[發(fā)明專利]基于阿基米德螺旋線的分辨率區(qū)域可調(diào)掃描裝置與方法

在審

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• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107144641A
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋崗;李杰;楊萃
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州豐譜信息技術(shù)有限公司
• 主分類號: G01N29/265
• 分類號: G01N29/265
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 鄭永泉,邱奕才

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬涉及掃描探測、機械設(shè)計與控制等領(lǐng)域，具體為一種基于阿基米德螺旋線的分辨率區(qū)域可調(diào)的掃描裝置與方法。

背景技術(shù)

機械掃描裝置，一般通過機械及自動控制技術(shù)，驅(qū)動掃描探頭使其在某一區(qū)域內(nèi)遍歷從而實現(xiàn)掃描。對于二維平面內(nèi)的掃描，現(xiàn)有方法通常可以分為兩種。一種配備陣列式探頭，單次可完成某一線性區(qū)域的探測，然后通過機械裝置帶動陣列式探頭實現(xiàn)一維運動，合成二維平面的掃描。但陣列式探頭系統(tǒng)復(fù)雜度高，且對陣元間的一致性有嚴(yán)格要求，帶來成本的提高，并且陣元的間距一旦確定，分辨率無法更改，使用的靈活度不高。另一種移動端僅配備的探頭單詞掃描僅完成一個點區(qū)域的探測，然后通過機械裝置帶動探頭完成二維平面的內(nèi)的運動，實現(xiàn)二維平面掃描。例如公開專利CN105181817A，以及CN104644214A，通過分布式電機驅(qū)動，帶動探頭完成掃描。但是前者的掃描方式需要多個電機驅(qū)動多個維度的掃描運動，機械裝置與控制模塊的復(fù)雜度高，且不同維度運動需要精準(zhǔn)的控制與匹配，才能精確已知掃描點的坐標(biāo)。而后者專利中機械模塊或者電機轉(zhuǎn)動如果出現(xiàn)誤差（比如步進電機的丟步、跳步等），無法得到及時的反饋和矯正，造成探頭實際位置與理論之間的偏差，對掃描成像的拼接帶來不利影響。

針對上述問題，本專利提出一種基于阿基米德螺旋線的平面極坐標(biāo)掃描裝置與方法。本專利的掃描裝置由單個電機驅(qū)動，通過機械裝置帶動探頭，以阿基米德螺旋線軌跡完成對二維平面的掃描，基于阿基米德螺旋線實現(xiàn)極坐標(biāo)內(nèi)某一平面區(qū)域的覆蓋。另外，對于給定的螺旋線方程，螺旋線上一點的半徑坐標(biāo)與角度坐標(biāo)的關(guān)系是確定的，因此掃描區(qū)域內(nèi)任意一點的位置與角度坐標(biāo)建立了一一映射的關(guān)系。裝置通過配備角度傳感器與計數(shù)器，可記錄當(dāng)前探頭位置的角度坐標(biāo)，由螺旋線方程的映射關(guān)系可精確已知探頭所在位置，不受電機因丟步或跳步等產(chǎn)生誤差的影響。另外，本專利提出一種基于阿基米德螺旋線的平面極坐標(biāo)掃描方法，可以通過控制探頭掃描時的采樣間隔與電機轉(zhuǎn)速，靈活控制在平面內(nèi)采樣點的分布密度，從而實現(xiàn)分辨率全局或局部可調(diào)的拼接成像。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所述的基于阿基米德螺旋線的平面極坐標(biāo)掃描裝置，其特征在于通過齒輪、螺桿等機械裝置，將移動端半徑方向位移與角度轉(zhuǎn)動關(guān)聯(lián)起來，僅通過單個電機驅(qū)動，使探頭沿阿基米德螺旋線軌跡運動，實現(xiàn)二維平面的掃描。

基于極坐標(biāo)體系，設(shè)（θ，r）表示掃描探頭在平面的位置，設(shè)掃描軌跡的螺旋線方程為r=aθ，其中參數(shù)a由機械裝置確定。螺旋線確定后，給定r或者θ其中任意一個參數(shù)，都可以確定另外一個，也即確定了（θ，r）的位置。因此通過螺旋線，建立了一維參數(shù)θ與二維極坐標(biāo)平面內(nèi)點的映射關(guān)系。由于僅需要已知角度便可以確定螺旋線上點的位置坐標(biāo)，發(fā)明所述裝置配備了角度傳感器與計數(shù)器記錄當(dāng)前探頭的角度坐標(biāo)，可根據(jù)角度傳感器與計數(shù)器的數(shù)值，確定探頭所在位置的坐標(biāo)，不受電機轉(zhuǎn)動誤差的影響。

發(fā)明所述的一種基于阿基米德螺旋線的極坐標(biāo)掃描探測方法，其特征在于隨著探頭沿螺旋線移動，探測模塊以一定間隔沿螺旋線進行探測采樣。由于探頭的移動速度為：，其中w為電機旋轉(zhuǎn)的角速度。因此探頭速度與角速度w以及當(dāng)前的角度θ有關(guān)。所述發(fā)明的基于螺旋線的極坐標(biāo)掃描探測方法，其特在于通過控制角速度w或相鄰采樣點之間的角度間隔，控制探測掃描點的在平面的分布。

發(fā)明所述的一種基于螺旋線的極坐標(biāo)掃描探測方法，其步驟包括：

1）初始化，設(shè)置掃描范圍（起始點、終點），每兩個掃描采樣點距離間隔，掃描角速度等參數(shù)；

2）開始掃描，探頭沿螺旋線軌跡運動，角度傳感器與計數(shù)器記錄探頭位置：當(dāng)角度傳感器有小到大達到360度時，計數(shù)器加1；當(dāng)角度傳感器數(shù)值由大到小達到0度時，計數(shù)器減1，因此當(dāng)前探頭的角度坐標(biāo)為角度傳感器數(shù)值*計數(shù)器數(shù)值；

3）根據(jù)設(shè)定的采樣距離間隔，求得角度間隔，在掃描軌跡上進行掃描探測采樣；

4）判斷是否到達掃描終點，到達終點結(jié)束掃描，否則重復(fù)步驟2）、3）。

本發(fā)明的特點和優(yōu)勢在于：

1. 通過阿基米德螺旋線將二維平面與一維角度參數(shù)建立映射關(guān)系，使二維平面的掃描問題轉(zhuǎn)化為一維參數(shù)的控制問題，僅通過單個電機驅(qū)動便可實現(xiàn)探頭的二維螺旋線運動，系統(tǒng)復(fù)雜度降低，效率提高；

2. 可以通過控制探測采樣的間隔，靈活調(diào)整采樣點在螺旋線軌跡上的分布，實現(xiàn)掃描平面內(nèi)的全局或局部分辨率可調(diào)成像；