阅读说明：本技术 一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法 (Angular displacement visual measurement method based on absolute position rotary encoder ) 是由 雷经发 陈志强 孙虹 张淼 李永玲 刘涛 韦旺 何玉 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses an angular displacement visual measurement method of an absolute position rotary encoder, which adopts the absolute position rotary encoder with continuously changing edge height and proportional relation with angle, uses a laser pen to irradiate in parallel with the central shaft of the rotary encoder and make a laser point fall on the edge, then adopts a camera with known internal parameters to shoot from any angle, ensures that the laser point is completely shot, then uses image processing technology to obtain an image point of the laser point, then calculates the position of the laser point under a world coordinate system according to a system calibration result and a camera imaging model, and finally can convert the current rotary angular displacement of the rotary encoder according to the proportional relation. Compared with the prior art, the invention has the following advantages: the method can solve the problem of absolute angular displacement loss under the condition of power failure, and can provide a non-contact, high-resolution and high-precision angular displacement measurement scheme.)

一种基于绝对位置旋转型编码器的角位移视觉测量方法

技术领域

本发明涉及相机标定技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，并且本发明提供了一种非接触、高分辨率、高精度的角位移测量方案。

根据本发明的实施例，本发明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，α_u、α_v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，[r₁ r₂ r₃]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x_l，y_l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x_l，y_l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x_l，y_l的值，根据如下公式获取高度值：

令： 则得到：

因此求得光点的z_p值，其中，光点的z_p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°。

本发明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。本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明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，但本发明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，根据本发明的目的，搭建测量系统图像采集装置获取光点数据，本发明的图像采集装置包括一内部参数已知的相机，通过内部参数已知的相机拍取照片。

在本发明中，设计了一种边沿高度连续变化且与角度成正比关系的旋转型编码器，如图3所示，其边沿高度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，旋转型编码器旋转一圈为360°。

在本发明中，图像采集装置还包括一激光笔，用激光笔平行于旋转型编码器中心轴照射，且光点在测量过程中始终落在边沿上，如图4所示；

根据设计的编码器以及激光笔的光线建立这样的世界坐标系：原点O点与旋转型编码器底盘中心点共点，XY面与其底盘所在面共面，Z轴与光线平行，然后用内部参数已知的相机“面向”装置拍摄图片，整个系统结构如图5所示；

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。

在该步骤中主要是进行测量系统参数的标定，具体来说包括如下内容：

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标定参数，具体为：利用建立的系统与世界坐标系，先放置标定板，激光笔不工作，通过相机拍照根据相机线性成像模型来标定系统参数R、T，即如下式所示：

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，为3×3的矩阵，用张正友法事先标定得到R、T可描述相机坐标系与世界坐标系之间的关系，R代表两坐标系旋转关系，为3×3的矩阵，具体形式为：

其中，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；

T代表原坐标系原点在新坐标系下的位置，具体形式如下：

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x_l，y_l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横纵坐标x_l，y_l的值。

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下高度方向数据。

综合系统参数与光点世界坐标系下的坐标中x_l，y_l值的标定结果，测量时，放置旋转型编码器，激光笔工作，拍照并根据获取光点的像点坐标，根据如下方程可得出第二光点的z_p值；

令： 上述方程展开为：

因此求得第二光点的z_p值；

此时，光点的z_p值即为旋转型编码器旋转后当前光点所在边沿的高度值H。

在本发明的实施例中，第一光点像点坐标(u,v)和第二光点像点坐标(u₂,v₂)都对应于(x_l,y_l)，这是相机成像原理，某一个点在三维世界中是有(x_l,y_l,Z_l)的，但是相机拍到的图像坐标是二维的，丢失了Z_l值。同理，一个点在三维世界坐标中x,y值不变，仅变z值，光点z值改变前后，相机位置不变，拍到光点的图像坐标是有变化的，即从第一光点图像坐标(u,v)变到第二光点图像坐标(u₂,v₂)，在三维世界中，光点的Z值变了。

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。

在本步骤中，根据此时计算得到的z_p值即为旋转型编码器边沿上光点的高度，也即边沿高度H，因此，绝对角位移θ为：

实施例2

在标定系统参数时，具体方法如下：

步骤一、标定参数R、T值：

使用棋盘格的角点当作标定点，且在已建立的世界坐标系下，为方便定位标定点坐标，XY面根据棋盘格上横纵角点位置设定，如图5所示，因此各标定点坐标为(x_i,y_i,0)(i＝1,2,3,…,k)，对应的像点坐标为(m_i,n_i)，则相机线性成像方程可变为如下方程：

令：则有下式：

取若干标定点，即k≥4,先构造线性方程组用最小二乘法解出G矩阵，再结合R的列向量间关系(前文已说明)计算得到R、T，其中，构造的线性方程组如下：

步骤二、世界坐标系下光点坐标中x_l，y_l值标定如下：

取走棋盘格，放置旋转型编码器，其底盘中心与世界坐标系原点尽量重合，激光笔工作，取若干旋转型编码器角位移已知的位置，即光点在世界坐标系下坐标的z_l值已知，拍照片并经过图像处理获取其像点(m_l,n_l)，结合上述步骤一标定数据有下式：

令：

则有线性方程组：

据此标定出光点横纵坐标x_l，y_l的值。

本发明的角位移视觉测量方法将摄影技术运用到角位移测量中，先是设计一种边沿连续变化的绝对位置旋转型编码器，其边沿高度与角度成正比关系；再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，以形成光点；然后采用一台定标后的数字相机从任意角度拍摄，保证完整拍到光点即可；最后运用图像处理技术得到光点的像点并根据标定结果和相机成像模型解算出光点在世界坐标系下的位置，根据高度与角度的关系即可换算出旋转型编码器旋转的角位移。该方法可解决掉电再重启情况下基准零位置重新校准问题，且提供一种非接触、高分辨率、高精度的角位移测量方案。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。