一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法技术

本发明专利技术公开了一种绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，该方法采用边沿高度连续变化且与角度成正比关系的绝对位置旋转型编码器，用激光笔平行于旋转型编码器中心轴照射并使得激光点落在边沿上，然后采用一台已知内部参数的相机从任意角度拍摄，保证完整拍到激光点即可，接着运用图像处理技术得到激光点的像点，再根据系统标定结果和相机成像模型解算出激光点在世界坐标系下的位置，最后根据比例关系即可换算出当前此旋转型编码器旋转的角位移。本发明专利技术相比现有技术具有以下优点：该方法能够解决掉电情况下绝对角位移丢失情况，且可提供一种非接触、高分辨率、高精度的角位移测量方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法
本专利技术涉及相机标定
，尤其涉及一种绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法。
技术介绍
编码器是一种通过用一定规律的编码去分割空间位置从而将物理信号转换为可以通讯、传输和存储的电信号的角位置传感测量装置，其可以用来测量角位移或直线位移，前者称为码盘，后者称为码尺。将编码器与计算机和显示装置连接后即可实现动态测量与实时控制，编码器具有结构简单、分辨率高、精度高、易于维护等优点，被广泛应用于国防、航天航空、机器人、数控及数显系统等诸多领域中，有着重大应用价值。根据工作原理的区别，传统的编码器可分为增量式和绝对式两种类型。增量式编码器的码盘编码间隔均匀，原理是相对于基准零位置对采集到的脉冲信号进行累计，正转则加，反转则减，其结构简单、响应迅速，但是掉电后再启动需要重新校准基准零位置，且累计过程也容易引入累计误差。绝对式编码器将码盘分为若干扇形区间，每个扇形区间对应唯一编码，因此掉电后再启动无需重新标定，具有抗干扰能力强等优点，但扇形区域的数量限制了其测量角位移的分辨力，且其制造工艺复杂，影响了其应用范围。另一方面，两种编码器的工作方式都需要辅助设备将光电脉冲信号转换为编码信息进行测量，一是分辨率都会有所限制，二是增加了繁琐的设备安装过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，以解决掉电再重启情况下基准零位置重新校准的技术问题，并且本专利技术提供了一种非接触、高分辨率、高精度的角位移测量方案。根据本专利技术的实施例，本专利技术提出了一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，该方法包括如下步骤：步骤S1.构建基于预先设计的绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量世界坐标系，并采用图像采集装置获取高度值已知的第一光点数据；步骤S2.已知Z坐标的第一光点通过最小二乘法拟合得到像点坐标(u,v)，以此对第二光点数据进行标定解算出其在世界坐标系XY平面中的坐标；步骤S3.通过最小二乘法拟合出第二光点的像点坐标(u2,v2)，结合标定结果计算出第二光点在世界坐标系高度方向数据；步骤S4.根据高度与角度的比例关系换算成旋转型编码器的绝对角位移完成测量。优选的，所述预先设计的绝对位置旋转型编码器具体为边沿高度连续变化且与角度成正比关系的旋转型编码器，其中，边沿高度H与角度θ之间关系如下：式中，h1是旋转型编码器边沿最低处的高度，其对应的最大角度为θ1，h2是其边沿最高处的高度，其对应最小角度为θ2。优选的，所述世界坐标系具体为：世界坐标系的原点O点与旋转型编码器底盘中心点共点，世界坐标系的XY面与旋转型编码器底盘所在面共面，Z轴与光线平行。优选的，所述采用图像采集装置获取高度值已知的第一光点数据具体为，采用激光笔平行于旋转型编码器中心轴照射且使激光点始终落在边沿上，以形成第一光点数据，其中所述第一光点数据的高度值已知。优选的，所述步骤S2具体包括：步骤S201.通过获取到高度值Z已知的第一光点数据根据线性成像模型来标定参数R、T，如下式：式中，ρ为比例因子，[x,y,z,1]T为标定板上标定点在世界坐标系下的齐次坐标；[m,n,1]T为标定点像点的齐次坐标；K为相机的内部参数，其中，αu、αv分别为图像u、v轴上的尺度因子或称为归一化焦距；u0、v0为图片的几何中心；其中，[r1r2r3]为R的列向量，满足如下关系：式中，“||||2”表示向量的模，“·”表示向量内积；步骤S202.通过构造线性方程组根据标定结果和相机成像模型对第二光点进行标定并解算出在世界坐标系XY平面下的横纵坐标xl，yl值，如下式所示：令：得到线性方程组：根据上式标定出第二光点的横纵坐标xl，yl的值。优选的，所述通过最小二乘法拟合出第二光点像点坐标(u2,v2)，结合标定结果计算出第二光点在世界坐标系下高度方向数据，具体为，基于所述横纵坐标xl，yl的值，根据如下公式获取高度值：令：则得到：因此求得光点的zp值，其中，光点的zp值即为旋转型编码器旋转后的第二光点所在边沿的高度值H。优选的，所述根据高度与角度的比例关系换算成旋转型编码器的绝对角位移完成测量，包括根据得到的高度H得到绝对角位移θ为：优选的，所述图像采集装置包括一内部参数已知的相机。所述图像采集装置还包括一激光笔，以用于平行于旋转型编码器中心轴照射获取光点数据。优选的，所述旋转型编码器旋转一圈为360°。本专利技术相比现有技术具有以下优点：图像处理目标明确，像点的获取简单，快速，因仅需获取激光点的图像坐标，因此图像处理简单不需要复杂的算法，因而速度快，可实现实时测量；绝对位置旋转型编码器的边沿高度是连续变化的，因此具有很高的角位移测量分辨率且掉电后不会丢失绝对角位移；将摄影技术运用于角位移测量，且标定一次无需重新标定，一降低了设备的要求，二是提供了非接触式的测量方法，对物体的干扰减小；整个过程算法简单，降低了计算设备的要求。本专利技术提出的基于单目视觉的绝对位置旋转型编码器角位移测量方法与已有方法相比，具有非接触、高分辨率、标定简单、绝对位置、高精度的特性，有很大的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术提出的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法流程图；图2为本专利技术提出的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法结构示意图图3为本专利技术提出的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法坐标系示意图；图4为本专利技术提出的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法一实施例图；图5为本专利技术提出的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法又一实施例图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1在Windows操作系统中通过MATLAB平台用M语言编程实现了绝对位置旋转型编码器角位移测量操作。应用本方法进行绝对位置旋转型编码器角位移测量主要包括设计绝对位置旋转型编码器且激光笔与编码器垂直并建立世界坐标系、用内参已知的相机拍摄并标定系统以及光点的在世界坐标系下的横纵坐标值、提取光点的像点并进行光点世界坐标系下高度值测量、根据高度与角度的比例关系换算成旋转型编码器的绝对角位移完成测量四个操作步骤，具体步骤如下(步骤中未标明的单位都以毫米为单位)：步骤S1、构建基于预先设计的绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量世界坐标系，并采用图像采集装置获取高度值已知的第一光点数据。在本步骤中，根据本专利技术的目的，搭建测量系统图像采集装置获取光点数据，本专利技术的图像采集装置包括一内部参数已知本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n步骤S1.构建基于预先设计的绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量世界坐标系，并采用图像采集装置获取高度值已知的第一光点数据；/n步骤S2.已知Z坐标的第一光点通过最小二乘法拟合得到像点坐标(u,v)，以此对第二光点数据进行标定解算出其在世界坐标系XY平面中的坐标；/n步骤S3.通过最小二乘法拟合出第二光点像点坐标(u

【技术特征摘要】
1.一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤S1.构建基于预先设计的绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量世界坐标系，并采用图像采集装置获取高度值已知的第一光点数据；
步骤S2.已知Z坐标的第一光点通过最小二乘法拟合得到像点坐标(u,v)，以此对第二光点数据进行标定解算出其在世界坐标系XY平面中的坐标；
步骤S3.通过最小二乘法拟合出第二光点像点坐标(u2,v2)，结合标定结果计算出第二光点在世界坐标系高度方向数据；
步骤S4.根据高度与角度的比例关系换算成旋转型编码器的绝对角位移完成测量。


2.根据权利要求1所述的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，所述预先设计的绝对位置旋转型编码器具体为边沿高度连续变化且与角度成正比关系的旋转型编码器，其中，边沿高度H与角度θ之间关系如下：



式中，h1是旋转型编码器边沿最低处的高度，其对应的最大角度为θ1，h2是其边沿最高处的高度，其对应最小角度为θ2。


3.根据权利要求2所述的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，所述世界坐标系具体为：世界坐标系的原点O点与旋转型编码器底盘中心点共点，世界坐标系的XY面与旋转型编码器底盘所在面共面，Z轴与光线平行。


4.根据权利要求3所述的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，所述采用图像采集装置获取高度值已知的第一光点数据具体为：采用激光笔平行于旋转型编码器中心轴照射且使激光点始终落在边沿上，以形成第一光点数据，其中所述第一光点数据的高度值已知。


5.根据权利要求4所述的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，所述图像采集装置包括一内部参数已知的相机。


6.根据权利要求5所述的基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S201.通过获取到高度值Z已知的第一光点数据根据线...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷经发，陈志强，孙虹，张淼，李永玲，刘涛，韦旺，何玉，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34