二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，包括二维绝对位置编码板，编码成像相机和基于LabVIEW的编码图像处理系统三部分，编码成像相机对成像区域内的二维编码图案进行成像；基于LabVIEW的编码图像处理系统主要实现功能有：相机参数设置与图像采集、图像对准误差参数识别、偏转角测量、位移译码与细分、误差补偿修正及平面位移与偏转角测量结果。本发明专利技术将二维绝对位置编码板固定在三自由度运动平台上，三自由度运动平台在平面内的位移与偏转和工业相机检测区编码图像一一对应，通过基于LabVIEW的编码图像处理系统解调图像信息实现二维绝对位置以及偏转角度的三自由度运动的精密测量。

【技术实现步骤摘要】
二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统
本专利技术涉及精密测量系统领域，具体是一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统。
技术介绍
三自由度运动平台包括X、Y方向的运动和旋转，是机械加工、光学调整等工程应用中典型的结构，三自由度运动平台的位移测量与控制一般通过光栅传感器的方式实现，即在X、Y方向位移通过两个线性光栅传感器，转角通过一个旋转编码器来实现。光栅传感器在实际应用中，传统计量光栅没有零位标志，测量时通过计算自设置零点开始的增量数获得当前相对位置信息，如果在测量过程中由于停机等原因，造成原测量结果丢失，必须重新寻零和测量；二维运动测量通常采用在二维方向上分别安装两条增量式光栅测量传感器方式，该方式不可避免在安装定位中引入阿贝误差，同时具有增量式光栅开机“寻零”的缺点。绝对式光栅传感器不需要参考零点，可以在断电后，再次给电时对当前位置进行绝对位置测量，无需“寻零”操作。因此可将绝对式光栅传感器从一维测量扩展到二维测量，以实现对三自由度运动平台的精密测量。现有技术专利号：201710364677.7的中国专利公开了一种二维绝对位移编码器，其说明了采用二维绝对编码的编码码盘，并公开了编码码盘的编码方式，以及公开了采集二维编码的装置和编码识别过程。但该专利技术仅从理论上提出了采用二维编码进行位移测量的方式，在实际具体应用中，无论图像采集过程还是具体装置的运动过程，都会存在误差值，该专利并没有公开解决误差所需要的技术手段。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，以实现对三自由度运动平台的位移测量，并解决现有技术测量存在误差的问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：包括置于三自由度运动平台上的二维绝对位置编码板，所述二维绝对位置编码板随三自由度运动平台共同运动，二维绝对位置编码板的上板面采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板的上板面每个不同位置分别对应唯一二维编码序列；还包括编码成像相机、基于LabVIEW的编码图像处理系统，其中编码成像相机位置固定，编码成像相机采集随三自由度运动平台运动的二维绝对位置编码板上的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像数据传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统；基于LabVIEW的编码图像处理系统中，通过程序设置有相机参数设置与图像采集模块、图像对准误差参数识别模块、偏转角测量模块、位移译码与细分模块、误差补偿修正模块及平面位移与偏转角测量结果模块，二维绝对位置编码板随三自由度运动平台运动时，由编码成像相机采集二维绝对位置编码板运动至不同状态时对应呈现给编码成像相机的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统，基于LabVIEW的编码图像处理系统中：相机参数设置与图像采集模块对编码成像相机进行参数配置，并接收编码成像相机传送的二维编码序列图像；图像对准误差参数识别模块对二维编码序列图像进行处理，以获取图像对准误差并进行旋转补偿；偏转角测量模块对二维编码序列图像进行处理，以获取编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列在工业相机所成图像坐标之间的偏转角，实现三自由度运动平台的旋转角度测量；位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行解码，获得二维编码序列所在的二维绝对位置信息，同时位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行亚像素级处理，以获得更高测量精度；误差补偿修正模块在获得的二维绝对位置信息基础上，对二维绝对位置编码板编码方向和三自由度运动平台坐标运动方向之间进行阿贝误差补偿，最终获得二维绝对位置编码板的实际位移信息。平面位移与偏转角测量结果用于显示偏转角测量模块与位移译码与细分模块得到的三自由度运动平台的旋转角度和X、Y方向的运动量。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：二维绝对位置编码板采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板上每个不同位置对应唯一二维编码序列，所述二维绝对位置编码板的任意行或列a1a2a3......a62a63a64......an，按照公式bi＝ai^d1ai+1^d2ai+2^......^dhai+h变换得到，其中^表示位异或运算，d1,d2,.......,dh为0或者1，d1,d2,d3......dh有且仅有奇数个参数为1，每一位bi是由ai及其后面的连续h位逻辑运算得来，bi满足：(1)奇数项或偶数项为m序列，若m序列为j阶，则它的循环长度为2j-1；(2)偶数项或奇数项为表示数值大小的一段序列，以2j-1为循环长度，后一段表示的数值大小比前一段大1。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：二维绝对位置编码板采用MEMS工艺制作，将二维编码序列按照等间距01代码刻划在平面玻璃基板上，为提高0和1代码的图像对比度，采用黑白码的形式进行制作。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：编码成像相机采用具有可调焦成像镜头的工业相机，工业相机的可调焦成像镜头周围设置有环形照明光源，工业相机通过USB数据线与基于LabVIEW的编码图像处理系统连接。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：图像对准误差参数识别模块对编码成像相机采集的图像进行相机镜头畸变校正与图像滤波后，在静止状态下，对编码成像相机采集编码图像坐标与编码成像相机像元阵列坐标进行对准误差检测，采用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，二维黑白编码行列边缘点拟合直线与编码成像相机像元阵列坐标之间的夹角为对准误差参数，以检测点为原点对二维编码序列图像按对准误差参数进行旋转补偿。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：偏转角测量模块在图像对准误差参数识别模块的基础上，用Canny算子进行边缘检测得到二维黑白编码行列边缘点，对边缘点进行拟合直线，所拟合直线的斜率即编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列图像坐标之间的偏转角。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：位移译码与细分模块进行X、Y坐标的解码，X、Y坐标的解码就是在X、Y方向上分别截取一段编码cici+1ci+2..............ci+k-1，截取的编码长度k＝2*(2j-1)+h，通过解码算法可以获知该段二维编码序列所在二维绝对位置信息；位移译码与细分模块还进行像素级细分和亚像素级细分；所述像素级细分的机理是二维绝对位置编码板上最小单元码在编码成像相机所成的像占用四个像素；所述亚像素级细分方法采用三次曲线拟合算法进行位移细分，以获得更高分辨力，亚像素级细分算法为：首先对所需处理图像进行加矩形窗处理，然后对窗内像素灰度值进行三次曲线拟合，最后求出拟合函数的梯度最大值点，即亚像素黑白边界点，从而得到与测量标准的偏差。所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：误差补偿修正模块针对二维绝对位置编码板编码方向与三自由度运动平台X、Y坐标运动方向之间的阿贝误差进行补偿，阿贝角测量方法为：测量前控制三自由度运动平台在X向移动，根据位移译码与细分模块得到相应X方向移动量ΔX与Y方向偏移量ΔY，计算二维绝对位置编本文档来自技高网...

【技术保护点】
二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：包括置于三自由度运动平台上的二维绝对位置编码板，所述二维绝对位置编码板随三自由度运动平台共同运动，二维绝对位置编码板的上板面采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板的上板面每个不同位置分别对应唯一二维编码序列；还包括编码成像相机、基于LabVIEW的编码图像处理系统，其中编码成像相机位置固定，编码成像相机采集随三自由度运动平台运动的二维绝对位置编码板上的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像数据传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统；基于LabVIEW的编码图像处理系统中，通过程序设置有相机参数设置与图像采集模块、图像对准误差参数识别模块、偏转角测量模块、位移译码与细分模块、误差补偿修正模块及平面位移与偏转角测量结果模块，二维绝对位置编码板随三自由度运动平台运动时，由编码成像相机采集二维绝对位置编码板运动至不同状态时对应呈现给编码成像相机的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统，基于LabVIEW的编码图像处理系统中：相机参数设置与图像采集模块对编码成像相机进行参数配置，并接收编码成像相机传送的二维编码序列图像；图像对准误差参数识别模块对二维编码序列图像进行处理，以获取图像对准误差并进行旋转补偿；偏转角测量模块对二维编码序列图像进行处理，以获取编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列在工业相机所成图像坐标之间的偏转角，实现三自由度运动平台的旋转角度测量；位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行解码，获得二维编码序列所在的二维绝对位置信息，同时位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行亚像素级处理，以获得更高测量精度；误差补偿修正模块在获得的二维绝对位置信息基础上，对二维绝对位置编码板编码方向和三自由度运动平台坐标运动方向之间进行阿贝误差补偿，最终获得二维绝对位置编码板的实际位移信息。平面位移与偏转角测量结果用于显示偏转角测量模块与位移译码与细分模块得到的三自由度运动平台的旋转角度和X、Y方向的运动量。...

【技术特征摘要】
1.二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：包括置于三自由度运动平台上的二维绝对位置编码板，所述二维绝对位置编码板随三自由度运动平台共同运动，二维绝对位置编码板的上板面采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板的上板面每个不同位置分别对应唯一二维编码序列；还包括编码成像相机、基于LabVIEW的编码图像处理系统，其中编码成像相机位置固定，编码成像相机采集随三自由度运动平台运动的二维绝对位置编码板上的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像数据传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统；基于LabVIEW的编码图像处理系统中，通过程序设置有相机参数设置与图像采集模块、图像对准误差参数识别模块、偏转角测量模块、位移译码与细分模块、误差补偿修正模块及平面位移与偏转角测量结果模块，二维绝对位置编码板随三自由度运动平台运动时，由编码成像相机采集二维绝对位置编码板运动至不同状态时对应呈现给编码成像相机的二维编码序列图像，并将二维编码序列图像传送至基于LabVIEW的编码图像处理系统，基于LabVIEW的编码图像处理系统中：相机参数设置与图像采集模块对编码成像相机进行参数配置，并接收编码成像相机传送的二维编码序列图像；图像对准误差参数识别模块对二维编码序列图像进行处理，以获取图像对准误差并进行旋转补偿；偏转角测量模块对二维编码序列图像进行处理，以获取编码成像相机像元阵列坐标与二维编码序列在工业相机所成图像坐标之间的偏转角，实现三自由度运动平台的旋转角度测量；位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行解码，获得二维编码序列所在的二维绝对位置信息，同时位移译码与细分模块对二维编码序列图像进行亚像素级处理，以获得更高测量精度；误差补偿修正模块在获得的二维绝对位置信息基础上，对二维绝对位置编码板编码方向和三自由度运动平台坐标运动方向之间进行阿贝误差补偿，最终获得二维绝对位置编码板的实际位移信息。平面位移与偏转角测量结果用于显示偏转角测量模块与位移译码与细分模块得到的三自由度运动平台的旋转角度和X、Y方向的运动量。2.根据权利要求1所述的二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其特征在于：二维绝对位置编码板采用伪随机m序列进行二维绝对位置编码，在二维绝对位置编码板上每个不同位置对应唯一二维编码序列，所述二维绝对位置编码板的任意行或列a1a2a3......a62a63a64......an，按照公式bi＝ai^d1ai+1^d2ai+2^......^dhai+h变换得到，其中^表示位异或运算，d1,d2,.......,dh为0或者1，d1,d2,d3......dh有且仅有奇数个参数为1，每一位bi是由ai及其后面的连续h位逻辑运算得来，bi满足：(1)奇数项或偶数项为m序列，若m序列为j阶，则它的循环长度为2j-1；(2)偶数项或奇数项为表示数值大小的一段序列，以2j-1为循环长度，后一段表示的数值大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏豪杰，张海铖，胡梦雯，于连栋，李维诗，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34