計測自動制御学会東北支部 第176回研究集会（1998．7．24）
資料番号176−1

回転子シャフトの画像データによる回転角度検出
DetectionofrotationalpoBitionusln官theimageonrotor畠haft
O吉久 靖彦，秋山 宜万，三浦 武，○％烏ullilmYロ昌hihi＄a，YoshikazuAkiyama
TakeshiMiura，TD8hiyukiTani酌IChi
秋田大学
AkitaUn加er敲ty

キーワード：画像デ什タ（imagedata），スキャニンプライン匝Calmingline），回転子シャフト（rotor止a軋 スチッビングモータ（軸叩pingmotor），角度検出（an如de七色ctiDn）

連絡先：〒010−貼02 秋田県秋田市手形学園町ト1秋田大学工学資源学部 電気電子工学科
三浦 武，TEL：（01朝889−2338，FAX：（018）837−0406，E−mail：miura＠ipc．akita・u．aC．jp

状態で位置検出用インデックスをモータシャ

1．はじめにステッピングモータやサーボモータなどのフトに措くことができる方法であるため，その小形モいタの回転角度を検出する場合，従来か実用価値は高いと考えられる．

ら用いられている回転角度に比例Lたパル，スを発生させる光学式ロけタリ山エンコーダの2．実験装置の構成

ようなセンサを用いると，モータの回転子シャ本研究で用いた実験装置の構成を囲1に示

フトに直接取り付ける必要があるためモータ

す．

にとって負荷となり悪影響を及ぼすことがある．そこでCCDカメラによる画像データを用いることによってモ佃タに非接触で回転角度を精密に検出することが可能であり11，またモータの回転子シャフト自体に回転角度検出のためのパターンを描くと，付加物を付けることなく回転子シャフトの回転角度を検出することが可能になる．本研究ではどのようなパターンが検出精度の面から回転角度検出に最適かを検討し，また回転子シャフトに描くパターン

図1 実験装置の構成によってどれぐらいの角度分解能が得られる

軸．1CoI戊guratiロnOfanexperimentaldeviceかを検討した．本研究の方法はモータの実運転

1モータの回転子シャフトを頼影するCC工）

いて，ステッピングモータを一定角度間隔で駆カメラはNTSC信号を出力し，ビデオボード動させ，停止位置でプリンタでパターンを描く

を介して640：く480bi耳el】の画像がコン方嘩である．二のときの間隔が角度分解能にな

ピュータに入力され画像処理を行い回転角度る．モータの回転子シヰフトとプリンタのインを検出する．画像によって得られた回転角度とクヘッドの配置図を図3に示す．用いたプリン

光学式ロータリーエンコーダによって得られタにおいては，4回の紙送りとそれぞれに対応た回転角度を比較する．光学式ロータリーエンしたノズルからのインクの噴出によって印字コーダは5000bulse／revolution］のものをの最小単位である1ドットが形成されること用い，アップダウンカウンタで■4逓惜され，2が確認された．またプリントヘッド（刀ノズルは0OOO［pulse／revolution］になり．角度分解128個あり，1ドットを描くとき毎回同じノ能は0．018［de官】になる．

ズルからインクが噴出されていることが確認

次にモータの回転子シャフトとCCリカメされ，ラの配置図を図2に示す．シャフトの直径は6回使用することによって正確なパタ山ンが得【mmIであり，レンズとシャフト表面の距離はられた．インクヘッドを囲4に示す．インクを5［mm】である．CCDカメラを国定し，回転噴出するノズルは円周方向に向かって直列にするシャフトの様子を撮影する．

並んでおり，どのノズルからインクを噴出するかによってパターンを変えて描く．シャフトの軸方向への移動はインクヘッド自体の移動によって実現することが可能である．

C C Dカメラモータ

図3 シャフトとイン．クヘッドの．配置図
岡2 シャフトと（二〔エロカメラの配置図
fig．2 Arrangementofposition串OfaBhaf［and CCD camera

軸．3Arrangementofposition呂Ofashaft

andinkhead

本研究では円周方向八回転角度に比例した数値を書き込み，その数値を読みとって回転角度を検出する方法をとっているため，書き込んだ数値の個数によって角度分解能が決まる．
モータの回転子シャフトに直接パターンをインクへ：ソド

措く方法は，市販されているバブルジェット方図4 インクヘッド式のキヤノン社製BJ−30vプリンタを用且g．4Inkhead
2プリンタの最高解像度は360dpiであるから1d o tでパターンの最小部品を描く月。卑．月2月5：4bit自然2進符号と理論上は269個の数値を表示できること

Go〔；∃G2G5‥4bit交番2進符号になる．しかしインクの飛び散りの誤差を考えると3d亡It程度に広がってしまう，よって本

自然2進符号から交番2進符号へ研究で用いたプリンタで得られるパターンのGo＝0㊤βo

出力数は72bul＄抽evolution］になり，角度G．＝β。⑬β】

分解能は5【de官】になる．例えば5000

Gコ＝旦㊥βコ【pulse／revolution］の光学式ロータリーエンコ

Gj＝βコ尊卑ーダと同じ直径の大きさのシャフトにパター

交番2進符号から自然2進符号へ

ン を描 く と，刑 力・数 は 7 2（）

月0＝Go

bulse／revolution】になり，角度分解能は0．

旦＝月0宙GI

5・I．deg】になる．

月2＝旦⑳G2

ここでの角度分解能はプリンタの解像度にβ3＝βユ宙Gユ比例して高くなっていく，

ただし馴まⅩOR（排他的論理和）

このようにモータを駆動させながら回転子シャフトに直接パターンを措いていくことが可能になると，将来的には実運動状態でもプリ

このようにして得られる自然2進符号，交番2進符号のパターンを図5に示す．

ンタとCCDカメラがあれげ回転角度を検出できるようになり，非常に有用牲が高い．また既に備え付けられているモータや，条件の悪い状態にあるモータについても回転角度を横山しょうとするとき本研究で用いられている方法は有効である．

3．パターンについて
本研究で用いたパターンについて説明する．

回転角度の検出方法は円周方向に描かれた回10進法

転角度に比例した数値を読みとる方法である

自然2進符号

交番2進符弓・

図5 パターン

から，播かれるパターンは小さい方が分解能は軸．5 Pattern高い．よって数値を措くよりも数値を符号化し10進法で1増えると自然2進符号では少て描いた方が分解能は高くなる．符号化の方法としては様々な方法があるが，一般的な符号化なくとも1つ以上のビットが変化するが，交番の方法である自然2進符号と交番2進符号（G2進符号はいずれかのビットしか変化しない

r ay Cod e〕によるパターンを回転角席（ハミング距離が1である）という利点がある．

検出に適用Lた．自然2進符号から交番2進符

これをモータの回転角摩擦出に応用すると，た号へ，交番2避符号から自然2進符号への変換

とえばインクのにじみ等によってビット同士方法を次に示す．封が重なってしまったり，撮影においてカメラが3パターンに対して傾いていたとしても，いずれに対する赤色成分の階調値を取り出す，この階か1つのビットしか変化しないため，飛び抜け調に対してしきい値によってビットが0か1■た値は出現しない．このこ塞から回転角度検出かを判別する∴次に，得られた4ビットの符号の分解能の面において交番2進符号は非常にを元の10進法に戻すために，まず自然2進符有効な符号化である．

号に変換し，その次に10進法に変換して回転

例えばスキャニングラインが図5のように角度を得る．パターンが自然2進符号の場合はなるとき10進法では3もしくは4になるは自然2進符号に戻す作業は省かれる．

ずであるのに自然2進符号では111となり】0進法に直すと7になってし蓋う．ところが

4．実験結果交番2進符号においては110となり，これを囲7に自然2進符号を用いた時に撮影した

1D進法に直すと4になり，交番2進符号は飛回転子シャフトの画像，図8に横のピクセルにび抜けた値はとり得ないことがわかる．よって対する赤色成分についての階調の変化，図鋸こ

交番2進符号が回転角度検出において非常に光学式ロータリーエンコーダによる回転角度有効な符号化であることがわかる．と画像による回転角度，図1〔）にロータリーエ交番2進符号をパターンとして用いたときンコーダと画像との回転角度の誤差を示L，図画像から回転角度に変換する流れを固6に示

11に交番2進符号を用いた時に撮影した回す．

転子シャフトの画像，図12に横のピクセルに対する赤色成分についての階調皿変化，図13に光学式ロータリーエンコーダによる回転角度と画像による回転角度，図14にロータリーエンコーダと画像との回転角度の誤差を示す．

囲6 画像から回転角度への変換
丘g．6Conv群島山n鈷omaimageto

aro七ationangle

図7 自然2進符号を用いたときの画像
且g．7Ima．geu邑1ngnaturalcode

CCDカメラによって撮影された画像が入力され，まず認識しやすくするために元の画像の，明るさとコントラストを変更L，横のピクセル
4適500l帥 】5ロ20（I

横のどタセル［pixel］

囲8 自然2進符号を用いたときの図11交番2湛符号を用心lたときの画像

赤色成分の階諏値軸．11Ima酢u凱nggrayCOde

丘g・8Scalevalueofredu＄1n官naturaleode
嵩むP︼製革過せ
爪Ulノ﹂

山川

コ0打ユ0ステップ敬100

5け

15（1 2（和横のピクセル［pixel」

図12 交番2進符号を用いたときの囲9 自然2進符号を用いたときの回転角座

板9 Rotationangleusingnaturalcode

赤色成分の階調値■．哲ヱ製霞塩﹄

5﹇訝ヱ拙龍堅葦且g．12 Scalevalueofredu昌inggTayCOde

ユ爪U

叫2（I7へ川∵．

0D

図10 自然2進符号を用いた

lO

20

ユ0

ステップ故

国13 交番2進符号を用いたときの回転角度誤差
回転角産

fig・10 Rotationangleerroru日ing

naturalcode

且g．13 Rotationa喝1eru眉1r唱許ayCOde55﹇謬ヱ純絹 壇 耳

リンタとCCDカメラがあれぼ，既に備え付けのモータについても回転角度を検出することnUが可能になる利点があげられる．

参考文献

1）吉丸帯彦，秋山宜万，三浦武，谷口敏幸：画像データを用いたモータの回転角摩検出，計測自動制御学会束北支部第169回研究集会，資料番号169−コ，（1997）
100ヱ030
ステップ数2）斉藤忠夫：ディジタル回路，3／4，コロナ社

図14 交番2護符号を用いたときの（19呂2）

回転角度誤差．
fig・14Rotationangleerrorusin官grayCOde
0．9【deg】のステップ間隔でモータを駆動させ，画像による回転角度と光学式ロータリーエンコーダによる回転角度を比較した．自然2進符号についてはインクの飛び散り等によるビットの重なりの回転誤差がみられる．交番2進符号においては自然2進符号とl司様に角度分解能以上の誤差がみられるが，いずれかの1ビットしか変化しないという交番2進符号の特徴のため自然2進符号のような誤差は出現Lていないことがわかる．

5．おわりにモータに負荷とならないように回転子シャフトに直接回転角度検出用のパターンを描き，360dpiの市販バブルジェットプリンタを使い，直径6【mm】のシャフトに対Lて出力数72【pul昌eJrevohltionl，角度分解能5［deg】が得られた．
パターンとして交番2進符号を用いることが回転角度検出を行うに当たって有効であることが確認できた．

本研究で用いた実験装置を使うと，モータの実運転状態で位置検出用パターンをモータシャフトに描くことができる方法であるため，プ6