[发明专利]基于图像处理的高精度小型光电角度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光电角度传感器领域，具体涉及一种基于图像处理的高精度小型化光电角度传感器。

背景技术

光电角度传感器具有广阔的市场需求，其应用领域遍及各行各业，光电角度传感器的发展趋势是更高精度、更小型化和更智能化。根据精度要求的不同，光电角度传感器的生产方式也不相同，精度较低的光电角度传感器可以大批量的进行生产，而高精度的角度传感器产量不高，特殊应用场合还需要定制。高精度的角度传感器生产过程中需要进行精密装调，因此成品率不高。常见的测量轴系转动的角度传感器具有码盘和光学探测器，通过测量其间的相对运动，确定轴系的旋转角度，光学探测器可以是线阵或面阵CCD或CMOS，码盘通常为圆盘或圆环，码盘刻有编码，用于光学探测器读取，确定旋转角度。码盘刻画的精密程度严重影响整个角度传感器的精度，而码盘刻画的工艺水平是有限的，这使得角度传感器的精度受到限制，高精度的角度传感器难于加工和装调，因此带来了产量不高，成品率不高，维护费用高，周期长的特点。现有技术中，为了提升角度传感器的精度，往往通过电子细分或改变码盘编码方式来实现，但都存在码盘加工工艺要求高的技术瓶颈，而且精密装调困难。

发明内容

为了解决现有光电角度传感器存在的精度低、加工和装调难、不能批量生产的技术问题，本发明提供一种基于图像处理的高精度小型化光电角度传感器。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于图像处理的高精度小型光电角度传感器包括：光电探测器、光学成像镜头组、合作靶标、放大镜头和图像处理器；合作靶标上刻画有由精码和粗码组成的合作靶标图案，在合作靶标上刻画的精码直线与指向合作靶标中心的向心线之间成固定角度，使得旋转过程中精码直线方向与光电探测器靶面的像元排列方向之间的夹角大于1度，在合作靶标上采用基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式刻画粗码；合作靶标固定在轴系的旋转轴上，光电探测器、光学成像镜头组、放大镜头均固定在轴系的固定端上，光电探测器与图像处理器连接；光源发出的光照射在合作靶标图案上，经过合作靶标图案反射后的光射入放大镜头，经过放大镜头的放大后射入光学成像镜头组，经过光学成像镜头组后合作靶标图案在光电探测器上清晰成像；旋转轴进行转动时合作靶标图案与光学成像镜头组产生相对运动，进而合作靶标图案在光电探测器上的成像随之变化，光电探测器将实时的图像传送给图像处理器，图像处理器通过图像处理的方法判断合作靶标的旋转角度，并将计算出的实时旋转角度输出。

采用基于图像的编码识别、多码组合、按位累加的方式刻画粗码，当需分辨2ⁿ条精码线时，需要将n位信息刻画在合作靶标上，得到精码的绝对位置，刻画方式有两种：一种为一维编码刻画方式，即采用二进制编码方式，实现n位表示；另一种为二维编码刻画方式，即采用按照码在图像上的不同位置来判断位数和数值的方式。

本发明不采用传统码盘上高精度高密度的刻码道的方式作为评估图像进行角度旋转测量，比如，为了达到0.5〞测量精度，传统编码器需要刻画3万多条线，而本发明仅需刻画256条线即可达到0.5〞的精度要求，合作靶标图案由精码和粗码组成，以合作靶标图案的位移信息数值经过光学放大作为测量值的精码，实现高精度的角度测量，粗码用于区分精码的绝对位置。在合作靶标测量过程中采用高效的图像细分算法，能够将光电探测器探测到的合作靶标图案的成像进行细分，照明成像条件优质，从而达到更高精度的角度测量计算；用于计算粗码和精码的合作靶标图像数据可以采用同一个面阵图像传感器接收，也可以采用多个面阵图像传感器分别接收，光电探测器探测到的图像数据量较大（如采用1024×1024，8bit的CMOS传感器，帧频50Hz），需要采用高速图像处理器，可以采用FPGA或DSP或多核处理器或嵌入式GPU处理系统来完成。测量的瞬时角度由光电探测器的中心线与精码的成像之间的相对位置关系来确定，精码的绝对位置由粗码来确定。

本发明的光学系统为由放大镜头构成的光学放大系统，本发明是采用光学成像镜头组的成像方式，合作靶标的照明是采用反射式或透射式照明方式，而不是采用自发光的设计，而且本发明的光电角度传感器接收的是图像信息，不是单纯的能量信息，本发明中合作靶标的精码上刻有绝对编码作为粗码，用于精码的区分。本发明精码根据粗码进行绝对位置确定，计算光电探测器中心线指向与精码间的位置关系，无需参考图案，而利用精码本身在光电探测器上的截距移动以及其与光电探测器参考线间的相对位置关系来计算当前角度，与传统的统计学方法来根据参考图案判断角度不一致，本发明可以用更少的编码刻画达到更高的角度测量精度。