一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法及装置，所述方法包括获取所述线阵

【技术实现步骤摘要】
一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法及装置


[0001]本专利技术涉及精密角度测量
，尤其涉及一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法及装置
。

技术介绍

[0002]单码道绝对编码圆光栅测角系统，是采用线宽编码的单码道圆光栅，并通过线阵
CCD
采集局部图像，从而识别并计算当前码盘
(
光栅盘
)
相对线阵
CCD
转动的角度方向
。
此类测角系统的优势在于测量时获取的信息量大，可以通过平均效应大幅减小图像测量中的随机误差，从而获得较高的角度分辨力；而绝对编码的特性可以保证在测量过程中不会由于信号丢失产生累积误差
。
[0003]公开号为
CN112902877A
的中国专利公开了一种非对径安装双读数头圆光栅测角误差修正方法，该方法包括构建用于修正圆光栅测角误差的测量结构，此结构包括圆光栅
、
两个读数头，圆光栅安装在回转轴上，两个读数头以非对径安装方式安装在圆光栅的两侧；然后将回转轴旋转一周，采集圆光栅盘上两读数头的读数，并根据前步所采集到的数据按照公式拟合出圆光栅安装偏心参数，将拟合得到的圆光栅安装偏心参数代入到误差修正公式中，即可得到修正后角度测量值，虽然该方法相较于均值法提升了圆光栅测角精度，可是使用附加结构对圆光栅的偏心误差进行修正，仍会引起安装误差
、
转轴的偏摆以及投影的畸变差等问题，因此，提供一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法，来改善系统误差提升测角精度，是非常有必要的
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法及装置，通过采集码盘与线阵
CCD
的单帧图像，以单帧图像中单根刻线的中心像素坐标和与中心像素坐标对应的标称角度构建观测方程校正测量结果，以达到提升测角系统测量精度的目的
。
[0005]本专利技术提供了一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法，所述方法包括：
[0006]获取线阵
CCD
的采集图像，其中，所述采集图像包括多张单帧线阵图像；
[0007]对所述单帧线阵图像进行图像预处理，以获取码盘线纹图像；
[0008]截取所述码盘线纹图像中的单根刻线图像，通过线纹中心识别算法计算所述单根刻线图像的中心像素坐标；
[0009]对所述单帧线阵图像进行解码处理，以获取与所述中心像素坐标对应的标称角度；
[0010]根据所述中心像素坐标和所述标称角度，构建相应观测方程组并解算
。
[0011]在以上技术方案的基础上，优选的，所述对所述单帧线阵图像进行图像预处理，以获取码盘线纹图像，具体为：
[0012]将所述单帧线阵图像进行反色和二值化处理，以获取第一线纹图像；
[0013]对第一线纹图像进行形态学膨胀，以获取具有连通区域的第二线纹图像；
[0014]将所述第二线纹图像与所述第一线纹图像叠加，以获取区域灰度图像；
[0015]截取所述区域灰度图像中平均灰度最大的圆弧区间图像，并对所述圆弧区间图像进行二值化和形态学膨胀处理，以获取所述码盘线纹图像
。
[0016]在以上技术方案的基础上，优选的，所述构建相应观测方程组并解算，具体为：
[0017]分别构建观测方程
、
边界约束方程以及平滑约束方程；
[0018]将所述观测方程
、
所述边界约束方程以及所述平滑约束方程转换为矩阵形式，以最小二乘求解待求参数向量估计值
。
[0019]更进一步优选的，所述线纹中心识别算法具体为：
[0020][0021]其中，
s
为所述码盘线纹图像中的灰度对称中心位置，
η
为所述码盘线纹图像最小灰度所在列号，
y
j
为所述码盘线纹图像第
j
列的灰度值，
j
为正整数
。
[0022]更进一步优选的，所述分别构建观测方程
、
边界约束方程以及平滑约束方程，具体为：
[0023]构造所述观测方程，
[0024][0025]构造所述边界约束方程，
[0026]0＝
γ1[0027]0＝
ξ1[0028]0＝
ξ
M
[0029]构造所述平滑约束方程，
[0030]0＝
ξ
m+2
‑2ξ
m+1
+
ξ
m
[0031]其中，
α
i
表示码盘第
i
刻线的标称方向，
t0表示所述线阵
CCD
像素间距与所述线阵
CCD
到转轴距离之比的概略值，
x
ij
表示第
j
帧图像上，码盘第
i
刻线在所述线阵
CCD
投影中心的像素坐标，
b0表示转轴中心到所述线阵
CCD
垂足近似像素坐标与
t0的乘积，
τ
表示待求缩放因子，为
t0的修正值，
H
j
表示获取第
j
帧图像时，所述线阵
CCD
的待求角位置参数，即轴心至所述线阵
CCD
垂足对应码盘上的角位置，
γ
i
表示码盘第
i
刻线的方向误差，
ξ
m
表示所述线阵
CCD
第
m
像素的不均匀测角误差，
Λ
X
和
Λ
Y
均为所述线阵
CCD
非圆弧误差系数，表示对
x
ij
进行向下取整运算，
M
为所述线阵
CCD
的总像素数，
m、M、i
以及
j
均为正整数
。
[0032]更进一步优选的，所述将所述观测方程
、
所述边界约束方程以及所述平滑约束方程转换为矩阵形式，以最小二乘求解待求参数向量估计值，具体为：
[0033]矩阵形式存在如下变换关系，
[0034][0035][0036][0037]解算出的估计值为，
[0038][0039]其中，为待求参数向量，表示的估计值，
G
表示与所述观测方程的对应矩阵，
G
T
表示矩阵
G
的转置，为标定观测值列向量，
d
表示码盘与所述线阵
CCD
垂足事先得到结果，
A
表示与所述边界约束方程的对应矩阵，
A
T
表示矩阵
A
的转置，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种单码道圆光栅测角系统的自标定方法，其特征在于，所述方法包括：获取线阵
CCD
的采集图像，其中，所述采集图像包括多张单帧线阵图像；对所述单帧线阵图像进行图像预处理，以获取码盘线纹图像；截取所述码盘线纹图像中的单根刻线图像，通过线纹中心识别算法计算所述单根刻线图像的中心像素坐标；对所述单帧线阵图像进行解码处理，以获取与所述中心像素坐标对应的标称角度；根据所述中心像素坐标和所述标称角度，构建相应观测方程组并解算
。2.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述单帧线阵图像进行图像预处理，以获取码盘线纹图像，具体为：将所述单帧线阵图像进行反色和二值化处理，以获取第一线纹图像；对第一线纹图像进行形态学膨胀，以获取具有连通区域的第二线纹图像；将所述第二线纹图像与所述第一线纹图像叠加，以获取区域灰度图像；截取所述区域灰度图像中平均灰度最大的圆弧区间图像，并对所述圆弧区间图像进行二值化和形态学膨胀处理，以获取所述码盘线纹图像
。3.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建相应观测方程组并解算，具体为：分别构建观测方程
、
边界约束方程以及平滑约束方程；将所述观测方程
、
所述边界约束方程以及所述平滑约束方程转换为矩阵形式，以最小二乘求解待求参数向量估计值
。4.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线纹中心识别算法具体为：其中，
s
为所述码盘线纹图像中的灰度对称中心位置，
η
为所述码盘线纹图像最小灰度所在列号，
y
j
为所述码盘线纹图像第
j
列的灰度值，
j
为正整数
。5.
如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分别构建观测方程
、
边界约束方程以及平滑约束方程，具体为：构造所述观测方程，构造所述边界约束方程，0＝
γ
10＝
ξ
10＝
ξ
M
构造所述平滑约束方程，0＝
ξ
m+2
‑2ξ
m+1
+
ξ
m
其中，
α
i
表示码盘第
i
刻线的标称方向，
t0表示所述线阵
CCD
像素间距与所述线阵
CCD
到转轴距离之比的概略值，
x
ij
表示第
j
帧图像上，码盘第
i
刻线在所述线阵
CCD
投影中心的像素
坐标，
b0表示转轴中心到所述线阵
CCD
垂足近似像素坐标与
t0的乘积，
τ
表示待求缩放因子，为
t0的修正值，
H
j
表示获取第
j
帧图像时，所述线阵
CCD
的待求角位置参数，即轴心至所述线阵
CCD
垂足对应码盘上的角位置，
γ
i
表示码盘第
i
刻线的方向误差，
ξ
m
表示所述线阵
CCD
第
m
像素的不均匀测角误差，
Λ
X
和
Λ
Y
均为所述线阵
CCD
非圆弧误差系数，表示对
x
ij
进行向下取整运算，
M
为所述线阵
CCD
的总像素数，
m、M、i
以及
j
均为正整数
。6.
如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述观测方程
、
所述边界约束方程以及所述平滑约束方程转换为矩阵形式，以最小二乘求解待求参数向量估计值，具体为：矩阵形式存在如下变换关系，矩阵形式存在如下变换关系，矩阵形式存在如下变换关系，解算出的估计值为，其中，为待求参数向量，表示的估计值，
G
表示与所述观测方程的对应矩阵，
G
T
表示矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，夏玉国，曾卓，武金凤，刘海波，彭友志，何浩鹏，汪洋舰，
申请(专利权)人：武汉地震计量检定与测量工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：