像序列PS，同时记录每张图像对应的转角a_real(该角度由辅助转动测量设备输出)；转动盘在转动时，其法线不发生变化，也即与拍摄模组之间不发生相对位置的变化；

(2)根据以上算法，在PS中找到AC图像距离最大的图像Pmax，同时获得其对应的a_real值；

(3)转动至该a_real值附近，以间隔角度b(b<＝a)进行微转动，并按照步骤(1)记录图像和实际转角。在获得的图像中重复步骤(2)操作，获得的图像Pmax_real即为该设备的原点；

(4)从图像Pmax_real对应的位置开始，依次转动n次已知的角度，并拍摄图像。n>＝2，存在多个不同的C点的坐标时，利用上述的交比算法，求解出x₁、x₂，即计算出水平中线上点B、D的值，并将计算结果永久存储于设备系统中，完成设备标定工作。

设备在标定时，固定A点、C点的坐标值，就可计算出B点、D点的坐标值，设备被标定后，进行测试，在使用上述测试方法中，因为B、D的在水平中线上的坐标值已经被固定，而转动盘与拍摄模组之间不会发生相对位置的变化，所以通过公式3，便可轻易的求出A点、C点的实际距离c，将c值带入到公式4中，就能求出转动角度，简单方便，并且精准。

实施例2

本发明还提供一种平面CCD绝对转动位置测量设备，包括：转动盘、转轴、白光光源和摄像头模组，转轴穿过转动盘的中心并与转动盘固定连接，转动盘与转轴一起转动。

如图5所示，白光光源与摄像头模组设置在转动盘的上侧，提供光源并进行图像拍摄；此时测量设备为反射式结构。

转动盘的表面还覆盖有螺旋曲线层，螺旋曲线层通过商业印刷技术加工而成。

实施例3

在实施例2的基础上，优选地，白光采用单色光代替。

实施例4

在实施例2/3的基础上，优选地，摄像头模组采用照相机模组代替。

实施例5

在实施例2/3/4的基础上，优选地，如图6所示，摄像头模组设置在转动盘的上侧，光源设置在摄像头模组对面一侧，即转动盘的下侧，则此时测量设备为投射式结构。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种平面CCD绝对转动位置测量方法，其特征在于，包括：

S1：通过拍摄模组拍摄一张转动盘转动时的图像；

S2：在图像上选取两个点，利用交比算法计算出两点在转动盘上的实际距离；

S3：将两点的距离值代入螺旋曲线极坐标方程，计算出转动位置的角度，完成转动位置的测量；

S3：重复S1、S2和S3，实现转动盘的实时转动位置测量。

2.根据权利要求1所述的一种平面CCD绝对转动位置测量方法，其特征在于，所述交比算法中，在图像上设有A、B、C、D四个点，所述A为基准点、B为距离A点为单位长度的点、C为距离基准点A实际距离为c的点、D为无穷远点，所述S2中选取的两点分别为点A和点C；其交比公式如下：

设图像上点A到点B的距离为x₁，点A到点C的距离为x_c，点A到点D的距离为x₂；则上述公式如下：

3.根据权利要求2所述的一种平面CCD绝对转动位置测量方法，其特征在于，所述S1之前，还包括对测量设备进行标定，所述标定的具体步骤为：

步骤a：转动转动盘，每转动角度a，进行一次拍照，转动360度后，获得图像序列PS，记录每张图像对应的转角；

步骤b：根据所述交比算法，在图像序列PS中找到AC图像距离最大的图像Pmax，并找到Pmax对应的转角；

步骤c：将转动盘转动至Pmax的转角值处，以间隔角度b进行转动，所述b小于等于a；

步骤d：重复步骤a和步骤b，将获得的最大图像Pmax作为测量设备的原点；

步骤e：从测量设备原点对应的位置开始，依次转动n次已知角度，并拍摄图像，利用所述交比算法，计算出交比算法中的B、D点的坐标值，并将计算结果存储于设备系统中，完成设备标定工作；所述n为大于等于2的自然数。

4.根据权利要求1所述的一种平面CCD绝对转动位置测量方法，其特征在于，所述图像中包括基础圆标识图像和螺旋曲线图像。

5.根据权利要求1或3所述的一种平面CCD绝对转动位置测量方法，其特征在于，所述S2中，在所述图像上取一条过转动盘中心的水平中线，所述水平中线与基础圆标识图像和螺旋曲线图像的交点为A、C，取交点A、C，利用交比算法，计算出转动盘上A、C两点之间的实际距离。

6.根据权利要求1或3所述的一种平面CCD绝对转动位置测量方法，其特征在于，所述螺旋曲线极坐标方程公式如下：

r＝r0+θ·a；

其中r0为固定设置的基础圆标识半径，a为固定常数，r为图像上选取的两点在转动盘上的实际距离，θ为转动位置角度且θ∈[0 2π]。

7.一种平面CCD绝对转动位置测量设备，其特征在于，包括：转动盘、转轴、光源和拍摄模组，所述转轴穿过转动盘的中心并与转动盘固定连接；所述拍摄模组设置在转动盘的一侧，对转动盘进行拍摄；所述光源设置在转动盘的一侧，提供拍摄时所需光源；所述转动盘表面设有螺旋曲线层。

8.根据权利要求7所述的一种平面CCD绝对转动位置测量设备，其特征在于，所述光源与拍摄模组设置在转动盘的同一侧时，测量设备为反射式结构；所述光源设置在拍摄模组的对立一侧时，则测量设备为投射式结构。

9.根据权利要求7所述的一种平面CCD绝对转动位置测量设备，其特征在于，所述光源采用发出白光或者单色光的LED。

10.根据权利要求7所述的一种平面CCD绝对转动位置测量设备，其特征在于，所述拍摄模组采用摄像头模组或者照相机模组。

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