利用虚圆特征识别的无码盘角度测量机制研究

The demands of high resolution angular measuring devices in micro scale increase significantly with the development of optical measurement, micro-nano manufacturing and intelligent equipment. However, the traditional angular measuring mechanism based on the absolute coding disk, which costs a lot in processing and installation, has already attained the essential limitation on miniaturization of the devices. We propose a new angular measuring mechanism based on computer vision instead of traditional coding patterns. The absolute angular information will be obtained by the feature recognition of a dynamic virtual circular orbit forming by a rotating light dot which is captured by an imaging sensor. Consequently, the structure of the angular measuring device based on this coding-disk-free angular measuring mechanism will be different from that of the traditional one, and both high resolution and further miniaturization can be achieved. An experimental setup for testing the performance of the new angular measuring system will be constructed. The light compensation mechanism, geometric model and calibration method of the imaging system under ultra-close-up and lensless condition will be studied. The feature extraction based on the blurred pictures resulted by loss of focus will be analyzed. The recognition algorithm of the dynamic virtual circle feature and measuring algorithm will be obtained. Finally, a new angular precision measuring theory will be built and it will provide effective solution on the miniaturization of high resolution angular measuring devices.

随着光学测量、微纳制造及智能装备的高速发展，对微型高精度角度测量装置的需求也日益提高。传统码盘式间接角度测量方式不仅造成装置加工与安装成本昂贵，而且码盘与装置空间尺寸的缩减已达到绝对位置编码理论的极限，成为高精度角度测量装置微型化的瓶颈。本研究提出利用图像传感器捕捉光斑旋转中形成的动态虚圆特征，并通过算法获得旋转角度信息的新原理与新方法，改变传统光电编码器的结构及获取测量数据的方法，在获得高精度测量的同时突破尺寸空间极限实现微型化。通过构建图像式无码盘角度测量平台，对无码盘角度测量装置的模型和算法进行测试研究；探索超近景、无透镜拍摄条件下的光线位置补偿机制、成像模型及参数标定方法，研究图像类失焦问题下的动态虚圆特征识别机理和角度测量算法；最终建立对装置安装位置误差具有自适应能力的无码盘角度测量方法及相关理论，为微型高精度角度测量在理论与实践两方面实现新的开拓性进展提供理论指导和技术支撑。

为解决传统基于位置编码的光电式旋转编码器测量精度与装置体积的矛盾，本项目提出一种基于旋转光斑轨迹的角度测量机制。该测量机制不依赖复杂位置编码，使用图像传感器捕捉随被测轴转动的光斑图像，拟合出光斑图像的轨迹，轨迹方程中的一个参数即为被测轴旋转角度，实现了测量。本项目对上述测量方法进行了数学建模，在被测轴旋转中心固定的前提下设定其光斑图像轨迹的模型为椭圆，其中椭圆方程中的离心角即为被测转轴的旋转角度。为实现上述全新的测量方法，提出了一个透射式的测量装置结构，设计并搭建了实验平台，该结构应用超近景非聚焦成像，与传统结构相比光电结构都更加简单，省略了平行透镜和聚焦透镜。提出一套完整的测量算法，包括图像的预处理、光斑代表坐标的提取、轨迹的拟合和角度的测量四个部分，并通过实验验证了测量结构和算法的可行性。进而通过理论和实验研究了本测量方法的测量精度与装置结构参数、光源特性以及参与拟合的光斑图像数目的关系。首先，理论和实验研究结果都表明本测量方法的精度不受光斑盘和图像传感器的相对安装位置的影响，因此本测量方法可以实现非精密安装条件下的精确测量。第二，在光源特性的研究中使用实验方法研究了点光源和环形光源对测量精度的影响，结果表明环形光源能有效降低不同位置光斑图像的光分布改变的问题，从而大大提升了测量精度。最后，研究了测量精度与参与拟合的光斑点数的关系，使用均匀选取和随机选取两种方式来降低参与拟合的光斑数目，综合考虑实际操作的方便性和最终的测量精度，推荐使用随机的选取方式来获得36个以上的拟合光斑完成测量。综合上述研究结论，本研究通过实验获得的最高测量精度为6角秒，实现了非精密安装条件下的精密测量，为新型角度测量装置及其小型化提供了新的理论和实验基础。