【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量方法及装置，属于光电角位移测量。
技术介绍
1、图像式角位移测量技术在光电测量领域起着至关重要的作用。航空航天军用领域、精密机械等工业
的飞速发展，不仅要求其兼具高精度与高分辨力，同时还对其成本、设备操作难易程度、抗干扰能力有更高要求。当前图像式角位移测量装置核心元件是光栅码盘，该种装置通常由一个光源、光栅码盘、图像传感器以及信号处理部分组成。在工作时，光源照射在刻有一定图案的光栅码盘上，当系统旋转运动时，码盘图案相应地呈现一定规律的变化，图像传感器与码盘紧贴放置，通过捕获视野中前后变化的局部编码图样，对角度进行解码处理。
2、当前图像式光栅角位移测量装置中的光栅码盘大多采用黑白刻线方式，也就是0-1两个变量因子的编码，图像传感器大多采用ccd/cmos，因其成像面小，所以码盘通常采用单圈刻划，这制约了码盘编码分辨力的进一步提高，且光栅盘大多是基于玻璃材质进行透光、不透光的周向刻划，这又增加了制作成本。而光源也大多采用点或平行光源，受其漫反射和光线折转因素影响，导致图像传感器获取的光栅码盘黑白图样产生误差，同时该装置要求传感器与码盘装调间距较小，装置工作过程中，如受光栅盘尘埃污垢、旋转系统的震动、偏摆等，也都会影响成像，进而导致测量误差加大，抗干扰能力也较弱。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有图像式光栅角位移测量装置的光栅码盘仅采用黑白刻线方式，受图像传感器感光成像面小的制约使编码仅为单一的单圈编码，
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置，该装置由步进电机、圆形码盘、激光光源、高速ccd摄像机和pc端组成；
4、所述步进电机与圆形码盘的背部中心相连，步进电机的轴承转动带动圆形码盘的转动；激光光源与高速ccd摄像机放置于圆形码盘的正前方，其中，高速ccd摄像机与步进电机和圆形码盘中心同轴放置，且与pc端连接；激光光源发出激光垂直入射在圆形码盘正面的码盘外圈rgb色块上，形成激光圆形光斑，即作为目标检测点；当步进电机旋转，由高速ccd摄像机对圆形码盘进行实时拍摄获取带有目标检测点的码盘图像信号；高速ccd摄像机实时拍摄保存该图像信号并上传至pc端，pc端进行旋转角度信息的具体解调。
5、所述圆形码盘根据矩阵码编码排布，其表面为两圈以一定顺序分布的色块；内圈为三个120°的rgb扇形依次分布；外圈为30°的rgb扇形以内圈红色色块为起始点，顺时针按照红色、绿色、蓝色、绿色、蓝色、红色、蓝色、绿色、红色、绿色、红色、蓝色的顺序依次排列。
6、所述激光光源的波段为可见光或红外波段，高速ccd摄像机能接收波段为可见光波段或由可见光拓展到红外波段，高速ccd摄像机波段与激光光源波段匹配。
7、所述的基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：
8、步骤1、搭建测量装置；
9、将步进电机的轴承与圆形码盘中心相连，二者做同步旋转运动；激光光源与高速ccd摄像机放置于圆形码盘的正前方，其中，高速ccd摄像机与步进电机和圆形码盘中心同轴放置，且与pc端连接；激光光源对准圆形码盘最外圈色块放置，发出光线垂直入射在圆形码盘的外圈色块上，形成激光圆形光斑，即作为目标检测点；
10、步骤2、图像预处理；
11、将高速ccd摄像机设置在圆形码盘前方对其进行拍摄，将拍摄到的带有目标检测点的圆形码盘的图像上传到pc端，在pc端逐帧进行处理；首先，进行图像预处理以减少背景干扰信息；图像预处理通过采用自适应中值滤波法去除带有目标检测点的码盘图像背景的无用噪声；再对滤波后的图像二值化处理，通过采用迭代法选取阈值，进而实现图像的二值化分割；最后对二值化处理后的带有目标检测点的图像去除斑点噪声；
12、步骤3、目标点中心坐标检测；
13、测量旋转角度，即转化为求取目标检测点所移动角度，也就是圆形码盘动态旋转背景下的目标检测点旋转角位移检测；首先，利用霍夫变换法确定光源目标检测点的中心；通过从图像的边缘信息中识别出圆形，并估算其中心和半径；利用霍夫梯度法确定目标检测点的中心坐标；
14、步骤4、求解粗码角度；
15、确定目标检测点的中心坐标后，在动态背景下跟踪目标，获得此时圆形码盘外圈上检测点所在的色块颜色信息；再由检测点向圆形码盘质心位置探索，得到相对应内圈的色块颜色信息；而后，以圆形码盘的质心和检测点中心连线为半径拟合圆为探索轨迹，检测点向圆形码盘外圈色块的两边探索，得到检测点相邻两边的色块颜色信息；最终通过检测点所在的外圈色块颜色、内圈色块颜色、相邻两边色块颜色信息确定绝对位置，此时通过查找编码表得到的绝对角度即为粗码角度；
16、粗码角度θ1计算公式为：
17、θ1＝n×30°(一)
18、其中，n为检测点经过的色块数；
19、步骤5、求解精码角度并进行角度细分；
20、根据每个目标点中心的坐标和旋转中心坐标的夹角来推算装置旋转的角位移；利用相机对目标检测点采集的两帧之间的像素信息，以及在装置旋转探寻跟踪目标检测点始末轨迹的工作过程中，利用始末位置间的帧率数l和相机采集的每帧图像信息，来计算求取精码角度θ2；
21、精码角度θ2计算公式为：
22、θ2＝l*ψ (二)
23、ψ＝δ/f (三)
24、其中，ψ为高速ccd摄像机的两帧间的分辨角度，δ为ccd像元尺寸，f为ccd镜头焦距；
25、利用插值、拟合等数学手段对采集的图像信息进行亚像素细分，可进一步求取细分角度θ3；
26、步骤6、求解最终角度；
27、结合步骤4、5得出的最终角度θ输出为：
28、θ＝θ1+θ2+θ3(四)
29、步骤7、角度校正；
30、系统旋转工作时，目标检测点中心坐标理想的运动路径应为一个标准的圆形轨迹，采取基于最小二乘法的椭圆拟合技术，对利用实际采集图像信息计算获得的各个目标检测点及坐标进行最小二乘拟合，通过与标准圆轨迹进行离散点的一一映射，实现对每个角度点轨迹的修正。
31、本专利技术的有益效果是：
32、1、本专利技术涉及一种基于双圈rgb三变量的彩色编码的圆形码盘，利用3d打印技术实现码盘的低成本制作，结合机器视觉技术使用高速ccd摄像机实现了视觉型彩色编码角位移的绝对测量，突破了传统图像式光栅式角位移测量方法受限单圈、0-1编码的现状。
33、2、本专利技术结构上突破传统图像式光栅角位移测量装置图像传感器与码盘紧贴放置的限制，设置激光光源对准圆形码盘最外圈彩色编码色块，高速ccd摄像机与码盘中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置，其特征是，该装置由步进电机(1)、圆形码盘(2)、激光光源(3)、高速CCD摄像机(4)和PC端(5)组成；
2.根据权利要求1所述的基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置，其特征在于，所述圆形码盘(2)根据矩阵码编码排布，其表面为两圈以一定顺序分布的色块；内圈为三个120°的RGB扇形依次分布；外圈为30°的RGB扇形以内圈红色色块为起始点，顺时针按照红色、绿色、蓝色、绿色、蓝色、红色、蓝色、绿色、红色、绿色、红色、蓝色的顺序依次排列。
3.根据权利要求1所述的基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置，其特征在于，所述激光光源(3)的波段为可见光或红外波段，高速CCD摄像机(4)能接收波段为可见光波段或由可见光拓展到红外波段，高速CCD摄像机(4)波段与激光光源(3)波段匹配。
4.根据权利要求1所述的基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置的测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置，其特征是，该装置由步进电机(1)、圆形码盘(2)、激光光源(3)、高速ccd摄像机(4)和pc端(5)组成；
2.根据权利要求1所述的基于彩色编码成像的高分辨力角位移绝对测量装置，其特征在于，所述圆形码盘(2)根据矩阵码编码排布，其表面为两圈以一定顺序分布的色块；内圈为三个120°的rgb扇形依次分布；外圈为30°的rgb扇形以内圈红色色块为起始点，顺时针按照红色、绿色、蓝色、绿色、...
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