專利名稱：基于圖像分析的位置檢測傳感裝置及其位置檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種位置檢測及傳感裝置，尤其是涉及一種基于圖像分析的位置檢測 及傳感裝置。
背景技術：
運動控制技術的應用越來越廣泛，尤其在機器人或機械手出現后，一些勞動強度 大、工作環境危險、工作效率嚴格或高精度動作要求等方面的工作，人力逐漸被精密機械所替代。機器人或機械手等精密機械要求通過多軸運動可任意設置運動的目標位置、運行 軌跡和運動速度，因此對多軸運動控制的精度要求很高。多軸運動控制包括開環控制、全閉 環控制和部分閉環控制三種控制方式。開環控制是多軸運動控制的主要形式。每一軸的位置控制器包括運動控制單元、 伺服電機及其傳感器。每一軸的最終位置精度受到伺服電機、運動控制單元的減速箱和傳 動裝置的誤差影響。如果是關節式的機械手，最終的位置偏差是每個運動軸的偏差疊加。開 環控制對伺服電機、減速箱、傳動裝置各部件的精度要求很高，不容易實現高精度的控制要 求。全閉環控制是在機器人或機械手的運動終端位置安裝空間位置傳感器，在機器全 運動范圍內實時檢測實際位置。這種控制方式對伺服電機、減速箱、傳動裝置的精度要求不 高，任意范圍都有良好的控制精度，是一種理想的控制方式。但全范圍、多維以及高精度的 空間位置傳感器很難實現，目前幾乎沒有實用化。大部分的機器人或機械手的運動都是在兩到幾個點之間移動。一般對目標位置的 精度要求很高，但對移動軌跡的精度要求不高。部分閉環的運動控制就是為了滿足這種要 求產生的，實現的方法是在運動的目標位置附近安裝位置傳感裝置，當機械手進入其檢測 范圍才起作用，對定位的偏差進行檢測和修正，保證最終位置的準確性。這種控制方法在降 低了對空間位置檢測要求的同時又保持了如全閉環的高控制精度、低部件要求的優點。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種能夠直接同時檢測距 離和速度并對其按剩余距離進行限速的電梯終端位置限速裝置。一種基于圖像分析的位置檢測傳感裝置，包括一檢測頭和一標靶。該檢測頭包括 一攝像頭；該標靶具有一直徑為D的圓形區的標靶圖像，該圓形區沿著一軸線對半分成兩 個半圓；該圓形區平分為一黑區和一白區，該黑區和白區之間具有一分界線，該分界線由分 別設置在軸線兩側并僅在圓形區的圓心處連接的二個直徑為D/2的半圓形組成。該攝像頭 在檢測位置拍攝標靶圖像并與一標準圖像相對比，獲得檢測頭相對標靶X、Y、Z軸向以及角 度的位置偏差值，并通過檢測頭傳送至遠端控制裝器。進一步，該檢測頭還包括圖像處理器和信號接口，所述攝像頭在檢測位置獲得標靶圖像并傳送至圖像處理器中進行圖像分析，獲得檢測頭攝像頭相對標靶的X、Y、Z軸向以 及角度的位置偏差值，然后通過信號接口將位置偏差值傳送至遠端運動控制器，控制調整 檢測頭的位置。進一步，該檢測頭安裝在一移動部件上，該標靶安裝在一固定部件上，該檢測頭相 對該標靶移動。進一步，所述圖像處理器根據檢測位置圖像的黑區和白區的占空比判斷檢測位置 的偏向，然后通過信號接口將位置偏差信號傳送至遠端運動控制器，控制調整檢測頭的X 軸和Y軸方向的移動。進一步，所述檢測頭位置被調整，使得檢測位置圖像的黑區和白區的占空比為 1 1時，對比檢測位置圖像與標準圖像的黑白區分界線形狀，并控制調整檢測頭的Z軸方 向的移動，使檢測位置圖像與標準圖像的黑白區分界線的形狀一致。進一步，所述圖像處理器根據檢測位置圖像的分界線與標準圖像的分界線的角度 偏差值判斷檢測位置的角度偏差，然后通過信號接口將位置偏差信號傳送至遠端運動控制 器，控制調整檢測頭旋轉角度。一種基于圖像分析的位置檢測方法，包括步驟1 設置一標靶圖像，所述標靶圖像 為一直徑為D的圓形區，該圓形區沿著一軸線對半分成兩個半圓；該圓形區平分為一黑區 和一白區，該黑區和白區之間具有一分界線，該分界線由分別設置在軸線兩側并僅在圓形 區的圓心處連接的二個直徑為D/2的半圓形組成；步驟2 對準所述標靶圖像的圓心在標準 位置獲得一標準圖像；步驟3 獲得檢測位置圖像，并將其與標準圖像做對比，獲得檢測位 置相對標準位置的X、Y、Z軸向以及角度的位置偏差值。根據檢測位置圖像的黑白占空比判斷檢測位置偏向黑區或白區，從而計算檢測位 置相對標準位置X軸向和Y軸向的偏移量。當檢測位置圖像的黑白占空比為1 1時，對比檢測位置圖像與標準圖像的黑白 區交界形狀，從而計算檢測位置相對標準位置Z軸向的偏移量。進一步，對比檢測位置圖像的分界線與標準圖像的分界線的角度偏差值，從而計 算檢測位置相對標準位置的角度偏移值。相對于現有技術，本發明的位置檢測傳感裝置及其位置檢測方法大大減低了圖像 分析的難度和運算量，提高了抗干擾能力和效率。對圖像進行分析后，可輸出χ、γ、ζ軸以及 角度的偏差信號，可達到較精確的測量。此外，本發明的位置傳感器成本較低。為了能更清晰的理解本發明，以下將結合
闡述本發明的具體實施方式
。
圖1是本發明位置傳感器的結構示意圖。圖2是圖1所示的標靶上的圖像示意圖。圖3是第一圖像和第二圖像的對比示意圖。圖4是第一圖像和第三圖像的對比示意圖。圖5是第一圖像和第四圖像的對比示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1，其是本發明位置傳感器的結構示意圖。該位置傳感器包括檢測頭10 和標靶20。該檢測頭10包括攝像頭12、圖像處理器14和信號接口 16。該標靶20安裝在 一固定位置，該檢測頭10安裝在一個運動部件上。當檢測頭10隨運動部件移動時，檢測頭 10與標靶20產生相對運動。當標靶20進入檢測頭10的攝像頭12的有效范圍內時，攝像 頭12獲得標靶20上的圖像并傳送至圖像處理器14中進行圖像分析，獲得檢測頭攝像頭12 與標靶10之間的X、Y、Z軸向位置偏差信息，然后通過信號接口 16將位置偏差信息傳送至 遠端運動控制器，控制調整檢測頭10的位置。請同時參閱圖2，其是標靶20上的圖像示意圖。所述標靶圖像為一直徑為D的圓 形區25，其平分為黑區22和白區24。該圓形區25具有一軸線21，該圓形區25沿著該軸線 21可對半分成兩個半圓。該黑區22和白區24之間具有一分界線26，該分界線26具體由 分別設置在軸線21兩側并僅在靶心A (即圓形區25的圓心)處連接的二個直徑為D/2的 半圓形組成。只要與靶心A對正，所述標靶圖像在任何距離和角度上，其視像的黑白占空比 都是50%，因此攝像頭12的白平衡在全檢測范圍內都無需調整，圖像非黑即白，從而使圖 像分析的精度、效率、可靠性都可達到很高。以下詳細說明該位置傳感器的圖像分析方法。請參閱圖3，其是該攝像頭12獲得標靶20上的圖像的示意圖。第一圖像30為攝 像頭12在標準位置拍攝的圖像，第二圖像40為攝像頭12在檢測區域內實際非標準位置拍 攝的圖像。圖像處理器14將第二圖像40與作為標準圖像的第一圖像30進行對比，然后分 析實際位置與標準位置之間X、Y、Z軸的偏差距離和方向。首先分析X軸向和Y軸向的偏差位置在圖3中，第二圖像40的黑色區域比白色 區域要小，因此根據第二圖像40的黑白占空比可以判斷攝像頭12偏向了白色區域，同時可 計算相對X軸向和Y軸向的偏移量。然后分析Z軸向的偏差位置Z軸向的偏差位置具體為攝像頭12與標靶20之間 距離的偏差值。請參閱圖4，此時，假設攝像頭12已對準了靶心A的位置但其與標靶20之 間具有一偏差值L，即攝像頭12拍攝的第三圖像50的黑白占空比1 1，但是由于偏差值 L，第三圖像50的黑白交界形狀與第一圖像30的黑白交界形狀相異。攝像頭12與標靶20 之間的距離越近，則圖像的圓形越小。最后分析Z軸的角度偏差請參閱圖5，假設攝像頭12已對準了靶心A的位置，以 Z軸為旋轉軸旋轉了一角度β，則攝像頭12拍攝的第四圖像60的黑白交界形狀將相對第 一圖像30的黑白交界形狀具有一偏轉角度β。此時，對第四圖像60進行旋轉使得其與第 一圖像30重疊，即可得到旋轉角度β的值。通過上述圖像分析方法，首先檢測相對標準位置X軸向和Y軸向的位移偏差，通過 信號接口 16將位置偏差信息傳送至遠端運動控制器，控制檢測頭10對正標準位置的靶心， 然后再檢測相對標準位置Z軸向的位移偏差以及角度偏差，從而控制檢測頭10停在正確的 位置上。本發明的位置傳感器對位移尤其是Z軸方向的位移精度和線性度不是很高，但該 裝置適合于以標靶中心為目標位置的運動控制上，偏差閉環控制可對檢測精度和線性度的 要求不高，完全滿足控制要求。
相對于現有技術，本發明的標靶圖像采用黑白兩色的固定連續圖像，只要對準其 圓心，在任何距離和任何角度上黑白兩色的占空比都是50%，適用于對圖像的分析，可大大 減低了圖像分析的難度和運算量，提高了抗干擾能力和效率。此外，對圖像進行分析后，可 輸出X、Y、Z軸以及角度的偏差信號，可達到較精確的測量。此外，本發明的位置傳感器成本 較低。本發明并不局限于上述實施方式，如果對本發明的各種改動或變形不脫離本發明 的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發明的權利要求和等同技術范圍之內，則本發 明也意圖包含這些改動和變形。
權利要求
1.一種基于圖像分析的位置檢測傳感裝置，其特征在于包括一檢測頭，該檢測頭包括一攝像頭；一標靶，該標靶具有一直徑為D的圓形區的標靶圖像，該圓形區沿著一軸線對半分成 兩個半圓；該圓形區平分為一黑區和一白區，該黑區和白區之間具有一分界線，該分界線由 分別設置在軸線兩側并僅在圓形區的圓心處連接的二個直徑為D/2的半圓形組成；該攝像頭在檢測位置拍攝標靶圖像并與一標準圖像相對比，獲得檢測頭相對標靶X、Y、 Z軸向以及角度的位置偏差值，并通過檢測頭傳送至遠端控制裝器。
2.如權利要求1所述的位置檢測傳感裝置，其特征在于該檢測頭還包括圖像處理器 和信號接口，所述攝像頭在檢測位置獲得標靶圖像并傳送至圖像處理器中進行圖像分析， 獲得檢測頭攝像頭相對標靶的X、Y、Z軸向以及角度的位置偏差值，然后通過信號接口將位 置偏差值傳送至遠端運動控制器，控制調整檢測頭的位置。
3.如權利要求2所述的位置檢測傳感裝置，其特征在于該檢測頭安裝在一移動部件 上，該標靶安裝在一固定部件上，該檢測頭相對該標靶移動。
4.如權利要求2所述的位置檢測傳感裝置，其特征在于所述圖像處理器根據檢測位 置圖像的黑區和白區的占空比判斷檢測位置的偏向，然后通過信號接口將位置偏差信號傳 送至遠端運動控制器，控制調整檢測頭的X軸和Y軸方向的移動。
5.如權利要求4所述的位置檢測傳感裝置，其特征在于所述檢測頭位置被調整，使得 檢測位置圖像的黑區和白區的占空比為1 1時，對比檢測位置圖像與標準圖像的黑白區 分界線形狀，并控制調整檢測頭的Z軸方向的移動，使檢測位置圖像與標準圖像的黑白區 分界線的形狀一致。
6.如權利要求4所述的位置檢測傳感裝置，其特征在于所述圖像處理器根據檢測位 置圖像的分界線與標準圖像的分界線的角度偏差值判斷檢測位置的角度偏差，然后通過信 號接口將位置偏差信號傳送至遠端運動控制器，控制調整檢測頭旋轉角度。
7.一種基于圖像分析的位置檢測方法，其特征在于包括步驟1 設置一標靶圖像，所述標靶圖像為一直徑為D的圓形區，該圓形區沿著一軸線 對半分成兩個半圓；該圓形區平分為一黑區和一白區，該黑區和白區之間具有一分界線，該 分界線由分別設置在軸線兩側并僅在圓形區的圓心處連接的二個直徑為D/2的半圓形組 成；步驟2 對準所述標靶圖像的圓心在標準位置獲得一標準圖像；步驟3 獲得檢測位置圖像，并將其與標準圖像做對比，獲得檢測位置相對標準位置的 X、Y、Z軸向以及角度的位置偏差值。
8.如權利要求7所述的位置檢測方法，其特征在于根據檢測位置圖像的黑白占空比 判斷檢測位置偏向黑區或白區，從而計算檢測位置相對標準位置X軸向和Y軸向的偏移量。
9.如權利要求7所述的位置檢測方法，其特征在于當檢測位置圖像的黑白占空比為 1 1時，對比檢測位置圖像與標準圖像的黑白區交界形狀，從而計算檢測位置相對標準位 置Z軸向的偏移量。
10.如權利要求7所述的位置檢測方法，其特征在于對比檢測位置圖像的分界線與標 準圖像的分界線的角度偏差值，從而計算檢測位置相對標準位置的角度偏移值。
全文摘要
本發明涉及一種基于圖像分析的位置檢測傳感裝置，包括一檢測頭和一標靶。該檢測頭包括一攝像頭；該標靶具有一直徑為D的圓形區的標靶圖像，該圓形區沿著一軸線對半分成兩個半圓；該圓形區平分為一黑區和一白區，該黑區和白區之間具有一分界線，該分界線由分別設置在軸線兩側并僅在圓形區的圓心處連接的二個直徑為D/2的半圓形組成。該攝像頭在檢測位置拍攝標靶圖像并與一標準圖像相對比，獲得檢測頭相對標靶X、Y、Z軸向以及角度的位置偏差值，并通過檢測頭傳送至遠端控制裝器。本發明的位置檢測傳感裝置大大減低了圖像分析的難度和運算量，提高了抗干擾能力和效率，可達到精確的測量且成本較低。
文檔編號G01C11/00GK102003955SQ20101029511
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者鄧之江 申請人:江門市蒙德電氣有限公司