一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法及装置与流程

本发明涉及光电位移精密测量技术领域，特别是涉及一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法及装置。

背景技术：

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的、集光、机、电于一体的数字角度位置传感器。光电编码器是由光栅码盘和光电检测装置组成。它的测量范围较广，被广泛应用于光电经纬仪，雷达，航空航天，机器人，数控机床，指挥仪和高精度闭环调速系统等诸多领域。在航天、军事、工业这些对器件的体积和重量有着严格要求的领域，对光电编码器的要求不仅是要减小其外径尺寸和重量，更要提高光电编码器的分辨力和精度。因此，在缩小码盘的同时，提高光电编码器的分辨力和测角精度是目前研究的热门。

随着数字成像技术的发展，采用图像探测器实现角位移测量具有更高的优势。图像式角位移测量技术是采用图像处理的方法对光栅码盘的刻线图案进行识别进而实现高精度、高分辨力角位移测量的方法。在采用图像识别技术对光栅码盘的编码进行译码的同时，研究一种角位移细分算法能够在原有光栅码盘刻线数量的基础上，实现更高的测角分辨力。

图像的噪声、成像透镜的离焦等因素都会极大的影响细分算法，虽然数字图像滤波可以滤除噪声，但是也会使图像信息丢失角度测量信息。传统的图像式角位移测量技术采用“质心算法”完成角位移细分算法，其算法受图像噪声、离焦因素的影响较大，并且计算时“窗口”大小的选择也会影响“质心算法”细分的结果。因此，研究一种抗干扰性强，离焦影响小，并具有较强适应性的角度细分算法是提高图像式角位移测量技术的关键。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法及装置，具有抗干扰性强，离焦影响小并具有较强适应性，提高图像式角位移测量技术的有益效果。

本发明的第一方面提供了一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法，所述方法包括：

获取光栅码盘上的基准刻线图像，基准刻线是均匀刻划在光栅码盘同一直径位置上的等间距、等宽的一组刻线；

对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果；

利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数；

利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，包括：

采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果。

可选地，所述采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，包括：

采用二次线性函数对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述二次线性函数表达式如下：

f(x)＝ax²+bx+c

其中，a,b,c分别为各项系数，x为基准刻线图像的像素点位置值；或者

还可以采用高斯函数对对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述高斯函数表达式为：

其中，a为函数幅值，x0为函数中心点，σ为函数扩展范围。

可选地，所述采用二次线性函数对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果之后，所述方法还包括：

计算窗口n内f(x)与p(x)差值的平方和m最小时的系数a,b,c值，所述m具体为：

可选地，所述计算窗口n内f(x)与p(x)差值的平方和m最小时的系数a,b,c值，包括：

分别对m计算a,b,c的偏导数，并令偏导数等于零，得到三元三次方程组的系数矩阵；

对所述三元三次方程组的系数矩阵进行处理得到a,b,c的值。

可选地，所述分别对m计算a,b,c的偏导数，并令偏导数等于零，得到三元三次方程组的系数矩阵，包括：

所述三元三次方程组的系数矩阵如下：

可选地，所述对所述三元三次方程组的系数矩阵进行处理得到a,b,c的值，包括：

经过变换可以得到方程组：

a(a1-a3c1)+b(b1-b3c1)＝d1-d3c1

a(a2-a3c2)+b(b2-b3c2)＝d2-d3c2

c＝d3-aa3-bb3，

其中，a1～a3,b1～b3,c1～c3分别是所述方程组中a,b,c的系数，通过对所述方程组求解得到唯一的一组解{a,b,c}，所述唯一的一组解{a,b,c}为a,b,c的值。

可选地，所述采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，包括：

可选地，所述利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数，包括：求取所述最小二乘法拟合函数f(x)的极大值所在位置。令f(x)的导数f(x)'＝0，并求此时x的值，即为基准刻线的中心点z的值。

可选地，利用角位移预设关系计算所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述角位移预设关系为：

其中，利用第一基准刻线的中心点和图像探测识别线相交的第一交点z1，第二基准刻线的中心点与图像探测识别线相交的第二交点z2，所述图像探测识别线与图像中心线相交的第三交点z0，2ⁿ为所述光栅码盘上基准刻线的数量。

本发明的第二方面提供一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分装置，所述装置包括：

获取单元，用于获取光栅码盘上的基准刻线图像，基准刻线是均匀刻划在光栅码盘同一直径位置上的等间距、等宽的一组刻线；

拟合单元，用于对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果；

计算单元，用于利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数；

处理单元，用于利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述拟合单元具体用于：

采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果。

可选地，所述拟合单元具体用于：

采用二次线性函数对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述二次线性函数表达式如下：

f(x)＝ax²+bx+c

其中，a,b,c分别为各项系数，x为基准刻线图像的像素点位置值。

可选地，所述计算单元还用于：

计算窗口n内f(x)与p(x)差值的平方和m最小时的系数a,b,c值，所述m具体为：

可选地，所述拟合单元还用于：

分别对m计算a,b,c的偏导数，并令偏导数等于零，得到三元三次方程组的系数矩阵；

对所述三元三次方程组的系数矩阵进行处理得到a,b,c的值。

可选地，所述拟合单元还用于：

所述三元三次方程组的系数矩阵如下：

可选地，所述拟合单元用于：

经过变换可以得到方程组：

a(a1-a3c1)+b(b1-b3c1)＝d1-d3c1

a(a2-a3c2)+b(b2-b3c2)＝d2-d3c2

c＝d3-aa3-bb3，

其中，a1～a3,b1～b3,c1～c3分别是所述方程组中a,b,c的系数，通过对所述方程组求解得到唯一的一组解{a,b,c}，所述唯一的一组解{a,b,c}为a,b,c的值。

可选的，所述计算单元用于：

计算所述基准刻线中心点计算结果，包括：求取所述最小二乘法拟合函数f(x)的极大值所在位置。令f(x)的导数f(x)'＝0，并求此时x的值，即为基准刻线的中心点z的值。

可选地，所述拟合单元也可以用于：

采用高斯函数对对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述高斯函数表达式为：

其中，a为函数幅值，x0为函数中心点，σ为函数扩展范围。

可选地，所述处理单元可以用于：

利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述角位移预设关系为：

其中，利用第一基准刻线的中心点和图像探测识别线相交的第一交点z1，第二基准刻线的中心点与图像探测识别线相交的第二交点z2，所述图像探测识别线与图像中心线相交的第三交点z0，2ⁿ为所述光栅码盘上基准刻线的数量。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法及装置，所述方法包括：获取光栅码盘上的基准刻线图像，基准刻线是均匀刻划在光栅码盘同一直径位置上的等间距、等宽的一组刻线；对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合,得到第一计算结果；利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数；利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果，具有抗干扰性强，离焦影响小并具有较强适应性，提高图像式角位移测量技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法的原理图；

图2为本发明提供的一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法的流程图；

图3为本发明提供的一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法的角位移计算原理图；

图4为本发明提供的一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分装置的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明的第一方面提供了一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法，包括：基准刻线图像1、拟合计算2、中心点计算3、角位移计算4、角度细分结果5。该算法根据图像探测器采集到的光栅码盘上基准刻线图像1，采用图像拟合计算2实现对基准刻线图像1中每一条基准刻线的图像分别进行拟合；根据拟合计算结果2，采用中心点计算3得出光栅码盘上“基准刻线”的中心的精确位置；在完成对光栅码盘图像中相邻的两条“基准刻线”中心点位置的计算后，采用角位移计算4得到当前码盘旋转位置的角度细分结果5。

具体地，结合图2所示，所述方法包括：

s101、获取光栅码盘上的基准刻线图像，基准刻线是均匀刻划在光栅码盘同一直径位置上的等间距、等宽的一组刻线；

s102、对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果；

s103、利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数；

s104、利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，包括：

采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果。

可选地，所述采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，包括：

采用二次线性函数对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述二次线性函数表达式如下：

f(x)＝ax²+bx+c

其中，a,b,c分别为各项系数，x为基准刻线图像的像素点位置值。

可选地，所述拟采用二次线性函数对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果之后，所述方法还包括：

计算窗口n内f(x)与p(x)差值的平方和m最小时的系数a,b,c值，所述m具体为：

可选地，计算窗口n内f(x)与p(x)差值的平方和m最小时的系数a,b,c值，包括：

分别对m计算a,b,c的偏导数，并令偏导数等于零，得到三元三次方程组的系数矩阵；

对所述三元三次方程组的系数矩阵进行处理得到a,b,c的值。

可选地，所述分别对m计算a,b,c的偏导数，并令偏导数等于零，得到三元三次方程组的系数矩阵，包括：

所述三元三次方程组的系数矩阵如下：

可选地，所述对所述三元三次方程组的系数矩阵进行处理得到a,b,c的值，包括：

经过变换可以得到方程组：

a(a1-a3c1)+b(b1-b3c1)＝d1-d3c1

a(a2-a3c2)+b(b2-b3c2)＝d2-d3c2

c＝d3-aa3-bb3，

其中，a1～a3,b1～b3,c1～c3分别是所述方程组中a,b,c的系数，通过对所述方程组求解得到唯一的一组解{a,b,c}，所述唯一的一组解{a,b,c}为a,b,c的值。

可选的，利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数，包括：求取所述最小二乘法拟合函数f(x)的极大值所在位置。令f(x)的导数f(x)'＝0，并求此时x的值，即为基准刻线的中心点z的值。

可选地，所述采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，包括：

还可以采用高斯函数对对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述高斯函数表达式为：

其中，a为函数幅值，x0为函数中心点，σ为函数扩展范围。

结合图3所示，可选地，第一基准刻线11，图像中心线12、第二基准刻线13，图像探测器识别线14.所述第一基准刻线11与所述第二基准刻线13为分布在所述图像中心线12两侧的相邻基准刻线，所述角位移预设关系为：

其中，利用第一基准刻线的中心点和图像探测识别线相交的第一交点z1，第二基准刻线的中心点与图像探测识别线相交的第二交点z2，所述图像探测识别线与图像中心线相交的第三交点z0，2ⁿ为所述光栅码盘上基准刻线的数量。

针对采用二次线性函数对所述基准刻线进行拟合，下面进行具体说明：

二次线性函数表达式如式(1)所示。

f(x)＝ax²+bx+c(1)

式(1)中，a,b,c分别为各项系数。为拟合细分基准刻线，应使窗口n内函数值f(x)与像素灰度值p(x)差值的平方和m最小，如式(2)所示。

所述窗口n的大小采用阈值计算方法，即设阈值为预设值α，当p(x)≥α时的x的范围为n的窗口范围。为了求m取极小值时的系数a,b,c，分别对m求a,b,c的偏导数，并令其等于零，得到：

设式(3)(4)(5)的三元三次方程组的系数矩阵如式(6)所示。

式(6)中x∈n，经过变换可以得到：

式(7)中，a1～a3,b1～b3,c1～c3分别是程组中a,b,c的系数。通过对式(7)的求解可以得到唯一的一组解{a,b,c}。

所述中心点计算是根据式(7)中{a,b,c}的求解结果进行求解，如式(9)所示。

采用高斯函数对所述基准刻线进行拟合的时候，高斯函数表达式如式(8)所示。

式(8)中，a为函数幅值，x0为函数中心点，σ为函数扩展范围。采用高斯函数对所示基准刻线进行拟合的方法参照二次线性函数方法，这里不在叙述。

结合图3所示，第一基准刻线11，图像中心线12、第二基准刻线13，图像探测器识别线14.所述第一基准刻线11与所述第二基准刻线13为分布在所述图像中心线12两侧的相邻基准刻线；第一基准刻线11与第二基准刻线13的中心点与图像探测器识别线14相交于点z1和z2,两点；所述图像探测器识别线14与所述图像中心线12相交于z0；o点为光栅码盘的圆心；θ即为所述角度细分结果5。设2ⁿ为光栅码盘中圆周内刻划基准刻线的数量，那么角位移计算方法如式(10)所示。

通过上述计算过程可以获得角位移的细分结果。

结合图4所示，本发明的第二方面提供一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分装置，所述装置包括：

获取单元201，用于获取光栅码盘上的基准刻线图像，基准刻线是均匀刻划在光栅码盘同一直径位置上的等间距、等宽的一组刻线；

拟合单元202，用于对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果；

计算单元203，用于利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数；

处理单元204，用于利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述拟合单元202具体用于：

采用最小二乘法对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果。

可选地，所述拟合单元202具体用于：

采用二次线性函数对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述二次线性函数表达式如下：

f(x)＝ax²+bx+c

其中，a,b,c分别为各项系数，x为拟合细分基准刻线。

可选地，所述拟合单元202还用于：

计算窗口n内f(x)与p(x)差值的平方和m最小时的系数a,b,c值，所述m具体为：

可选地，所述拟合单元202还用于：

分别对m计算a,b,c的偏导数，并令偏导数等于零，得到三元三次方程组的系数矩阵；

对所述三元三次方程组的系数矩阵进行处理得到a,b,c的值。

可选地，所述拟合单元202还用于：

三元三次方程组的系数矩阵如下：

可选地，所述拟合单元202用于：

经过变换可以得到方程组：

a(a1-a3c1)+b(b1-b3c1)＝d1-d3c1

a(a2-a3c2)+b(b2-b3c2)＝d2-d3c2

c＝d3-aa3-bb3，

其中，a1～a3,b1～b3,c1～c3分别是所述方程组中a,b,c的系数，通过对所述方程组求解得到唯一的一组解{a,b,c}，所述唯一的一组解{a,b,c}为a,b,c的值。

可选地，所述拟合单元202还可用于：

采用高斯函数对对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果，所述高斯函数表达式为：

其中，a为函数幅值，x0为函数中心点，σ为函数扩展范围。

可选的，所述计算单元203用于：

计算所述基准刻线中心点计算结果，包括：求取所述最小二乘法拟合函数f(x)的极大值所在位置。令f(x)的导数f(x)'＝0，并求此时x的值，即为基准刻线的中心点z的值。

可选地，所述处理单元204可以用于：

利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果。

可选地，所述角位移预设关系为：

其中，利用第一基准刻线的中心点和图像探测识别线相交的第一交点z1，第二基准刻线的中心点与图像探测识别线相交的第二交点z2，所述图像探测识别线与图像中心线相交的第三交点z0，2ⁿ为所述光栅码盘上基准刻线的数量。

本发明提供的基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法及装置，所述方法包括：获取光栅码盘上的基准刻线图像，基准刻线是均匀刻划在光栅码盘同一直径位置上的等间距、等宽的一组刻线；对所述基准刻线图像中相邻的两条基准刻线分别为第一基准刻线和第二基准刻线进行拟合得到第一计算结果；利用所述第一计算结果计算所述光栅码盘上第一基准刻线和第二基准刻线之间的中心点位置参数；利用角位移预设关系和所述中心点位置参数获得所述光栅码盘当前旋转位置的角度细分结果，具有抗干扰性强，离焦影响小并具有较强适应性，提高图像式角位移测量技术。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁盘或光盘等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种基于图像探测器的亚像素级角位移细分方法及装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。