CN104864809B - 一种基于视觉的位置检测编码靶标及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体以及设置于基体上的至少一排编码图案，每排编码图案对应于一组二进制伪随机数序列，其中，二进制伪随机数序列中的“0”和“1”分别对应彼此不相同的图案。还公开了一种基于视觉的位置检测系统，包括编码靶标、照明装置、图像采集装置、数据处理装置，其中，编码靶标上设置对应于二进制伪随机数序列的编码图案；所述照明装置用于为编码靶标照明；图像采集装置用于获取编码靶标上的编码图案信息；数据处理装置用于将图像采集装置采集到的编码图案信息译码成对应的二进制伪随机数，该二进制伪随机数对应一维空间绝对位置。该发明的编码靶标和系统具有位置测量精度高，位移分辨率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于位置检测传感器领域，具体涉及一种基于视觉的位置检测编码靶标及系统。
背景技术
传统上用于绝对式位置检测的传感元件，如码盘（轴角位移编码器）和码尺（直线位移编码器），都采用二进制对一维空间范围内的绝对位置进行编码，二进制的位数根据所需要的检测精度而定。传统的绝对位置检测元件主要采用格雷码（也称循环码或单位距离性码）进行编码以提高检测的鲁棒性，避免自然二进制码存在的相邻位置的读数示值突变可造成粗大测量误差的现象；另外，近年来，基于最大长度序列（即二进制伪随机数序列）的编码也被用于的绝对位置检测，但是，没有针对这种编码形式相应的硬件装置，采用这种序列表示的相邻位置的随机二进制编码的位值是随机变化的，容易造成读数示值突变的粗大测量误差。
以传统绝对位置检测元件格雷码码盘为例，首先根据检测精度的需要确定需要具有位数N的格雷码，然后采用光刻加工的方法在码盘上加工N条同心圆码道，采用透光和不透光的方法表示各位置处代码的“1”和“0”状态。在码盘上沿径向为每一码道设置有光电读数头，则共可表示2N个位置。而码尺是码盘沿周长展开的推广，即在直线尺上采用绝对编码来表示各位置，从而构成直线绝对编码器。码盘和码尺的基底材料一般是在具有良好环境稳定性的微晶玻璃，基于透光和不透光，采用发光二极管作为光源从码尺的一侧照射编码，而由另一侧光电三极管接收读出光信号，并由译码器给出绝对位置。
上述采用传统光电二极管和三级管的位置检测装置及检测方法存在明显的局限和缺点，具体如下：
1、位置的可测精度由刻录条纹宽度和光电元件的尺寸限制，不能充分有效利用码盘或码尺的空间，以实现更高精度的绝对位置检测。
2、由于工艺水平的限制，传统绝对位置检测技术的检测精度已趋向极限；而采用二进制伪随机数编码的方法还可能存在读数示值突变的粗大测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于视觉的位置检测编码靶标及系统，解决了现有技术中绝对位置检测装置及方法检测精度低的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体以及设置于基体上的至少一排编码图案，每排编码图案对应于一组二进制伪随机数序列，其中，二进制伪随机数序列中的“0”和“1”分别对应彼此不相同的图案。
所述二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色长方形图案，“0”对应白色长方形图案。
所述二进制伪随机数序列中的“1”对应黑色条状图案，“0”对应两个上下排列的黑色条状图案。
所述二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色圆圈图案，“0”对应黑色空心圆圈图案。
所述机体上均匀设置四排编码图案。
所述基体采用微晶玻璃、殷钢或复合材料。
所述基体为方形、长条形、圆柱形或可弯曲长条形。
一种基于视觉的位置检测系统，包括编码靶标、照明装置、图像采集装置、数据处理装置，其中，编码靶标上设置对应于二进制伪随机数序列的编码图案；所述照明装置用于为编码靶标照明；图像采集装置用于获取编码靶标上的编码图案信息；数据处理装置用于将图像采集装置采集到的编码图案信息译码成对应的二进制伪随机数，该二进制伪随机数对应一维空间绝对位置。
所述图像采集装置为CCD相机。
所述照明装置设置于编码靶标的前面、后面或侧面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用二进制伪随机数编码的区别只是编码为一排序列，任意连续的N位是唯一的，可表示唯一的绝对位置。
2、采用不同图案代表二进制伪随机数编码中的“1”和“0”，做成靶标形式，并且采用照明装置对靶标图案进行照明，使得图像采集装置更容易采集到靶标图案。
3、在多种基体上设置图案，具有抗环境因素影响和偶然因素影响的鲁棒性，以及避免粗大误差的可靠性。
4、由于靶标图案具有已知尺寸和基体材料具有良好的环境稳定性，并采用冗余设计思想，使得CCD相机本身无需标定，节省系统准备的时间，从而使本发明具有位置测量精度高，位移分辨率高的特点。
5、采用照明模块将编码靶标照明，使得标靶图案更清晰，图像采集装置更容易采集到清晰地图案，提高了准确率及精度。
附图说明
图1为二进制“1”和“0”均采用长条形图案表示的靶标结构示意图。
图2为二进制“1”采用长条形、“0”采用两个方块形图案表示的靶标结构示意图。
图3为二进制“1”和“0”均采用圆形图案表示的靶标结构示意图。
图4为二进制“1”采用长条形、“0”采用两个长条形图案表示的靶标结构示意图。
图5为多排编码图案的靶标结构示意图。
图6为基于视觉的位置检测系统前照式示意图。
图7为基于视觉的位置检测系统背照式示意图。
其中，图中的标识为：1-编码靶标；2-基体；3-二进制“1”对应的图案；4-二进制“0”对应的图案；5-数据采集装置；6-数据处理装置；7-照明装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。
一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体2以及设置于基体2上的至少一排编码图案，每排编码图案对应于一组二进制伪随机数序列，其中，二进制伪随机数序列中的“0”和“1”分别对应彼此不相同的图案。
所述二进制“1”对应的图案3和二进制“0”对应的图案4可以为不同颜色的两种图案，或者不同形状的两种图案，以能够区别出两种图案为基准，例如，可以选择不同灰度相同形状的两种图案，选择不同颜色相同形状的两种图案，相同颜色不同形状的两种图案，对应于二进制“1”和二进制“0”的两种图案不局限于有限的规则几何形状，还可以选择不规则的形状。只要图案的一个属性不一样，能够区分出两种图案的差别即可，从图案的亮度、色度、灰度、分辨率等均能够区别。
所述基体采用具有良好环境稳定性的材料制成，如具有极小热膨胀系数的微晶玻璃、殷钢或复合材料。编码靶标图案可采用蚀刻、喷涂、电镀、打印、粘贴等多种方式设置于基体上，以使得靶标图案不容易脱落或磨损。靶标图案的形状、尺寸和间距根据具体的安装需求，实施空间等预先设定。
所述基体为方形、长条形、圆柱形或可弯曲长条形。
一种基于视觉的位置检测系统，如图6、图7所示，包括编码靶标1、照明装置7、图像采集装置5、数据处理装置6，其中，编码靶标为以下具体实施例中的任意一种，编码靶标上设置对应于二进制伪随机数序列的编码图案；所述照明装置用于为编码靶标照明；图像采集装置用于获取编码靶标上的编码图案信息；数据处理装置用于将图像采集装置采集到的编码图案信息译码成对应的二进制伪随机数序列，该二进制伪随机数序列对应一维空间绝对位置。
本发明以数据采集装置为CCD相机，数据处理装置为计算机为例，并结合具体的实施例说明编码靶标的结构、基于该编码靶标的系统组成以及系统工作原理，其中，图6、图7中编码靶标上的黑色方框的范围内为CCD相机的视场范围，照明范围只要能覆盖视场范围即可。
该检测系统的工作原理如下：
二进制伪随机数序列具有2N-1位，其中，N为二进制伪随机数的位数，采用适当方式对CCD相机成像视场内的靶标图案进行照明，然后由CCD相机对靶标编码进行成像。由于靶标图案具有已知的宽度和间距，宽度和间距根据具体的安装需求，实施空间等预先设定。图像像素和实物尺寸之间具有直接对应关系，因此CCD相机本身无需标定。成像视场要大于N位二进制伪随机数对应靶标图案所占的区间。这就意味着加工有靶标的基体在其长度范围内无论移到何处，CCD相机总能“看到”一个N位二进制数编码靶标图案，且该二进制数是唯一的，并对应唯一的一维空间位置；靶标图案的图像传输到计算机，由计算机进行编码识别，翻译为对应的唯一的二进制数，因此即可得到对应的唯一的一维空间位置，完成一维绝对位置的检测。
计算机对编码图案的图像进行译码的方法如下：因为只有表示“1”和“0”的两种图案，因此，首先对获取的图像进行二值化处理，然后对图像中的图案逐一进行模式识别，即可译码。
更简单的方法是：由于两种图案具有不同的灰度，因此可以根据它们的灰度值进行译码识别。这样，通过逐一识别单元编码，即可得知CCD相机视场图像中固定区间内的连续的N位二进制数，即对应了一维绝对空间位置。这样确定的位置的位移分辨率仅为靶标图案间距。
更精确的位置采用如下方法进行确定：根据CCD相机获取的靶标编码图像的灰度计算图像的重心位移，运用这种方法，对应位置检测的位移分辨率可达亚像素水平，从而可以得到更精密的微米级位置精度。
根据安装配置条件，对靶标图案的照明方式可以采用反射式、前照式或背照透射式。所述照明装置设置于编码靶标的前面、后面或侧面，其中，图6中的照明装置设置于基体的前面，采用前照式照明方式，图7中的照明装置设置于基体的后面，采用背照式照明方式。照明装置可以为LED灯等只要能够将编码靶标照亮即可，照明装置的亮度、色温、光强等参数可以根据具体的工作环境或具体的技术要求确定。
在图7中，在可透光的具有良好环境稳定性的基体上加工有基于二进制伪随机数编码的、具有已知宽度和间距的靶标图案，照明光源采用背照透射的方式对CCD相机视场范围内的靶标图案进行照明，由CCD相机对靶标图案进行成像，并通过电缆传输到计算机进行图像处理、靶标编码译码、最后得到一维绝对位置。
本发明编码靶标的具体结构分析如下：
具体实施例一，
如图1所示，一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体2以及设置于基体2上的一排对应于一组二进制伪随机数序列的编码图案，其中，二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色长方形图案，“0”对应黑色边框的白色长方形图案。相邻两个图案之间具有已知的宽度和间距，并且相邻两个图案之间的间距相等；由于黑色和白色具有最大的对比度，因此，图像采集装置采集的时候容易识别，拍出的图片清晰度高，对比度高。
具体实施例二，
如图2所示，一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体2以及设置于基体2上的一排对应于一组二进制伪随机数序列的编码图案，其中，二进制伪随机数序列中的“1”对应黑色条状图案，“0”对应两个上下排列的黑色条状图案。这种形式的靶标图案和图1中所示的图案相比较，该实施例的图案更便于加工制造。
具体实施例三，
如图3所示，一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体2以及设置于基体2上的一排对应于一组二进制伪随机数序列的编码图案，其中，二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色圆圈图案，“0”对应黑色空心圆圈图案,这种图案的靶标与图1中的靶标图案形状不同，结果一样，但是这种图案的靶标的宽度可以适当变小，体积可相应做小。
具体实施例四，
如图4所示，一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体2以及设置于基体2上的一排对应于一组二进制伪随机数序列的编码图案，其中，基体的宽度相对比前几种可以做的更宽，二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色窄长条状图案，“0”对应两个上下排列的黑色窄长条状图案。
具体实施例五，
为了提高鲁棒性，可采用冗余设计思想，如图5所示，一种基于视觉的位置检测编码靶标，包括基体2以及设置于基体2上的至少一排编码图案，每排编码图案对应于一组二进制伪随机数序列，该实施例采用4排相同的编码图案，每排图案中，二进制伪随机数序列中的“0”和“1”分别对应的图案与图3中的图案一样，即，“1”对应实心黑色圆圈图案，“0”对应黑色空心圆圈图案。
设计有多行同样的图案靶标序列图案。即使在靶标图案局部有遮挡、有缺陷时，仍能对靶标图案进行成功译码，并得到足够好的灰度曲线，从而得到精确的绝对位置。
上述一维绝对位置检测方法可以推广应用到角位移的绝对检测。 将上述靶标编码图案加工于可弯曲的基体材料上，然后安装于具有良好环境稳定性的圆盘基体的柱面上，或直接在圆盘的柱面上加工靶标编码图案，采用上述同样的方法，但需在CCD相机前添加将柱面目标校正为平面图像的光学系统，使得数据处理装置仍然获得靶标图案的平面图像，进而检测得到圆盘的切向位移，然后根据圆盘半径换算得到圆盘的角位移。
本发明将视觉技术应用于绝对位置测量，原理清晰明了，方法新颖有效；由于靶标图案具有已知尺寸和基体材料具有良好的环境稳定性，并采用冗余设计思想，使得CCD相机本身无需标定，节省系统准备的时间，从而使本发明具有位置测量精度高，位移分辨率高的特点，并且具有抗环境因素影响和偶然因素影响的鲁棒性，以及避免粗大误差的可靠性。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于视觉的位置检测编码靶标，其特征在于：包括基体以及设置于基体上的至少一排编码图案，每排编码图案对应于一组二进制伪随机数序列，其中，二进制伪随机数序列中的“0”和“1”分别对应彼此不相同的图案；所述基体采用微晶玻璃、殷钢或复合材料，所述基体为方形、长条形或圆柱形；在多种基体上设置图案，具有抗环境因素影响和偶然因素影响的鲁棒性，以及避免粗大误差的可靠性。
2.根据权利要求1所述的基于视觉的位置检测编码靶标，其特征在于：所述二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色长方形图案，“0”对应白色长方形图案。
3.根据权利要求1所述的基于视觉的位置检测编码靶标，其特征在于：所述二进制伪随机数序列中的“1”对应黑色条状图案，“0”对应两个上下排列的黑色条状图案。
4.根据权利要求1所述的基于视觉的位置检测编码靶标，其特征在于：所述二进制伪随机数序列中的“1”对应实心黑色圆圈图案，“0”对应黑色空心圆圈图案。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于视觉的位置检测编码靶标，其特征在于：所述基体上均匀设置四排编码图案。
6.一种基于视觉的位置检测系统，其特征在于：包括编码靶标、照明装置、图像采集装置、数据处理装置，其中，编码靶标上设置对应于二进制伪随机数序列的编码图案；所述照明装置用于为编码靶标照明；图像采集装置用于获取编码靶标上的编码图案信息；数据处理装置用于将图像采集装置采集到的编码图案信息译码成对应的二进制伪随机数，该二进制伪随机数对应一维空间绝对位置。
7.根据权利要求6所述的基于视觉的位置检测系统，其特征在于：所述图像采集装置为CCD相机。
8.根据权利要求6所述的基于视觉的位置检测系统，其特征在于：所述照明装置设置于编码靶标的前面、后面或侧面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |