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CN112361995B - 一种视觉绝对式转动角度测量方法和装置 - Google Patents

一种视觉绝对式转动角度测量方法和装置 Download PDF

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CN112361995B CN202011391712.2A CN202011391712A CN112361995B CN 112361995 B CN112361995 B CN 112361995B CN 202011391712 A CN202011391712 A CN 202011391712A CN 112361995 B CN112361995 B CN 112361995B
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Abstract

本发明提供一种视觉绝对式转动角度测量方法和装置，所述装置包括CCD相机和圆环状的码盘，所述码盘的中部通过连接转轴进行转动；所述码盘的圆环上均匀分布有n个共圆的灰度标识，每个灰度标识的灰度值分别对应0‑255灰度值区间内均匀间隔设定的n级灰度值；所述CCD相机设置在码盘的上方，使其拍摄视野对准灰度标识，并在任意时刻其拍摄视野至少存在一个完整的灰度标识。本发明的测量装置具有绝对定位能力，同时具有极小的旋转角度测量分辨率。

Description

一种视觉绝对式转动角度测量方法和装置
技术领域
本发明涉及角度测量技术领域，具体而言，涉及一种视觉绝对式转动角度测量方法和装置。
背景技术
对平面移动距离的精密测量，是一项常见的通用需求，经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。目前工业领域中主要采用光栅尺测量，其也被称为光栅尺位移传感器或光栅尺传感器，是通过利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。
制造光栅的材料主要有以下2种：
1、刻线玻璃尺(有效测量长度3米以下使用)
2、刻线钢带尺(有效测量长度3米以上使用)
在存在振动、冲击、高可靠性要求的特种工况下，会尽可能使用非玻璃质材料。但精密的金属光栅制造工艺复杂，成本较高。除此之外，其还存在以下几个问题：
1、光栅尺仅能进行相较之前位置偏移的“增量“式测量，即系统首次上电后，无法获知当前位置，需要首先进行“零位“搜寻，然后才能通过累加历史移动数据，获知当前位置。任意时刻出现系统断电、故障重启后，皆需要重复以上过程以获得当前位置信息。
2、测量误差会持续累积。即一旦在某位置出现定位误差后，该误差会一直存在，无法进行消除，除非再次通过“零位”才能恢复。
3、传统的绝对式光栅编码器，原理上即难以做到较高的分辨率。并且结构较复杂，成本较高。
发明内容
本发明旨在提供一种视觉绝对式转动角度测量方法和装置，以解决上述采用光栅尺测量存在的问题。
本发明提供的一种视觉绝对式转动角度测量装置，包括CCD相机和圆环状的码盘，所述码盘的中部通过连接转轴进行转动；
所述码盘的圆环上均匀分布有n个共圆的灰度标识，每个灰度标识的灰度值分别对应0-255灰度值区间内均匀间隔设定的n级灰度值；
所述CCD相机设置在码盘的上方，使其拍摄视野对准灰度标识，并在任意时刻其拍摄视野至少存在一个完整的灰度标识。
进一步的，相邻灰度标识的灰度值相差至少2级灰度值。
进一步的，所述灰度标识为实心圆形。
进一步的，n＝8。
本发明还提供一种视觉绝对式转动角度测量方法，采用上述的测量装置进行测量；所述测量方法包括如下步骤：
步骤1，标定所述测量装置获得标定数据，该标定数据包括每个灰度级别的灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值；
步骤2，通过CCD相机拍摄一张图像；
步骤3，对CCD相机拍摄的图像进行图像处理获得图像中灰度标识的灰度质心坐标，并计算图像中灰度标识的平均灰度值；
步骤4，根据图像中灰度标识的平均灰度值确定该灰度标识的灰度级别，进而获得该灰度标识在标定数据中对应的角度值ang；
步骤5，根据图像中灰度标识的灰度质心坐标，在标定数据中找到距离其最近的左侧灰度标识pa和右侧灰度标识pb；
步骤6，根据标定数据中左侧灰度标识pa和右侧灰度标识pb对应的角度值计算两者的夹角dela_ang，以及两者的角度比值b:c；
步骤7，使用线性插值估算实际转角pt，估算公式为：
pt＝pa对应的转角+dela_ang×b/(b+c)＝pb对应转角-dela_ang*c/(b+c)；
步骤8，计算当前绝对转角为ang+pt。
进一步的，步骤1中标定所述测量装置获得标定数据的方法为：
步骤11，任意选择一个灰度标识，并令其在CCD相机拍摄视野中某位置处时设为转动零位；
步骤12，转动码盘，令该灰度标识在CCD相机拍摄视野中完整穿越；并在该灰度标识移动过程中，通过CCD相机间隔拍摄图像In，并通过标准旋转角度测量装置获取拍摄图像In时刻对应的角度值；
步骤13，依次处理图像In：
(1)使用固定阈值将图像分割为二值图像，在二值图像中灰度标识为白色区域，背景为黑色区域；
(2)计算白色区域数量，如果白色区域数量等于1，则直接选取该白色区域；如果白色区域数量大于1，计算每个白色区域的面积，当每个白色区域的面积差异大于等于设定值a时，则选取面积最大的白色区域，否则选取二值图像中最边缘处的白色区域；
(3)获取选取的白色区域中所有像素的图像坐标，并在原始图像上根据此图像坐标提取所有像素的灰度值，然后计算当前图像中灰度标识的灰度质心坐标；
(4)记录当前图像中灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值；
(5)重复步骤(1)～(4)处理完所有图像In，获得所有图像In中灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值；
步骤14，对每个灰度标识重复步骤11～步骤13，记录每个灰度级别的灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值作为标定数据。
进一步的，步骤3中对CCD相机拍摄的图像进行图像处理获得图像中灰度标识的灰度质心坐标的方法为：
(1)使用固定阈值将图像分割为二值图像，在二值图像中灰度标识为白色区域，背景为黑色区域；
(2)计算白色区域数量，如果白色区域数量等于1，则直接选取该白色区域；如果白色区域数量大于1，计算每个白色区域的面积，当每个白色区域的面积差异大于等于设定值a时，则选取面积最大的白色区域，否则选取二值图像中最边缘处的白色区域；
(3)获取选取的白色区域中所有像素的图像坐标，并在原始图像上根据此图像坐标提取所有像素的灰度值，然后计算灰度质心坐标。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的测量装置仅需要使用工业级的CCD相机即可，码盘可以使用现代印刷技术，低成本快速印制，相较传统光栅，显著降低其制造工艺复杂度、加工时间和成本。
2、本发明的测量装置具有绝对定位能力，能直接获得当前位置距离零点位的角度。
3、本发明的测量装置码盘上灰度标识不一定基于玻璃基质量，更能适应金属等非透光材料，天然的高可靠性，具备抗冲击、振动能力。
4、本发明的测量装置具有极小的旋转角度测量分辨率，甚至连续测量能力，较传统光栅测量更精密。
5、本发明的测量装置加工安装精度皆较低，无需要求过高的同心、同轴、平面度等加工装配要求，适合批量化生产。
6、本发明的测量方法具有运算复杂度低的特定，能够进行高频测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明视觉绝对式转动角度测量装置码盘的结构示意图。
图2为本发明视觉绝对式转动角度测量装置的结构示意图。
图3为本发明视觉绝对式转动角度测量方法的流程框图。
图4为本发明视觉绝对式转动角度测量方法中标定时灰度标识移动示意图。
图标：1-CCD相机、2-码盘、3-灰度标识、4-转轴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-2所示，本实施例提出一种视觉绝对式转动角度测量装置，包括CCD相机1和圆环状的码盘2，所述码盘2的中部通过连接转轴4进行转动；
所述码盘2的圆环上均匀分布有n个共圆的灰度标识3，每个灰度标识3的灰度值分别对应0-255灰度值区间内均匀间隔设定的n级灰度值；
所述CCD相机1设置在码盘2的上方，使其拍摄视野对准灰度标识3，并在任意时刻其拍摄视野至少存在一个完整的灰度标识3。
以n＝8为示例对本发明进一步进行说明，参见图1，所述灰度标识3一共8个，均为不同灰度值的实心圆形，并且共圆。将这8个灰度标识3按照灰度由深到浅依次编号为0、1、2、3、4、5、6、7。在0-255灰度值区间内，采用如下间隔设定0～7级(共n＝8级)灰度值，依次为：
0，32，64，96，128，160，192，224
为了使得相邻灰度标识3的灰度值差别较大，一般为相邻灰度标识3的灰度值相差至少2级灰度值，由此，这8个灰度标识3可以以如下方式循环排列：
8-1-5-2-6-3-7-4(编号4又与编号8的灰度标识3相邻)
如以0为转动零点，则8个灰度标识3依次对应角度为：
0，45，90，135，180，225，270，315
基于上述的视觉绝对式转动角度测量装置，本实施例还提供一种视觉绝对式转动角度测量方法，如图3所示，所述测量方法包括如下步骤：
步骤1，标定所述测量装置获得标定数据，该标定数据包括每个灰度级别的灰度标识3的灰度质心坐标和对应的角度值；
当所述所述测量装置首次装配完成后，需要进行标定，标定过程中，需依据一个标准旋转角度测量装置，输出实际转动的角度值，作为真实转动值使用。具体地，标定所述测量装置获得标定数据的方法为：
步骤11，任意选择一个灰度标识3，并令其在CCD相机1拍摄视野中某位置处时设为转动零位，如图4所示；
步骤12，转动码盘2，令该灰度标识3在CCD相机1拍摄视野中完整穿越；并在该灰度标识3移动过程中，通过CCD相机1间隔拍摄图像In，并通过标准旋转角度测量装置获取拍摄图像In时刻对应的角度值(可设逆时针为正，顺时针转为负)；
步骤13，依次处理图像In：
(1)使用固定阈值将图像分割为二值图像，在二值图像中灰度标识3为白色区域，背景为黑色区域；
(2)计算白色区域数量，如果白色区域数量等于1，则直接选取该白色区域；如果白色区域数量大于1，计算每个白色区域的面积，当每个白色区域的面积差异大于等于设定值a时，则选取面积最大的白色区域，否则选取二值图像中最边缘处(最左侧或最右侧，每次选取准则必须一致)的白色区域；其中，a取值根据CCD相机1成像特点，凭借经验选取，保证能够正确识别灰度标识3是否完整即可；
(3)获取选取的白色区域中所有像素的图像坐标，并在原始图像上根据此图像坐标提取所有像素的灰度值，然后计算当前图像中灰度标识3的灰度质心坐标；
(4)记录当前图像中灰度标识3的灰度质心坐标和对应的角度值；
(5)重复步骤(1)～(4)处理完所有图像In，获得所有图像In中灰度标识3的灰度质心坐标和对应的角度值；
步骤14，对每个灰度标识3重复步骤11～步骤13，记录每个灰度级别的灰度标识3的灰度质心坐标和对应的角度值作为标定数据。该步骤14是因为码盘2上任意灰度标识3在图像上皆具有相同的运动轨迹，或产生的运动轨迹误差在允许范围内，通过该步骤14对每个灰度标识3单独进行标定，能够进一步提高测量精度，或弥补码盘2因微变形导致的标识运动轨迹不重合。
当标定完成后则进行步骤2～6的测量模式：
步骤2，通过CCD相机1拍摄一张图像；
步骤3，对CCD相机1拍摄的图像进行图像处理获得图像中灰度标识3的灰度质心坐标，并计算图像中灰度标识3的平均灰度值；该步骤对CCD相机1拍摄的图像进行图像处理获得图像中灰度标识3的灰度质心坐标的方法与标定过程一致，包括：(1)使用固定阈值将图像分割为二值图像，在二值图像中灰度标识3为白色区域，背景为黑色区域；
(2)计算白色区域数量，如果白色区域数量等于1，则直接选取该白色区域；如果白色区域数量大于1，计算每个白色区域的面积，当每个白色区域的面积差异大于等于设定值a时，则选取面积最大的白色区域，否则选取二值图像中最边缘处的白色区域；
(3)获取选取的白色区域中所有像素的图像坐标，并在原始图像上根据此图像坐标提取所有像素的灰度值，然后计算灰度质心坐标。
步骤4，根据图像中灰度标识3的平均灰度值确定该灰度标识3的灰度级别，进而获得该灰度标识3在标定数据中对应的角度值ang；
步骤5，根据图像中灰度标识3的灰度质心坐标，在标定数据中找到距离其最近的左侧灰度标识3pa和右侧灰度标识3pb；
步骤6，根据标定数据中左侧灰度标识3pa和右侧灰度标识3pb对应的角度值计算两者的夹角dela_ang，以及两者的角度比值b:c；
步骤7，使用线性插值估算实际转角pt，估算公式为：
pt＝pa对应的转角+dela_ang×b/(b+c)＝pb对应转角-dela_ang*c/(b+c)；
步骤8，计算当前绝对转角为ang+pt。
通过上述内容可以看出，本发明的视觉绝对式转动角度测量方法和装置具有如下有益效果：
1、本发明的测量装置仅需要使用工业级的CCD相机1即可，码盘2可以使用现代印刷技术，低成本快速印制，相较传统光栅，显著降低其制造工艺复杂度、加工时间和成本。
2、本发明的测量装置具有绝对定位能力，能直接获得当前位置距离零点位的角度。
3、本发明的测量装置码盘2上灰度标识3不一定基于玻璃基质量，更能适应金属等非透光材料，天然的高可靠性，具备抗冲击、振动能力。
4、本发明的测量装置具有极小的旋转角度测量分辨率，甚至连续测量能力，较传统光栅测量更精密。
5、本发明的测量装置加工安装精度皆较低，无需要求过高的同心、同轴、平面度等加工装配要求，适合批量化生产。
6、本发明的测量方法具有运算复杂度低的特定，能够进行高频测量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种视觉绝对式转动角度测量方法，其特征在于，采用的测量装置包括CCD相机和圆环状的码盘，所述码盘的中部通过连接转轴进行转动；
所述码盘的圆环上均匀分布有n个共圆的灰度标识，每个灰度标识的灰度值分别对应0-255灰度值区间内均匀间隔设定的n级灰度值；
所述CCD相机设置在码盘的上方，使其拍摄视野对准灰度标识，并在任意时刻其拍摄视野至少存在一个完整的灰度标识；
所述测量方法包括如下步骤：
步骤1，标定所述测量装置获得标定数据，该标定数据包括每个灰度级别的灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值；
步骤2，通过CCD相机拍摄一张图像；
步骤3，对CCD相机拍摄的图像进行图像处理获得图像中灰度标识的灰度质心坐标，并计算图像中灰度标识的平均灰度值；
步骤4，根据图像中灰度标识的平均灰度值确定该灰度标识的灰度级别，进而获得该灰度标识在标定数据中对应的角度值ang；
步骤5，根据图像中灰度标识的灰度质心坐标，在标定数据中找到距离其最近的左侧灰度标识pa和右侧灰度标识pb；
步骤6，根据标定数据中左侧灰度标识pa和右侧灰度标识pb对应的角度值计算两者的夹角dela_ang，以及两者的角度比值b:c；
步骤7，使用线性插值估算实际转角pt，估算公式为：
pt=pa对应的转角+dela_ang×b/(b+c)=pb对应转角-dela_ang*c/(b+c)；
步骤8，计算当前绝对转角为ang+pt。
2.根据权利要求1所述的视觉绝对式转动角度测量方法，其特征在于，步骤1中标定所述测量装置获得标定数据的方法为：
步骤11，任意选择一个灰度标识，并令其在CCD相机拍摄视野中某位置处时设为转动零位；
步骤12，转动码盘，令该灰度标识在CCD相机拍摄视野中完整穿越；并在该灰度标识移动过程中，通过CCD相机间隔拍摄图像In，并通过标准旋转角度测量装置获取拍摄图像In时刻对应的角度值；
步骤13，依次处理图像In：
(1)使用固定阈值将图像分割为二值图像，在二值图像中灰度标识为白色区域，背景为黑色区域；
(2)计算白色区域数量，如果白色区域数量等于1，则直接选取该白色区域；如果白色区域数量大于1，计算每个白色区域的面积，当每个白色区域的面积差异大于等于设定值a时，则选取面积最大的白色区域，否则选取二值图像中最边缘处的白色区域；
(3)获取选取的白色区域中所有像素的图像坐标，并在原始图像上根据此图像坐标提取所有像素的灰度值，然后计算当前图像中灰度标识的灰度质心坐标；
(4)记录当前图像中灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值；
(5)重复步骤(1)～(4)处理完所有图像In，获得所有图像In中灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值；
步骤14，对每个灰度标识重复步骤11～步骤13，记录每个灰度级别的灰度标识的灰度质心坐标和对应的角度值作为标定数据。
3.根据权利要求2所述的视觉绝对式转动角度测量方法，其特征在于，步骤3中对CCD相机拍摄的图像进行图像处理获得图像中灰度标识的灰度质心坐标的方法为：
(1)使用固定阈值将图像分割为二值图像，在二值图像中灰度标识为白色区域，背景为黑色区域；
(2)计算白色区域数量，如果白色区域数量等于1，则直接选取该白色区域；如果白色区域数量大于1，计算每个白色区域的面积，当每个白色区域的面积差异大于等于设定值a时，则选取面积最大的白色区域，否则选取二值图像中最边缘处的白色区域；
(3)获取选取的白色区域中所有像素的图像坐标，并在原始图像上根据此图像坐标提取所有像素的灰度值，然后计算灰度质心坐标。
4.根据权利要求1所述的视觉绝对式转动角度测量方法，其特征在于，相邻灰度标识的灰度值相差至少2级灰度值。
5.根据权利要求4所述的视觉绝对式转动角度测量方法，其特征在于，所述灰度标识为实心圆形。
6.根据权利要求5所述的视觉绝对式转动角度测量方法，其特征在于，n=8。
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