使用光学传感器的耐磨液压/气动活塞位置感测装置及方法与流程
本发明涉及自校准及重新校准光学传感器用以测量活塞杆位移，以便能作初步场校准及重新校准以校正磨损及损坏，及使用接近传感器，飞行时间传感器，累积相对位移以估算活塞杆绝对位移，及减少为要判定活塞杆绝对位移用于比较所需的空间独特校准位置数目，藉此减低所需内存储存及计算资源，其能做出密集或连续的校准位置，及使用自然发生的斑点图样作为校准位置减低使用标记编码序列作为校准位置的需求。
背景技术：
有关活塞位置传感器(例如美国专利us9027460b2号)，通过串联电共振以测量位置，实际上并不容易实施，油传导性相对于温度及压力是可变的，此外油传导性对温度及压力的关是需再描述为石油时代的特征。
光学运动传感器(例如美国专利us8525777b2号,us9086738b2号,us9342164b2号,us7737947b2号,us8692880b2号)测量表面的相对移动，但无法判定相对于表面的绝对位置。
光学位置传感器(例如美国专利号us8482607b2号)能用以判定在校准位置的绝对位置，并不包括有效率构件以储存校准位置影像，结果只有少数校准位置可与结果储存起来，以致所估算绝对位置误差可一直明显成长，直到在校准位置加以校正。
光学位置传感器(例如欧盟专利ep2769104b1号)依赖一光学检测码图样及使用光导管，蚀刻或以其它方式添加此等光学检测码图样明显增加制造成本。
光学位置传感器(例如美国专利号us9134116b2号)使用多个激光及/或传感器，比起使用单一激光及传感器可能做到的，提供弧形活塞表面较大覆盖率，但无法判定相对于表面的绝对位置。
光学位置传感器(例如欧洲专利ep2775268a1号)使用同调或近乎同调光以聚集斑点干扰影像用于各位置，所储存斑点干扰影像之间的位置是完全未知。不用影像压缩及/或显著点识别，储存大量足够有用点所需内存大小是大到不能实现。
光学对准传感器(例如中国专利cn2015/075823号)使用影像显著特征以对准影像，然而不储存影像显著特征及绝对位置，结果不可能判定绝对位置。
光学特征匹配(例如美国专利us9449238b2号)使用在冲击影像外观的不利条件中提高影像相关性，然而未提供影像收集构件且受限于界限分明的正规影像。
光学表面移动传感器使用限定短波长的光(例如美国专利us8847888b2号)以减低光表面透射及增加光表面反射，然而减低光透射未提供最常使用金属活塞杆任何优势，窄频带红光与蓝光的组合较适合用以穿透可能存在的油膜且达到光学上极致密的金属。
光学表面移动传感器(例如美国专利us7728816b2号,us9052759b2号)调整沿着x及y轴的量测分辨率是根据沿着所述轴的估算速度，然而未提供收集及储存影像的构件。
光在所述领域中已完善建立内部含有磁性，微波及光学传感器的中空活塞杆，然而深孔钻或锻造长直径或小直径活塞杆并不实际或不符成本效益；当光学特性更动时，光学及无线飞行时间传感器需要校准及重新校准，低成本的外部飞行时间传感器对于使光路径模糊的对象是有弱点的，结果由于低可靠度，因此单独使用光学飞行时间传感器来判定绝对活塞杆位移的评价不佳。
技术实现要素：
本发明是使用一种使用自校准及重新校准的光学传感器以测量活塞杆位移，自校准能进行未校准光学传感器的现场校准，在操作期间，重新校准能检测及校正活塞杆及/或光学传感器的磨损及损坏。在需要校准位置的位置可使用自然斑点图样，其减少或免除标记校准位置的需要；标记的校准位置判定活塞杆绝对位置所使用的空间独特编码序列，只储存校准位置的显著特征省下海量存储器，减低各校准位置的内存需求能做出密集或连续的校准位置；多个校准位置特征与多个光学传感器共同集体地提供局部损坏的免除，使用接近传感器，飞行时间传感器及累积相对位移以估计活塞杆绝对位移及减少使用接近传感器，飞行时间传感器及累积相对位移以估计活塞杆绝对位移，及减少比较所需的空间独特校准位置数目以判定活塞杆绝对位移。
将判定液压或气动活塞杆相对于其气缸的绝对位移所使用的光学传感器在校准位置进行校准，及通过从所述绝对位移所测得相对位移的累积以估算出绝对位移；估算绝对位移的步骤如下：通过cmos(互补金属氧化物半导体)或ccd(电荷耦合组件)影像传感器使用设计用于光学计算机鼠标的低成本激光或暗场透镜以撷取活塞表面的影像，从所撷取影像中选取与邻近环境形成对比的点排列，将此等选取的显著点排列映射到其相应的绝对活塞杆位置及储存为校准位置；此等识别校准绝对活塞杆位置的显著点是一已知校准点排列，从目前影像中选取的点排列是对准一校准位置的已知校准点排列。
附图说明
由以下具体实施方式并配合附图可以更了解本发明，其中标注表示各附图中的结构组件及特征，附图不是按照比例，它只是表示本发明的原理。
图1：是以流程图表示在操作期间的位置识别感测装置。
图2：是以流程图表示在校准初始化期间的位置识别感测装置。
图3：是以流程图表示校准储存程序036及校准数据库储存体100，102，104。
图4：是以流程图表示在使用fft-cc的正常操作期间，斑点特征图样与目前影像显著特征014的相关性026/027。
图5：是以流程图表示在使用fft-cc及ic-gn的校准操作期间，斑点特征图样与目前影像显著特征014的相关性026/027。
图6：是以流程图表示整体操作。
图7：是以侧面图表示单一激光位置识别感测装置。
图8：是以沿着图24的a--a切割平面看去的剖面图表示激光斑点图样影像感测装置，表示所观察圆形部件200的光学效应。
图9：是以示意图表示空间加法暗场。
图10：是以示意端视图表示多个复式斑点图样影像感测装置。
图11：是以示意上视图表示一复式斑点图样影像感测装置，下方具有所观察部件200的表面208。
图12：是以沿着图14的切割平面b--b看去的示意端视图表示具有多个激光led的复式斑点图样影像感测装置。
图13：是以沿着图14的切割平面b--b看去的示意端视图表示具有多个斑点影像收集器的复式斑点图样影像感测装置。
图14：是以示意底视图表示一复式斑点图样影像感测装置。
图15：是以图表显示位置误差偏对斑点/像素大小用于多个斑点特征大小。
图16：表示在所观察部件200的表面208建构一连续校准位置图。
图17：表示在所观察部件200的表面208重新选择校准位置。
图18：表示斑点相关性算法。
图19：表示相邻非独特校准斑点影像210。
图20：表示在所观察部件200的表面208间隔分布的非独特校准斑点影像210。
图21：表示在校准期间取得的框撷取映像到校准斑点影像框210。
图22：表示校准斑点影像210映像到正常操作期间取得的框撷取。
图23：是以沿着图24的切割平面a--a看去的剖面图表示具有附加光子影像传感器的液压汽缸。
图24：是以等角视图表示具有附加光子影像传感器的液压汽缸。
图25：是以侧面图表示所观察部件，在三个位置具有一维(1d)校准图样。
图26：是以侧面图表示所观察部件，具有间隔分布的二维(2d)校准图样。
附图标注
001：斑点影像
004：影像均等标度校正
005：保持到更新
006：使用gabor小波盘旋
008：gabor选组器
009：位置选组器
010：用于选组的估算绝对位置
012：surf/sift描述符选择器
014：目前斑点影像显著特征(亦称为感兴趣点)
015：延迟到下一影像撷取
016：找出标度间隔
018：特征描述符
020：候选匹配sift/surf特征描述符
024：斑点图样选择器
026：在校准位置显著特征210与目前影像显著特征014之间的斑点特征图样相关位移
027：在先前影像显著特征014与目前影像显著特征014之间的斑点特征图样相关性
030：增大成功匹配计数
031：从最近已知位置累积的相对斑点位移
032：测试条件，已知是绝对位置
033：估算绝对位置
034：用于已知位置的新surf/sift描述符，新斑点显著点
036：校准储存程序
038：相对斑点位移
039：不成功的相对位移计数
040：所计算相对斑点校准位置210
041：从活塞冲程极限传感器918，919(或从复式位置识别感测装置的至少一个子组件)来的绝对位置，或具有斑点全视图209的部分(或完整)校准斑点特征210的相对位置
042：图1所示位置感测算法来的绝对位置
100：用以将surf/sift特征描述符分组的gabor小波的数据库
102：由gabor小波及由位置分组的surf/sift特征描述符的数据库
104：由surf/sift特征描述符编索引的校准显著点斑点图样210的数据库
105：用于飞行时间传感器925的校准数据
110：红光激光表面斑点区域
112：蓝光激光表面斑点区域
114：绿光激光表面斑点区域
116：暗场表面区域208
120：红光激光
121：红色led
122：蓝光激光
124：绿光激光
130：可选源透镜
135：聚光透镜
200：所观察圆柱状或扁平部件如活塞杆
202：cmos或ccd影像传感器
208：所观察部件200的表面
209：斑点全视图
210：由gabor小波、surf/sift特征描述符及相应显著点斑点图样所描述斑点特征区域的校准斑点影像位置
212：周期性地连接像素以形成斑点影像群组
215：以间隔分开的二元序列一维(1d)校准图样
216：以间隔分开的二元序列二维(2d)校准图样
230：光学位移传感器组件
231：微处理器，fpga及/或asic
233：不变性内存
234：依电性内存
242：磨损所造成校准斑点影像特征
300：扁平部件参考平面
400：平均正规化校准斑点影像
401：平均正规化目前斑点影像
405：平均正规化校准斑点影像的傅立叶变换
406：平均正规化目前斑点影像的傅立叶变换
410：傅立叶变换乘积的逆傅立叶变换
415：在傅立叶变换405×406乘积的最大值逆傅立叶变换410的fft-ccx及y位移，其是校准位置显著特征210与目前影像显著特征014之间的低分辨率斑点特征图样相关位移026
420：已知校准点的扭曲排列
421：具有三角变形位移的扭曲目前影像显著图样特征
425：三角变形位移的最小平方计算
430：三角变形位移收敛条件
440：ic-gn子像素三角位移，其是校准位置显著特征210与目前影像显著特征014之间的高分辨率斑点特征图样相关位移026
800：起始状态
804：初始化，自检查及通讯状态
820：完整校准影像，包括有合成校准影像
825：未由足够校准点包围或在端限
832：图1，图2及图3所示操作状态
836：图5所示精确位置的同时计算
901：液压汽缸筒
902：活塞
903：飞行时间活塞反射器(亦称为光学距离反射器)
904：底止档
905：顶止档
906：汽缸中的封件
907：液压汽缸顶部小室
908：液压汽缸底部小室
910：感测装置外壳
912：用于感测装置的封件
918：底部接触压力传感器，冲程极限传感器
919：顶部接触压力传感器，冲程极限传感器
925：飞行时间传感器(亦称为光学距离传感器)
930：传感器电路板
具体实施方式
以下所描述斑点影像是同调激光光接口造成的真实斑点影像，或暗场表面绕射造成的传真斑点影像，两类斑点影像皆可通过重叠空间区域以加法建构，如图9，图10，图11，图12及图13所示。
图7是以侧面图表示单一激光位置识别感测装置，激光120，122或124的同调光通过一可选源透镜130，照明所观察部件200的表面208上的斑点区域110，112或114。可选源透镜130折射/弯曲窄激光光束以照明所观察部件200的较大面积表面208。根据惠更斯-菲涅尔(huygens-fresnel)原理，可将每一折射表面点视为新小波的源头，不用透镜，小波自由地朝向其干扰的观察平面传播，其造成建构及解构干扰局部分布的发生。可从金属表面观察到斑点，及斑点显示高对比，通常不需要人造标记，由cmos或ccd影像传感器所观察的平均平面内斑点尺寸d是以
图1是指位置识别感测装置的控制逻辑，其数据流及处理步骤如下，单一或复式图样影像感测装置的一cmos或ccd影像传感器202撷取斑点影像，可应用影像均等标度校正以校正曲面活塞杆200的表面208所造成的非均等平均斑点尺寸d。在激光图样影像传感器的情形，非均等平均斑点大小d是由cmos或ccd影像传感器与所观察部件200的表面208之间的可变距离u造成。影像均等标度校正所处理的均等标度斑点影像使用自gabor小波数据库100撷取的gabor小波加以盘旋，使用估算绝对位置010以提供surf/sift特征描述符的位置分组选择009，gabor选组器008是与位置选组器009配合使用，作为到surf/sift描述符选择器012的输入。surf/sift描述符选择器012选择候选匹配sift/surf特征描述符的分级组，结果是sift/surf特征描述符数据库102来的候选surf/sift特征描述符020的数目缩减，以gabor小波分组及以位置分组，需要加以考虑。
gabor小波数据库100，surf/sift特征描述符数据库102，及显著点斑点图样数据库104是储存在可读/写不变性内存233中，控制逻辑是在一微处理器231(fpga(现场可程序门阵列)及/或asic(特定应用集成电路))上执行，较佳将暂时执行结果储存在依电性内存234中。可使用误差校正编码及冗余以提供可靠的长期储存及无误差控制逻辑执行及数据处理。
以图1所示资料流及处理步骤，将sift/surf算法应用如下，平行地进行选择均等标度斑点影像的显著特征014与使用gabor小波盘旋斑点影像。surf算法使用基于赫士矩阵(hessianmatrix)的blob检测器(散斑检测器)以找出感兴趣点。下一步骤是从先前选取的显著点中找出标度间隔016，作为结果的特征描述符018是匹配从数据库102撷取的候选匹配sift/surf特征描述符020。若发生匹配，则斑点图样选择器024是从以surf/sift特征描述符编索引的显著点斑点图样特征的数据库104，撷取一显著特征校准影像斑点图样210。最终结果是目前斑点影像的显著特征是与自数据库104撷取的校准影像斑点特征图样210相关。
图1所示装置的数据流及处理步骤继续进行斑点影像显著特征014相关性，使目前斑点影像的显著特征014与前一斑点影像的显著特征014相关027以找出相对斑点位移038。前一斑点影像的显著特征014是目前斑点影像的显著特征014，一直延迟到下一影像撷取，目前与前一斑点影像是设计成重叠且将在正常操作期间相关。通过相关性操作发现目前斑点影像与前一斑点影像不相关时，装置递增不成功相对位移计数039，高的不成功相对位移计数039指出cmos或ccd影像传感器202无法可靠地解析表面208影像，或者目前与前一斑点影像不重叠，其或许因所观察部件200以极高速移动所造成。
在图1所示的数据流及处理步骤，将校准位置检测说明如下，使先前选取斑点显著点的校准位置排列210与目前影像显著点相关，用以找出所观察部件200相对于匹配校准位置210的绝对位置，将校准位置210的组成储存在校准点数据库100，102，104中。校准位置210显著特征与目前影像显著特征014之间的斑点特征图样相关性026是判定如下，相关性过程的细节如图4所示，使用较不精确的快速fft-cc"快速傅立叶变换交互相关"，使校准影像斑点特征图样210与均等标度的斑点影像相关。将在校准位置的校准斑点影像210正规化以产生一平均正规化校准斑点影像400，接着产生平均正规化校准斑点影像的傅立叶变换405，将目前斑点影像显著特征014正规化以产生一平均正规化目前斑点影像401，接着产生平均正规化目前斑点影像的傅立叶变换406。组合傅立叶变换405及406以产生傅立叶变换405×406乘积的逆傅立叶变换410。如图18所示，在傅立叶变换405×406乘积的最大值逆傅立叶变换410发现到斑点影像在相同斑点全视图209内从校准影像斑点位置210的x,y位移415。
以下进一步说明图1所示的数据流及处理步骤，当校准位置显著特征210与目前影像显著特征014之间有斑点特征图样相关性026时，使用所述相关性取得斑点全视图209内的计算相对斑点040的校准位置210。当使用fft-cc算法取得斑点全视图209内的计算相对位置040时，提供斑点影像从校准斑点影像位置210的x,y位移415，若使用图5所示ic-gn算法以取得斑点全视图209内的计算相对位置040，则提供斑点影像从校准斑点影像位置210的高准确度ic-gn子像素三角位移440，结果得知在所观察部件200的表面208的校准斑点影像位置210关连到cmos或ccd传感器202。无论何时发生一成功相关性匹配，即递增校准斑点影像210的成功匹配计数030。
图1所示发生在无法匹配校准影像斑点位置210时的数据流及处理步骤是如下，当最高分级候选匹配sift/surf特征描述符020无法成为一靠近匹配时，则在数据库102来以gabor分组008及位置分组009选取的surf/sift特征描述符分组中，根据其分级，考虑另一候选匹配sift/surf特征描述符020。同样地，若相应到候选sift/surf特征描述符的校准位置斑点特征图样210是不够靠近斑点影像，则通过gabor分组008及位置分组009以选取另一候选sift/surf特征描述符。若不存在任何候选者，则未发现任何匹配。若校准斑点影像210充分地靠近斑点影像，则计算校准斑点影像210在斑点全视图209内的相对位置040。
在图1及图2所示数据流及处理步骤，说明校准位置更新程序如下，在图1，2，6中显示用以更新校准位置的全程序，当斑点全视图209内找不到任何候选匹配sift/surf特征描述符用于目前斑点影像时，或使用斑点全视图209找不到任何校准斑点特征210用于斑点影像时，此程序启动。可通过(或从)一复式位置识别感测装置(如图10所示)的至少一个位置识别感测装置以得知绝对位置041，或通过一极限传感器或通过斑点全视图209内到部分或完整校准斑点特征210的相对位置以提供绝对位置041。若已知绝对位置041，则可将gabor小波，surf/sift特征描述符及斑点全视图209内来的一斑点影像的斑点特征储存到数据库100，102及104中。图3是校准储存程序036中所含处理步骤。在以下校准储存程序036的说明中，参考校准储存程序036相关(但未包含在内)的组件，如图3所示，若没有足够周围校准斑点影像位置210或活塞杆200是在位移端限825，则将使用一极限传感器(或一复式位置传感器的至少一个子组件)来的绝对位置041。当在并非从一极限传感器(或一复式位置传感器的至少一个次组件)来的绝对位置041所得知位置需要一校准位置210时，则使用图5所示ic-gn算法以判定前一绝对位置041来的精确位移836。当光学位移传感器230是在一绝对位置041时，则在一已知绝对位置的测试032为真，并可使用绝对位移以取得目前斑点影像显著特征014，并用于飞行时间传感器925的校准数据105。当测试条件032指出一已知绝对位置时，使用图3所示校准储存程序036以储存新的校准位置数据210。
若到达周围校准位置的距离太远，则应从斑点全视图209内选择至少一个校准斑点影像210并加以储存，通过最大累积位置误差以判定校准位置之间的最大距离。累积位置误差是估算绝对位置033与真实绝对位置041之间的误差，通过将累积相对位移加到最后可信赖校准斑点影像210的真实绝对位置041以计算估算绝对位置033。通过gabor小波与到周围校准斑点影像210的相对位置，将选取的校准斑点影像210编索引，将校准斑点影像210的相应surf/sift特征描述符储存到surf/sift特征描述符数据库102中，并将校准斑点影像210的显著点图样以其surf/sift特征描述符编索引及储存到显著点斑点图样数据库104中。
若具有高成功匹配计数的校准斑点特征图样210是具有稳定显著斑点图样特征的校准斑点影像210，当校准斑点特征图样210变为表面磨损或突然表面损坏的结果时，递增成功匹配计数030不再增加。当需要不变性内存233以储存新的校准斑点特征位置210时，可替换掉这些不再递增其成功匹配计数030且与其它校准位置斑点图样特征够接近的校准位置斑点图样。当校准位置斑点图样特征不再递增成功匹配计数030且与其它校准斑点特征位置210不够接近的数量足够时，可能会需要校准。
图2是指位置识别感测装置的校准初始化控制逻辑，通过单一或复式图样影像感测装置的一cmos或ccd影像传感器202以撷取斑点影像，可应用影像均等标度校正以校正非均等平均斑点大小d。初始地，未储存有任何校准斑点影像位置210，校准点数据库100，102，104是空的。储存新校准位置210的第一步是从均等标度斑点影像中选择显著特征014，可由图23所示活塞冲程极限传感器918，919(或从一复式位置识别感测装置的至少一个子组件或到具有斑点全视图209的部分或完整校准斑点特征210的相对位置)以提供绝对位置041。在初始校准过程期间，只可由一活塞冲程极限传感器918，919作出绝对位置041。若测试条件032为伪，则未得知绝对位置，并如图6所示再次检查所述位置，直到如活塞冲程极限918，919提供一绝对位置041，此步骤能使测试条件032为真及得知绝对位置。当检测到周围缺少已储存校准斑点特征位置210时，必须指定新的已储存校准斑点特征位置210。准确地指定新校准斑点特征210的位置是重要的，在校准期间，使用ic-gn逆组合高斯-牛顿子像素三角位移计算440(其是极精确，通常范围介于0.01到0.05像素)，以测量先前影像显著特征014与目前影像显著特征014之间的斑点特征图样相关性027。与正常模式期间用以计算x及y位移所使用的高速fft-cc快速傅立叶变换交互相关(其通常范围介于1到2像素)相比，这计算较精确20到200倍。当位置识别感测装置正搜寻新校准位置时，位置识别感测装置是在校准模式中，由于cmos或ccd影像传感器移动是遍及所观察圆柱状或扁平部件200，因此周期地撷取到斑点全视图209的窗口。在校准模式中，使cmos或ccd移动遍及圆柱状或扁平部件200的移动速度慢下来，以便斑点全视图的209的窗口总由至少一校准斑点影像位置210重叠。ic-gn算法亦比fft-cc算法花费多倍较久时间，必须减慢校准期间的移动速度以容许此较久处理时间。
图16表示校准模式斑点全视图209窗口步骤，初始步骤是斑点全视图209的左上角，在初始窗口步骤期间，从斑点全视图209的四个角落中选择四个校准斑点影像位置210。若一校准斑点影像位置210是完全包围在重叠的斑点全视图209内部，如第二斑点全视图209窗口步骤的左上角，则不需储存所述校准斑点影像位置。使用ic-gn"逆组合高斯-牛顿"以精确地测量到斑点全视图209之间的位移。
如图5所示，使用较慢的精确ic-gn"逆组合高斯-牛顿"以使校准影像斑点特征图样210与斑点影像相关。在图5中，类似于图4，将在校准位置的校准斑点影像210正规化以产生一平均正规化的校准斑点影像400，将目前斑点影像显著特征014正规化以产生一平均正规化的目前斑点影像401。下一步骤是产生平均正规化校准斑点影像的傅立叶变换405，同时下一步骤是产生平均正规化目前斑点影像的傅立叶变换406。组合傅立叶变换405与406以产生傅立叶变换405×406乘积的逆傅立叶变换410。如图18所示，斑点影像从校准斑点影像位置210的x,y位移415是在相同斑点全视图410内部。在图5中，在傅立叶变换405×406乘积的最大值逆傅立叶变换410找到fft-ccx&y位移415，算出的fft-ccx&y位移415是ic-gn算法440中使用的初始猜测x&y位移。计算扭曲的目前影像以作为平均正规化目前斑点影像401与目前变形的函数，计算已知校准点的扭曲排列以作为平均正规化校准斑点影像400的函数，在组合的已知校准点扭曲排列400与平均正规化目前斑点影像401上计算三角变形位移的最小平方计算425。当三角变形位移的最小平方计算425符合三角变形位移条件430时，三角变形的目前最小平方计算425是最终ic-gn子像素三角位移440，否则使用三角变形的目前最小平方计算425以计算下一扭曲目前影像421。
图17表示右下角从先前已删除并由具有高密度显著特征的校准斑点影像位置210所取代的斑点全视图来的校准斑点影像位置210。如图17所示，当显著特征的密度高时，单个校准斑点影像210足以在所观察部件200的表面208独特地定义一校准位置。如图18所示，当显著特征的密度低时，使用二或多个相邻校准斑点影像210在所观察部件200的表面208独特地定义一校准位置。由于校准持续进行，将足以独特地定义一校准位置的单个校准斑点影像210或足以独特地定义一校准位置的二或多个相邻校准斑点影像210加以储存，以用于各接续斑点全视图209窗口步骤。在校准模式中，不需是统地扫描遍及所观察圆柱状或扁平部件200，各斑点全视图209窗口步骤中的校准斑点影像210是保留到所有方向中有足够校准斑点影像位置210用于所观察圆柱状或扁平部件200。此等保留的校准斑点影像位置210是作为参考绝对位置041使用以沿着交替路径测量到校准斑点影像位置210的位移。当校准斑点影像位置210是在所有方向由足够校准斑点影像位置210包围时，单个校准影像斑点210即足以提供校准位置的局部独特识别，而且保留具有较高显著特征密度的校准位置210及删除先前需要的相邻校准斑点影像210。
图6是以流程图表示位置识别感测装置的整体操作，一启动或重设位置识别感测装置，即进入起始状态800，在起始状态800中，登入开机码，其可包括微码，韧件及软件。从起始状态800，位置识别感测装置进入初始化，自检查及通讯状态804，在状态804中，位置识别感测装置准备开始其识别所观察圆柱状或扁平部件相对于cmos或ccd影像传感器202的位置。
从位置感测算法来的绝对位置042及估算绝对位置033是判定绝对位置所使用的假设输出，初始的估算绝对位置033是从一活塞极限延伸/缩回传感器918，919或从一已校正飞行时间传感器925来的已知绝对位置041中取得。若飞行时间传感器925是未校准，则可使用已知绝对位置041加以校准(如图3所示)，在各框撷取的斑点影像上执行图1中说明的操作程序，选组使用的估算绝对位置010大大缩减可能与目前斑点影像显著特征014匹配的校准位置210已知显著特征组。校准模式期间的操作是取决于一活塞延伸/缩回极限传感器918，919或一已校准飞行时间传感器925来的已知绝对位置，以用于新校准位置210的校准储存程序036。当在正常模式中操作时，通过计算出相对斑点040校准位置210或通过校准储存程序036所算出的位置以判定绝对位置042，优先地选择校准储存程序036所算出的绝对位置042为最可靠者。将最近绝对位置042及飞行时间925估算位置保持在依电性内存中直到以较新值更新。通过保持在依电性内存的最近已知位置与累积相对斑点位移031组合以计算估算绝对位置033。累积相对斑点位移031是累加的相对斑点位移038。相对斑点位移031的外在来源可提升及/或验证净相对斑点位移038估算。
图6所示的操作状态832是在图1，2，3，4及5说明，如图1及图2所示，测试条件032是相应到一极限传感器(或一复式位置识别感测装置的至少一个子组件)来的已知绝对位置041的绝对位置，或到斑点全视图209内的部分或完整校准斑点特征210的相对位置。若尚未识别绝对位置，则由于cmos或ccd影像传感器移动遍及所观察部件200的表面208，因此感测装置将继续应用测试条件032以判定是否已知绝对位置。在测试条件032判定已知所述绝对位置及cmos或ccd影像传感器202是在一校准斑点影像位置210后，下一步骤是核对此是否相邻校准斑点影像位置210所构成不完整的复合校准影像820。若目前校准斑点影像位置210是相邻校准斑点影像位置210所构成复合校准影像820的不完整部分，则以复合校准影像820的已发现部分来更新已知绝对位置测试条件032。
图7表示变动的斑点大小，其发生在正观察所观察圆形部件200的同时，可选源透镜使激光120来的光不聚焦以覆盖斑点区域110。当cmos或ccd影像传感器202与所观察部件200的表面208之间的距离u较大时，平均斑点大小
图8表示所观察部件200的弯曲表面208所造成的非均等斑点大小，在cmos或ccd影像传感器202与激光斑点表面反射110之间的距离u1，当所观察部件200的弯曲表面208较远离时，是比到扁平部件参考平面300的距离u2大。
图9是以图显示空间加法暗场，物镜用以选择具有够高密度显著特征的校准斑点影像210，用以在所观察部件200的表面208上独特地定义一校准位置，物镜并非用以测量所观察部件200的表面208的拓朴。一led光源121是透过一可选源透镜130发光及照亮所观察部件200的表面208，各聚光透镜135或复式聚光透镜135是从分开或重叠暗场区域16中收集暗场散射光。光导管能作为多个/复式聚光透镜135以提供相同功能。在此实作中，多个/复式聚光透镜135由于其较优低变形光学特性是优于光导管，cmos或ccd影像传感器202以加法收集多个暗场区域116来的暗场散射光，选择聚光透镜135的放大功率，以便传真斑点大小是比4像素×4像素大。如图8所示，所观察部件200的变曲表面208缩小所反射的斑点区110，将多个或复式聚光透镜135理想地沿着所观察弯曲部件200的长度设置。
图10及图11表示多个复式斑点图样影像感测装置正覆盖所观察部件200的表面208的分开区域，图10是以端视图表示多个复式斑点图样影像感测装置，图11是以上视图表示一复式斑点图样影像感测装置，在下方具有所观察部件200的表面208。试验性观察已指出所观察部件200的表面208受损造成局部损坏的事件，将多个集体独特校准斑点影像210储存以用于各校准位置210，防止失去用于最常见损坏事件的校准位置210。当一些校准斑点影像210受损时，假定有局部独特的其余校准斑点影像210，仍可辨识校准位置。校准斑点影像210到其它校准斑点影像位置的相对位置可由其它类似校准斑点影像位置210独特地解决校准斑点影像位置210。
当斑点全视图209(显示在图16，17，18)够大时，可储存多个集体独特校准斑点影像210以用于斑点全视图209内的各校准位置，图10及图11所示复式斑点图样影像感测装置增大斑点全视图区209。然而，当在单一斑点全视图区内多个集体独特校准斑点影像210是在附近时，在局部区受损的表面208可对多个校准斑点影像210造成损坏。在图16，17，18显示从多重斑点图样影像感测装置来的集体独特校准斑点影像210所构成的校准位置，其在所观察部件200的表面208广泛分开，宽泛分开的校准斑点影像210较不受到所观察部件200的表面损坏事件的影响。损坏通常是局限于多重斑点图样影像感测装置的子组件，集体独特校准斑点影像210能用以瞬间或快速检测校准斑点影像210的变动及可靠地更新校准斑点影像210。
图12及13表示复式影像感测装置，以图示范说明cmos或ccd影像传感器202与激光120或led光源121的相对位置，并非图14所示影像感测装置的准确剖面图。图12所示的单一cmos或ccd影像传感器202是极为适合用于加法暗场特征收集，校准位置210要求所观察部件200的表面208够大足以保证独特斑点图样，图13所示的多个cmos或ccd影像传感器是适用于激光斑点图样或横朝向。由于激光斑点图样影像感测装置通过所观察部件200的表面208上，因此可通过连续观察以接合连接的表面区域208产生所观察部件200的大表面区域208，此要求观察的低误差拼接一起形成够大表面区域足以保证在校准位置的独特斑点图样。如图3所示，相应到所观察部件200的较大表面208而增大cmos或ccd影像传感器202的尺寸，使非均等平均斑点大小造成的变形明显增大，然而，大型cmos或ccd影像传感器202具有高复杂度及高成本。如图10所示，复式斑点图样影像传感器是通过使用多个cmos或ccd影像传感器以增大所观察部件200的表面208，优点在于所观察部件200相应到各cmos或ccd影像传感器的表面208越小，要求越小的影像均等标度。如图11所示复式激光斑点图样影像传感器亦可通过使用rgbcmos或ccd影像传感器202以合并分开的激光斑点区域110或暗场116表面区域208，用以增大所观察部件200的合并表面208。
图14是以底视图表示一斑点图样影像感测装置，复式影像感测装置的基本组件是cmos或ccd影像传感器202，至少一个激光120，122，124或led光源121，传感器电路板230，微处理器231，fpga及/或asic，不变性内存233，及依电性内存234。激光光源产生激光斑点影像，而通常将使用led光源以产生暗场影像，cmos或ccd影像传感器202，至少一个激光同调光源120，122，124，微处理器231，fpga及/或asic，不变性内存233及依电性内存234等组件是焊接到传感器电路板230及通过传感器电路板以电互连。可将cmos或ccd影像传感器202与至少一个激光同调光源120，122，124建立为子模块以促成所使用任何光学源透镜130容易正确置放，微处理器231，fpga及/或asicsoc、包括有不变性内存233及依电性内存234的晶上是统是执行控制逻辑所需。复式激光斑点图样影像感测装置使用超过一红光激光120(蓝光激光122，绿光激光124)同调光源，及具有相应红色(蓝色，绿色)像素的cmos或ccd影像传感器202。简单的非复式激光斑点图样影像感测装置只使用一个红光激光120(蓝光激光122或绿光激光124)同调光源及一黑白cmos或ccd影像传感器202。
图15是位置误差偏对斑点/像素大小的图表，图表上的线条是像素宽度/特征宽度，其是有效用于单位纵横比的像素大小/特征大小。所述图表要求像素数组大小是比特征大小大，结果，特征大小判定最小值像素数组大小。够大足以确保独特斑点图样的校准位置210可是如图9，10，12及13所显示的多个复式激光斑点图样影像感测装置的所有子组件的合并表面208。
显示用以减为斑点/像素大小的偏效应增大，及因此遵守nyquist准则，当斑点/像素大小是低于2像素×2像素时，噪声阻碍斑点位移的精确判断(nyquist准则)，及精确判断斑点位移受阻碍阻止校准位置210具有与邻近环境形成对比的稳定显著点排列。在将cmos或ccd影像传感器202的像素成像误差及缺陷列入考虑时，建议沿着cmos或ccd影像传感器的水平轴及垂直轴的斑点大小是比4像素×4像素大。
图17表示所观察部件200的表面208上的一校准位置自然斑点特征210，所观察部件200的整个表面208产生自然斑点图样，为求简洁，图17只表示在一斑点全视图209内一校准位置210的自然斑点特征，由gabor小波、surf/sift特征描述符及相应显著点斑点图样来描述校准位置自然斑点特征210，并不储存完整斑点图样，结果缩减的依电性内存234的需求能以校准位置210完整覆盖所观察部件200的表面208。
图19表示相邻的校准影像位置210，各相邻校准影像210具有少数感兴趣点及具有至少一surf特征。在初始化804后，在操作832期间不可能将首先检测到的校准影像210独特地映像到一绝对位置041，匹配的校准影像210将协助候选匹配sift/surf特征描述符020的位置选组009。由于操作832继续进行，因此另外匹配的校准影像210的相对位置独特地定义绝对位置。一旦一校准影像集合210的相对位置已判定绝对位置041，各后续检测到的校准影像210即通过校准影像集合210的相对位置指出新的绝对位置，不费力就确保任一校准位置210的确独特地定义绝对位置。每一相邻斑点全视图209包含至少一完整校准影像210，使用简单校准影像位置210之间无任何间隙，不需基于从最后已知绝对位置的相对位移来估算绝对位置，从先前校准影像210的相对位移再确认目前校准影像210的绝对位置。校准影像210只需在相对位移误差内是独特的，每一相邻斑点全视图209包含至少一校准影像210，以便相对位移误差无法在校准影像位置210之间累积。校准影像210要求极少感兴趣点及极简单特征以成为足够独特，若目前校准影像210已遭损坏，则通过计算从周围校准影像210的准确相对位移以得知目前绝对位置。如先前通过图3的说明，使用目前已知绝对位置，选择及储存一替换校准影像210。
图20表示一些随机分开的校准影像位置210，由分开一些距离的校准影像210包围，各校准影像210具有少数感兴趣点及具有至少一surf特征。在初始化804后，可能完全不知绝对位置，直到匹配到一校准影像210。甚至在操作832期间匹配到一校准影像210后，校准影像亦不可能独特地映像到一绝对位置。匹配的校准影像210及在周围校准影像210之间的相对位移将协助候选匹配sift/surf特征描述符的位置选组009。由于操作832继续进行，另一匹配校准影像210的相对位置独特地定义绝对位置，在已判定绝对位置后，从周围校准影像210的绝对位置的相对位移中估算出绝对位置。当一校准影像210受到损坏时，并非在预期处检测到，每次检测到一校准影像210皆非靠近其估算绝对位置033，递增成功匹配计数030并未递增。使用不够可靠的校准影像点，计算从周围校准影像位置210的精确相对位移，直到储存有一替换校准影像210。当最近校准影像位置210是不同于先前使用的校准影像位置210时，使用新的估算绝对位置(其是较不精确绝对位置)以统计方式验证新校准影像位置210的既定绝对位移是正确的，不费力就确保任一校准位置210独特地定义绝对位置041。
在校准模式期间记录校准位置210的绝对位置041，在图21显示将框撷取斑点影像映像到校准位置框210的过程，在校准模式期间，可在所有斑点影像上执行感兴趣点014的选择，或可将感兴趣点014的选择延迟到要求新斑点显著点用于已知位置的新surf/sift描述符。一旦已知绝对位置041，可将目前撷取框作为参考框使用。在校准模式操作的第一轮，不曾记录任何校准位置210且尚未校准飞行时间传感器925，将活塞杆200在全延伸及全缩回的已知位置作为初始已知绝对位置041使用。使用此等已知绝对位置041以校准飞行时间传感器925及选择一参考框，在校准模式中，使用相邻选取参考框的框以映射所观察部件200的表面208。由于光学位移传感器230移动在所观察部件200的表面208，因此撷取斑点影像。许多斑点影像可与各相邻框重叠，映像所观察部件200的表面208，若可用内存足够，则使用每一相邻框以储存一校准影像210(如图19所显示)。当校准位置之间无任何间隙时，估算绝对位置033即校准位置210的绝对位置，可周期性地连接像素以形成斑点影像的梳滤镜分组212。将个别像素或像素分组连接到adc模拟数字转换器，将像素光子强度转换成二进制表示法以作为斑点影像使用，周期性地连接像素以形成斑点影像梳滤镜分组212减少储存校准斑点影像显著特征210所需的内存，及减少匹配目前斑点影像显著特征014与所储存校准斑点影像显著特征210所需的计算工作量。暗场表面绕射本质上是集中到特征且在表面并不均匀。周期性连接斑点影像梳滤镜群组212的许多像素将不同时接收暗场表面绕射照明，通常使用的斑点影像分组实作替代先前技术是将像素分组以形成邻近像素的2×2斑点影像筐，邻近像素的2×2或4×4斑点影像减低可分解特征细节。
梳数组是可替代地表示为离散傅立叶变换(dft)，可推断一维(1d)梳数组基本上是在一特殊频率的1d相关性。周期性连接斑点影像梳滤镜212表示二维(2d)梳数组，每一单元格具有4×4元素。在各单元格内，通过线条来表示4×4元素：虚线，短折线，长折线，实线。重复周期性连接的4×4单元格元素的斑点影像梳滤镜212，将4×4单元格的各像素组件连接到邻近单元格的相应像素组件。替代实作可包括具有不同于每单元格4×4像素组件的2d梳数组，具有子数组的2d梳数组，或具有可动态重组态梳连接能用以动态地更动空间频率的2d梳数组。
可修改动态可重组态2d梳数组的分辨率：通过调整附加adc的分辨率，通过将像素的电连接重配置到附加adc，或通过变动adc作为斑点影像使用的二进制像素表示法的组合。adc产生二进制像素表示法的可重组态组合作为斑点影像使用是优选实作，等效地，可将斑点影像在算法的影像均等标度校正阶段以重组态方式组合。周期性连接的斑点影像梳滤镜212具有硬件赋能像素相关性的有利点。
如图20所示，当校准位置210之间有间隙时，通过测量从前一校准位置210的相对位移以取得估算绝对位置033，在测得相对位移的小误差累积，其造成估算绝对位置033中的误差。从与校准框210重叠的斑点影像框以计算出校准框210内像素的变量及平均，若变量是一致地太大，则有像素不对准误差，要求ic-gn子像素三角位移算法440，或需要较多世代的ic-gn子像素三角位移算法440。具有高变量的点并非目前斑点影像显著特征014的好候选者，不应使用于校准影像显著点210。校准斑点影像选取显著点210可是自然特征或蚀刻或激光黑化的特征，当蚀刻独特特征时不需精确位置控制，好候选特征是图25所显示的1d二进制编码校准图样及图26所显示的2d二进制编码校准图样。相对图样几何足以将1d二进制编码校准图样215及2d二进制编码校准图样216描述为序列，其大大减低储存1d二进制编码校准图样215及2d二进制编码校准图样216所需的内存。使用先前说明用以储存自然特征作为校准位置210的方法，以定出二进制编码图样的各元素的精确位置。
在图22中，先前已在图21所描述校准模式中记录校准位置210，此等校准位置210可已是如图16，17及18所显示的自然特征或蚀刻的1d校准位置215/2d校准位置216。通过测量从前一校准位置210的相对位移及/或通过飞行时间传感器925以取得估算绝对位置033，飞行时间传感器925的射程速率及其易受光学干扰伤害是飞行时间传感器925的关键限制，低成本飞行时间传感器925能估算绝对位置，其动态地缩短定出校准位置210所需的时间。位置选组器009使用估算绝对位置033作为候选校准位置210的surf/sift描述符选择器012的输入，使用估算绝对位置033的知识，斑点影像撷取框内的一些显著特征点014即足以检测校准位置210及判定绝对位置041。
图23以侧剖面图显示具有一光学位移传感器组件230的液压汽缸组件实施例，液压汽缸组件包括一汽缸筒901及一感测装置外壳910，在汽缸筒901内设置一活塞902用以沿着一轴往复运动以回应液压流体。活塞902将汽缸筒901分割成二小室907及908，外壳910是牢固地安装在汽缸筒901上。一活塞杆200的一端是固定到活塞902及沿着移动轴延伸，活塞杆200的另一端延伸出外壳910，汽缸底部与活塞杆200的外侧端中的一者或两者是可与一机械组件直接(或间接)连接。
汽缸筒901具有二开口用于流体如油或水流进及流出小室907，908的通道，用以移动活塞902。在汽缸筒901内设置封件906与活塞杆200的表面齐平及藉此防止流体离开小室907。
外壳910包围一光学位移传感器230，其用以判定活塞杆200的瞬间位置，外壳910内的封件912是设置用以清理活塞杆200的表面及藉此防止流体或灰尘污染光学位移传感器230，外壳910提供光学位移传感器组件230保护以远离环境及允许感测单元容易替换。光学位移传感器230安装在外壳910内，接近活塞杆的表面，用以允许读取活塞杆200的移动。
顶部接触压力传感器919安装在汽缸筒901的顶止档905，底部接触压力传感器918安装在汽缸筒901的底止档904，此二接触传感器一起提供二位数字信号以指出活塞902是否达到顶止档905或底止档904，或皆未达到，相应地，当活塞902达到顶止档905或底止档904时，即调整或更新在储存体的绝对位移信息。飞行时间传感器925安装在外壳910上及目标指向活塞杆200的附加飞行时间反射器903，飞行时间传感器925是在顶止档905及/或底止档904校准，飞行时间传感器925估算活塞杆200延伸，其使用光学位移传感器230来提升。
在操作中，以时变压力迫使流体进入小室907，908或从其中移除流体，使活塞902(及活塞杆200因此)相对于光学位移传感器230前后滑动。光学位移传感器230读取活塞杆200的相对位移及产生一相应数字信号，在传感器电路板930上的微处理器231，fpga及/或asic是通过匹配校准图样及使用相对位移以计算活塞杆200的绝对位移，所取得绝对位移指出活塞杆200及活塞902的实际位置。
图24以等角视图表示具有附加光子影像传感器的液压汽缸，及显示用以取得图23所示剖面所使用的切割线a--a。
图25是以图表示所观察部件200具有一维二进制编码的校准图样215，校准图样的数目未限定到三个，校准图样的数目及置放是由应用需求来判定，独特校准图样使基于其校准图样以判定何为目前校准图样成为可能。在校准模式期间判定1d二进制编码校准图样215的绝对位置，其能使用较低成本激光蚀刻以取得1d二进制编码校准图样215。
图26是以图表示所观察部件200具有2d二进制编码的校准图样216，校准图样的数目及置放是由应用需求来判定，独特校准图样使基于其校准图样以判定何为目前校准图样成为可能。在校准模式期间判定2d二进制编码校准图样的绝对位置，其能使用较低成本激光蚀刻以取得2d二进制编码校准图样216，间距很大的2d二进制编码校准图样所需蚀刻减少能进一步降低制造成本。
专利文件：
专利文件1：美国专利us9027460b2号
专利文件2：美国专利us8525777b2号
专利文件3：美国专利us9086783b2号
专利文件4：美国专利us9342164b2号
专利文件5：美国专利us7727947b2号
专利文件6：美国专利us8692880b2号
专利文件7：美国专利us8482607b2号
专利文件8：欧盟专利ep2769104b1号
专利文件9：美国专利us9134116b2号
专利文件10：欧盟专利ep2775268a1号
专利文件11：中国专利cn2015/075823号
专利文件12：美国专利us9449238b2号
专利文件13：美国专利us8847888b2号
专利文件14：美国专利us7728816b2号
专利文件15：美国专利us9052759b2号
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