CN111964699A - 一种基于图像识别的高精度编码器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别的高精度编码器及其实现方法，包括具有反射率的码盘、光源、成像镜头、数字成像部件和图像处理单元，光源的光线射出端朝向码盘一侧，光源射出的光线点亮码盘特定区域并利用码盘将光线反射至镜头端，成像镜头与光源安装于码盘同一端，成像镜头用于对码盘反射来的光线进行聚焦，并在数字成像部件形成码盘特定区域的影像。本发明摒弃传统数字编码器利用码盘通孔进行编码以及通过光电信号检测和转换的技术路线，采取光电微成像技术和数字图像快速对比技术，利用无通孔码盘进行高速成像，并比较前后两幅图像的差异，实现对码盘旋转速度和角度的高精度测量。

Description

一种基于图像识别的高精度编码器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种编码器，具体涉及一种基于图像识别的高精度编码器及其实现方法。

背景技术

目前，在各类电机控制或机械行走控制方案中，广泛应用各类编码器作为传感器进行速度、角度、位置、距离、数量等各类参数测量，将上述参数转化为电信号并进行反馈处理。根据编码器输出信号的不同，编码器类型有模拟编码器和数字编码器两种。数字编码器由于其输出信号为数字信号，便于通过计算机进行各类数字化处理和计算，在工业控制系统有着最广泛的应用。

传统的数字编码器根据编码方式不同，又分为增量编码器和绝对值编码器。无论哪一种类型的编码器，其主要部件都包括光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路等几个组成部分，工作原理都是利用光电耦合器扫描安装在具有光通孔的旋转轴或行走轴上的码盘，将机械编码转换为成比例的电气脉冲编码，如图1所示。

光源部件(一般是可见光或红外光LED)会向接收器(一般是光电二极管)发出一道狭窄的光束，光源和接收器被安装在静止部位，码盘是一个带有透明开孔的遮光圆盘，被安装在旋转轴上。当电机转动时，码盘会让光束交替通过，光电检测器件则会根据光线的通断输出与之对应的高电平或低电平。转换电路将光电检测器件输出的信号进一步整形为方波，方便后续电路处理。

由编码器基本原理可知，传统的光电编码器存在以下几种缺陷：

1.编码精度有限。

码盘旋转一周能够输出的信号脉冲数取决于光通孔个数，脉冲数越多，角度测量精度越高，但受限于码盘尺寸，尤其是微型设备中，码盘在一个圆周内能够刻画出的通孔数量非常有限，这极大的限制了编码器的编码精度。虽然可以通过缩小光通孔直径和多圈刻画能够进一步增加其脉冲输出个数，但受制于光电检测器件的检测灵敏度和机械加工部件，光通孔直径实际无法做的太小。

2.信号抖动严重。

理想的数字编码器输出信号应该是方波信号。但由于码盘通孔是机械加工而成，存在角度分布不均匀，通孔形状或尺寸不规则等机械加工误差，光束通过码盘的时间和强度不一致，使得光电检测器件输出电平存在差异，从而高低电平翻转不对称，导致信号相位提前或滞后，即信号抖动严重。同时由于通孔形状不规则可能导致光线通过强度不是连续单调增加或连续单调降低，可能导致信号非正常翻转，造成计数误差。

3.信号输出质量对速度敏感。

当码盘旋转速度过慢时(如电机初始启动阶段)，光电检测器件输出电平上升或下降速度迟缓，无法形成足够陡峭的上升沿或下降沿，可能导致后续电路无法正常工作。当码盘旋转速度过快时(如高速电机)，遮光和通光时间过短，受制于光电检测器件的响应性能，无法形成稳定的高低电平或达不到信号翻转所需要的电平，输出信号质量变差，甚至无法使用。

4.高精度编码器成本高昂。

高精度编码器依赖于高精度加工设备，同时码盘制作材料要求使用低形变高强度材质以及光电器件具有更高的响应性能，导致整个编码器器件成本高昂，无法做到低成本应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种基于图像识别的高精度编码器及其实现方法，摒弃了传统数字编码器利用码盘通孔进行编码以及通过光电信号检测和转换的技术路线，采取光电微成像技术和数字图像快速对比技术，利用无通孔码盘进行高速成像，并比较前后两幅图像的差异，实现对码盘旋转速度和角度的高精度测量。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于图像识别的高精度编码器，包括具有反射率的码盘、光源、成像镜头、数字成像部件和图像处理单元，光源的光线射出端朝向码盘一侧，光源射出的光线点亮码盘特定区域并利用码盘将光线反射至镜头端，成像镜头沿轴向安装于码盘一侧或径向方向安装于码盘边沿，成像镜头用于对码盘反射来的光线进行聚焦，并在数字成像部件形成码盘特定区域的影像；

其中，图像处理单元用于通过算法，对采集的两幅图像进行比较，以算出两幅图像X方向和Y方向之间的位移值，并通过X位移和Y位移计算码盘旋转的角度，然后将角度值直接输出或者转化为其他数字量输出。

作为优选的技术方案，所述码盘是一个固定在旋转轴上的非透明的圆形部件，其随旋转轴的转动而同步转动。

作为优选的技术方案，成像镜头为单个或一组由凹透镜或凸透镜组合的镜头，用来对码盘反射的光线进行聚焦。

作为优选的技术方案，数字成像部件是一个由电子感光部件构成的线阵。

一种基于图像识别的高精度编码器的实现方法，一、通过数字成像部件对码盘特定区域进行连续匀速拍照，并形成数字图像序列，由于码盘在旋转轴的带动下连续转动，因此数字成像部件所拍摄的每一幅图像都有微小的差异，这种差异体现了码盘转动的角度θ值和位移μ值；

二、图像处理部件对前后相邻的两幅图像进行检测和比较，寻找图像间的微小差异并计算X方向和Y方向的变化量δx和δy，由于数字成像部件拍摄每一幅图像的成像时间τ和时间间隔ψ是固定的，因此可以通过变化量δx和δy、成像时间τ、时间间隔ψ可以计算出码盘旋转角度θ值和位移μ值并作为数字量输出，也就实现了对角度θ值和位移μ值的数字编码。

作为优选的技术方案，计算公式如下：

已知成像部件每次成像时间τ、每次成像间隔ψ，当A点转动到B点时，成像部件报告的变化量分别为δx和δy；

由于每次成像时间τ固定且τ为纳秒级，在成像期间码盘转动角度极小且前后两次成像时间可以互相抵消，因而可以忽略不计，故码盘实际转动速度ω和转动角度θ可以根据成像间隔ψ、X轴变化量δx、Y轴变化量δy进行如下计算：

θ＝arcsin(δx/R)(轴向放置)或θ＝2*arcsin(δx/2/R)(径向放置)

ω＝θ/ψ(每秒)

则码盘线速度υ＝R*ω(每秒)＝arcsin(δx/R)/ψ。

与传统数字编码器相比，本发明具有如下优点：

1.测量精度高，光学成像部件能够在码盘旋转一周内实现8000-10000次的拍照和测量，测量精度比传统的数字编码器提高2-3个数量级；

2.器件成本低，本发明所使用的元器件都属于普通民用器件，成本低，结构简单；

3.输出信号质量高；

4.测量误差小，测量误差仅取决于器件时钟信号源精度和稳定度，无机械加工误差，通过使用晶振等信号源，可以做到极小的测量误差；

5.码盘部件容易加工，本发明所使用码盘部件无须进行开孔，因而无须依赖高精度加工设备，部件成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中编码器的结构示意图；

图2为本发明的编码器的原理图；

图3为本发明的图像检测和比较示意图；

图4为本发明的编码器的结构示意图一；

图5为本发明的编码器的结构示意图二。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，通过数字成像部件对码盘特定区域进行连续匀速拍照，并形成数字图像序列，由于码盘在旋转轴的带动下连续转动，因此数字成像部件所拍摄的每一幅图像都有微小的差异，这种差异体现了码盘转动的角度θ值和位移μ值；

如图3所示，图像处理部件对前后相邻的两幅图像进行检测和比较，寻找图像间的微小差异并计算X方向和Y方向的变化量δx和δy，由于数字成像部件拍摄每一幅图像的成像时间τ和时间间隔ψ是固定的，因此可以通过变化量δx和δy、成像时间τ、时间间隔ψ可以计算出码盘旋转角度θ值和位移μ值并作为数字量输出，也就实现了对角度θ值和位移μ值的数字编码。

计算公式如下：

已知成像部件每次成像时间τ、每次成像间隔ψ，当A点转动到B点时，成像部件报告的变化量分别为δx和δy；

由于每次成像时间τ固定且前后两次成像时间可以互相抵消，因而可以忽略不计，故码盘实际转动速度ω和转动角度θ可以根据成像间隔ψ、X轴变化量δx、Y轴变化量δy进行如下计算：

θ＝arcsin(δx/R)(轴向放置)或θ＝2*arcsin(δx/2/R)(径向放置)

ω＝θ/ψ(每秒)

则码盘线速度υ＝R*ω(每秒)＝arcsin(δx/R)/ψ。

如图4、图5所示，本发明的编码器包括码盘、光源、成像镜头、数字成像部件和图像处理单元。

其中，码盘

码盘是一个固定在旋转轴上的非透明的圆形部件，随旋转轴的转动而同步转动，本发明对码盘的材料没有特殊要求，可以是塑料件或金属件。主要功能是作为一个稳定的具有一定反射率的光学平面供后续成像部件连续稳定的拍照。

2、光源

光源可以是发光二极管或者其他具有一定光亮度的发光物体，其发出的光线以一定角度照亮码盘特定区域，并通过码盘的反射至成像镜头，其作用是保证码盘拍照区具有足够的亮度，确保成像质量清晰可见。

3、成像镜头

成像镜头可以是单个或一组由凹透镜或凸透镜组合的镜头，用来对码盘反射的光线进行聚焦，能够在数字成像部件形成码盘特定区域的影像。

4、数字成像部件

数字成像部件是一个由电子感光部件构成的线阵，可能是CCD部件或者其他类似部件，能够感知照射到其表面的光线并形成一点尺寸的数字图像。数字成像部件能够将感知到。

5、图像处理单元

该单元主要功能是通过一定的算法，对采集的两幅图像进行比较，以算出两幅图像X方向和Y方向之间的位移值，并通过X位移和Y位移计算码盘旋转的角度，然后将角度值直接输出或者转化为其他数字量输出，从而完成数字编码操作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于图像识别的高精度编码器，其特征在于：包括具有反射率的码盘、光源、成像镜头、数字成像部件和图像处理单元，光源的光线射出端朝向码盘一侧，光源射出的光线点亮码盘特定区域并利用码盘将光线反射至镜头端，成像镜头沿轴向安装于码盘一侧或径向方向安装于码盘边沿，成像镜头用于对码盘反射来的光线进行聚焦，并在数字成像部件形成码盘特定区域的影像；

其中，图像处理单元用于通过算法，对采集的两幅图像进行比较，以算出两幅图像X方向和Y方向之间的位移值，并通过X位移和Y位移计算码盘旋转的角度，然后将角度值直接输出或者转化为其他数字量输出。

2.根据权利要求1所述的基于图像识别的高精度编码器，其特征在于：所述码盘是一个固定在旋转轴上的非透明圆形部件，其随旋转轴的转动而同步转动。

3.根据权利要求1所述的基于图像识别的高精度编码器，其特征在于：成像镜头为单个或一组由凹透镜或凸透镜组合的镜头，用来对码盘反射的光线进行聚焦。

4.根据权利要求1所述的基于图像识别的高精度编码器，其特征在于：数字成像部件是一个由电子感光部件构成的线阵。

5.一种基于图像识别的高精度编码器的实现方法，其特征在于：

一、通过数字成像部件对码盘特定区域进行连续匀速拍照，并形成数字图像序列，由于码盘在旋转轴的带动下连续转动，因此数字成像部件所拍摄的每一幅图像都有微小的差异，这种差异体现了码盘转动的角度θ值和位移μ值；

二、图像处理部件对前后相邻的两幅图像进行检测和比较，寻找图像间的微小差异并计算X方向和Y方向的变化量δx和δy，由于数字成像部件拍摄每一幅图像的成像时间τ和时间间隔ψ是固定的，因此可以通过变化量δx和δy、成像时间τ、时间间隔ψ可以计算出码盘旋转角度θ值和位移μ值并作为数字量输出，也就实现了对角度θ值和位移μ值的数字编码。

6.根据权利要求5所述的基于图像识别的高精度编码器，其特征在于，计算公式如下：

已知成像部件每次成像时间τ、每次成像间隔ψ，当A点转动到B点时，成像部件报告的变化量分别为δx和δy；

由于每次成像时间τ固定且前后两次成像时间可以互相抵消，因而可以忽略不计，故码盘实际转动速度ω和转动角度θ可以根据成像间隔ψ、X轴变化量δx、Y轴变化量δy进行如下计算：

θ＝arcsin(δx/R)(轴向放置)或θ＝2*arcsin(δx/2/R)(径向放置)

ω＝θ/ψ(每秒)

则码盘线速度υ＝R*ω(每秒)＝arcsin(δx/R)/ψ。

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