CN102095439A - 单码道绝对位置编码方法、解码方法及测量装置 - Google Patents

单码道绝对位置编码方法、解码方法及测量装置 Download PDF

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本发明涉及一种单码道绝对位置编码方法。该单码道绝对位置编码方法包括设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码。该单码道绝对位置编码方法具有编码简单的优点。本发明还提供过一种对应该单码道绝对位置编码方法的解码方法以及一种采用该单码道绝对位置编码方法、解码方法的单码道绝对位置测量装置。

Description

单码道绝对位置编码方法、解码方法及测量装置
【技术领域】
本发明涉及一种编码、解码方法和测量装置，尤其是一种单码道绝对位置编码方法、解码方法以及采用该编码方法、解码方法的单码道绝对位置测量装置。
【背景技术】
现代位移测量系统大部分采用光栅位移传感器，由于标尺是重复周期的栅式结构设计，移位数值的测量都是采用增量方法读出，也就是在确定初始点后要用读出初始点到所在位置的增量数来确定位置值。为了设定绝对位置，在标尺上还要有参考标记，标尺的绝对位置由参考标记确定，参考标记要锁定在一个测量步距之内，通过扫描参考标记来获得绝对位置或找到上次选择的基准。因此设备在开机后每个轴需要移动来寻找参考标记的位置。近几年来为了解决开机后设备各个轴在不移动的情况下，就能读出当前的绝对位置值的绝对光栅位移传感器就迅速发展起来了。
目前线位移和角位移传感器构成的测量系统从增量式测量方法逐步发展为绝对式测量方法。基于单码道绝对位置编码的光栅位移传感器是国际上最新出现的编码器技术，它代表了目前最先进的光栅位移传感器发展方向之一，适应了光栅位移传感器小型化的需要。
基于单码道绝对位置编码方式通常采用基于伪随机序列的编码方法，它使二进制位不同时进行切换，而是逐位分别切换。解码方法是将事先编好的译码数据放入非易失的数据存储器，将线阵图像传感器采集到的随机码作为数据存储器的地址，获得译码数据。它的缺点是：编码方法复杂，容易出错，且增加了译码数据整理、数据写入的工作量，增加了硬件资源，使生产成本增加。
【发明内容】
为解决现有技术绝对位置编码方法复杂，容易出错的缺点，有必要提供一种光栅制造简单，易于编码的绝对位置编码方法。
还有必要提供一种对应该编码方法的解码方法。
还有必要提供一种采用该编码方法的单码道绝对位置测量装置。
一种单码道绝对位置编码方法，包括在光栅标尺上设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码。
一种单码道绝对位置编码方法对应的解码方法，该单码道绝对位置编码方法包括在光栅标尺上设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码。该解码方法包括步骤：探测编码图形形成的光信号并将光信号转换为电信号；二值化处理该电信号；在该二值化电信号中查找分区号；根据分区号确定当前位置码；根据位置码确定图像传感器中参考像元位置对应的第一个编码位；确定当前位置码在图像传感器参考像元位置的第一个编码位所在像元位置；计算图像传感器上的参考像元的绝对位置。
一种单码道绝对位置测量装置，包括光源、光栅标尺、图像传感器、信号采集与解码模块，该光栅标尺上设置一编码图形。该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码。该光源将编码图形投射到该图像传感器上，该图像传感器采集该光栅标尺上的编码图形，且该图像传感器的采集范围大于一个区的长度，其该采集范围内至少有一个完整的分区号，根据分区号、位置码之间的关系以及对应图像传感器的位置关系，确定该图像传感器上的参考像元的绝对位置的精确值。
与现有技术相比较，该单码道绝对位置编码方法中，使用等宽的黑白条码作为编码单元，每个分区分别包括1个分区号M和一个位置码N，分区号M同时可以作为奇偶校验位，位置码N采用二进制编码的方式，具有光栅制造容易，易于编码的优点，对应上述编码方法的解码方法也具有简单、精确的优点，该单码道绝对位置测量装置能够精准测量所测物体的绝对位置。
【附图说明】
图1是本发明单码道绝对位置编码方法的编码图形示意图。
图2是本发明单码道绝对位置编码方法另一实施例的编码图形示意图。
图3是本发明单码道绝对位置测量装置的结构示意图。
图4是本发明用于阐明本发明单码道绝对位置测量装置的解码方法所采用的编码图形的示意图。
【具体实施方式】
请参考图1，其是采用本发明绝对位置编码方法中使用的光栅标尺结构示意图。该光栅标尺1上设置有平行相间排列的多条黑、白条码，其中黑条码表示不透光条码，白条码表示透光条码。该黑、白条码平行排列构成一条码序列，或称为编码图形。该光栅标尺1上的黑、白条码序列被分为多个分区，且每个分区内包括1个分区号M和1个位置码N。其中任一个分区号M至少包括两条等宽黑条码或两条等宽白条码。任一位置码N至少包括两个编码位，分别记为N1、N2......Nm，其中任一编码位Nx(1≤x≤m，m为编码位的个数)包括一个黑条码和一个等宽的白条码。上述位置码N中的任一编码位Nx表示为一个二进制位0或1。图1中，以分区号M包含两位黑条码或两位白条码，位置码N包含三个编码位为例描述本发明。
值得注意的是，二进制编码位Nx于本发明中有多种定义，其一种定义为：由低位到高位依次排列“一条黑条码+一条白条码”表示为二进制位编码位“0”，“一条白条码+一条黑条码”表示为二进制位编码位“1”；第二种定义则相反，即：由低位到高位依次排列“一条白条码+一条黑条码”表示为二进制位编码位“0”，一条黑条码+一条白条码”表示为二进制位编码位“1”。图1采用第一种定义方式，低位到高位的方向为从右至左。
分区号M可以同时作为奇偶校验位，分区号M的设定与其相邻的位置码N的最低编码位N1相关联，如果最低编码位N1的白条码与分区号相连，则分区号为至少两条白条码，记为M1；如果最低编码位N1的黑条码与分区号相连，则分区号为至少两条黑条码，记为M2，如图1所示。
根据上述设置，在位置码N编码不重复的情况下，整个光栅标尺上可以设置(2*m+p)*2m个条码数，其中，m为位置码N的编码位个数，m≥2，p为分区号的条码个数，p≥2，如图1中，m＝3，p＝2，则条码总数为(2*3+2)*23＝64条。
请参阅表1，表1示出了在m＝3，p＝2时，位置码N中编码位与分区号M的关系，其中，分区号M中用分别数字1、0表示黑、白条码，位置码N从右至左依次为低位到高位，编码顺序为000,001,010......111，对应十进制的0，1，2......7。
请参阅表2，表2对应表1示出用黑白条码位表示的位置码N与分区号M的关系。其中，采用“一条白条码+一条黑条码”表示为二进制位编码位“1”，一条黑条码+一条白条码”表示为二进制位编码位“0”的编码方式。同样地，为方便表示，分区号M和位置码N对应栏位中用分别数字1、0表示黑、白条码。
表1
Figure BDA0000036487280000041
表2
Figure BDA0000036487280000042
Figure BDA0000036487280000051
值得注意的是，位置码的编码方法不局限于表1和表2的情况，如：例如其位置码N的高低位亦可左右互换，编码顺序亦可为：000、100、010......111，当然亦可以采用其他形式的二进制编码，如格雷码等编码方法。
除了图1采用直线编码的形式，还可以采用码盘编码的形式，如图2所示，其仅显示了码盘的部分内容。图2与图1不同点在于：该黑、白条码在光栅标尺上按照环形排列，其黑、白条码编码方法与图1所示直线式相同，在此不再重复说明。
请参阅图3，本发明还提供一种采用上述编码方法的绝对位置测量装置，该位置测量装置1本包括：光源3、透镜4、光栅标尺6、图像传感器2、信号采集与解码模块5。其中，该光源3为可以LED光源，该透镜4可以采用单一透镜或透镜组，其用于将该光源3发射的光线转换为平行准直光线，并透射至该光栅标尺6。该光栅标尺6采用和上文所述光栅标尺1相似的设置，其上刻有按照上文所诉编码方法的黑白编码条纹。该图像传感器2为线阵图像传感器，包括多个像元单元，其可以是CCD或CMOS光电感测元件阵列，其用于探测经该光栅标尺6透射形成的明暗编码图形。该信号采集与解码模块5采集该图像传感器2输出的图像信号，并根据该图像信号与该图像传感器2的参考像元的位置关系，确定当前检测位置。
以下通过具体实施例介绍本发明中位置码位数、图像传感器2以及光栅标尺6长度之间的关系。以位置码N包括五个编码位为例，该五个位置码从低位到高位分别记为N1、N2、N3、N4、N5，每个编码位宽度Ne＝280μm。其中，编码位中“0”用“白条码+黑条码”表示，编码位“1”用“黑条码+白条码”表示，则位置码N的十进制数为偶数时，分区号M为两条黑条码，位置码的十进制数为奇数时，分区号M为两条白条码。常用图像传感器2的像元宽度为d，本实施例中d＝14μm，该光栅标尺6上最小条码宽度Nd＝Ne/2＝140μm。从而得出光栅标尺6上每个分区宽度为：
Md＝(m+1)*Ne＝(5+1)*280＝1680μm＝1.68mm，其中m为位置码个数；
该图像传感器2包含的最少有效像元个数为Md/d＝1680μm/14μm＝120个。
该光栅标尺6的刻划长度L＝Md*2m＝1.68*25＝53.76mm。
参看表3，且列举了当位置码N的位数为6～10时，位置码N的位数与该图像传感器2有效像元数、光栅标尺6的刻划长度关系。
表3
仍然以位置码N包括五个编码，分区号为两个编码位为例，该位置测量装置1的解码方法具体步骤如下：
步骤S1，探测光信号并将光信号转换为电信号；
该图像传感器2的每个像元探测该光栅标尺1滤光形成的光信号，形成一系列光感模拟电流/电压信号，并将探测所得的模拟电信号通过一A/D转换器(图未示)转换为一系列对应的数字电压信号；
步骤S2，记录并存储电信号；
将图像传感器2的探测并转换而得来的数字电压信号依次存入到一个数组序列中，如A1、A2、A3......该数组序列记为An。
步骤S3，二值化数组序列；
将数组An二值化处理，即低于某一参考电压的数值取“0”值，高于该参考电压的数值取“1”值，从而对应数组An得到对应的新数组Bn。
步骤S4，查找分区号；
在新数组Bn中查找连续为“111”或“000”的数，该数即为分区号所在位置，找到后，其中该数后两位就是分区号M及其所在具体位置。
步骤S5，确定当前位置码；
根据已找到的分区号M的位置，确定当前位置码NT。以图4为例，该图像传感器2读取的完整分区号M和位置码N组合读数为010*00，其中“*”代表分区号M2。则分区号M2之前的位置码NT＝00010。
步骤S6，确定参考像元位置对应的第一个编码位；
确定当前位置码NT在线阵图像传感器参考像元位置的第一个编码位Nt，如图3中，Nt＝N3。
步骤S7，确定编码位对应的像元位置；
记录编码位Nt所在的线阵图像传感器的像元位置Bt。
步骤S8，计算当前位置；
图像传感器上的参考像元的绝对位置采用如下计算公式计算：
W0＝NT*Md+(m-Nt)*Ne-Bt*d
其中W0为图像传感器上的参考像元的绝对位置，NT为当前位置码，Md为每个分区宽度，m为位置码的编码位个数，Nt为参考像元位置对应编码位首位，Ne为每个编码位宽度，Bt为像元位置Bt，d为图像传感器的每个像元宽度。
综上所述，该绝对位置编码方法中，使用等宽的黑白条码作为编码单元，每个分区分别包括1个分区号M和一个位置码N，分区号M同时可以作为奇偶校验位，位置码N采用二进制编码的方式，具有光栅制造容易，易于编码的优点，对应上述编码方法的解码方法也具有简单、精确的优点，能够精准测量所测物体的绝对位置。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种单码道绝对位置编码方法，其特征在于：设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码。
2.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：该第一编码条码为透明编码条码，该第二编码条码为不透明编码条码，该第一编码条码与该第二编码条码的宽度相同。
3.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：该任一位置码的编码位构成一二进制编码。
4.如权利要求3所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：由低位到高位依次排列“一第一编码条码和一第二编码条码”表示为二进制位编码位“0”，“一第二编码条码和一第一编码条码”表示为二进制位编码位“1”。
5.如权利要求3所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：由低位到高位依次排列“一第二编码条码和一第一编码条码”表示为二进制位编码位“0”，“一第一编码条码和一第二编码条码”表示为二进制位编码位“1”。
6.如权利要求4或5中任意一项所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：任一分区内的分区号相邻该分区内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的编码条码种类与该分区内最近邻的位置码编码条码种类一致。
7.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：该分区号为奇偶校验位。
8.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于：该编码图形中的编码条码数量为(2*m+p)*2m个，其中m为位置码的编码位个数，m≥2，p为分区号的编码条码个数，p≥2。
9.一种单码道绝对位置编码方法对应的解码方法，其特征在于：该单码道绝对位置编码方法包括设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码，该解码方法包括步骤：
利用图像探测器探测编码图形形成的光信号并将光信号转换为电信号；
二值化处理该电信号；
在该二值化电信号中查找分区号；
根据分区号确定当前位置码；
根据位置码确定图像传感器中参考像元位置对应的第一个编码位；
确定当前位置码在图像传感器参考像元位置的第一个编码位所在像元位置；
计算图像传感器上的参考像元的绝对位置。
10.如权利要求9所述的单码道绝对位置解码方法，该图像传感器上的参考像元的绝对位置采用如下计算公式计算：
W0＝NT*Md+(m-Nt)*Ne-Bt*d
其中W0为图像传感器上的参考像元的绝对位置，NT为当前位置码，Md为每个分区宽度，m为位置码的编码位个数，Nt为参考像元位置对应编码位首位，Ne为每个编码位宽度，Bt为像元位置Bt，d为图像传感器的每个像元宽度。
11.一种单码道绝对位置测量装置，其包括光源、光栅标尺、图像传感器、信号采集与解码模块，该光栅标尺上设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少两个第一编码条码或至少两个第二编码条码，任意相邻分区的分区号的编码条码相异，任一位置码包括至少两个编码位，任一编码位包括一个第一编码条码和一个第二编码条码，该光源将编码图形投射到该图像传感器上，该图像传感器采集该光栅标尺上的编码图形，且该图像传感器的采集范围大于一个区的长度，其该采集范围内至少有一个完整的分区号，根据分区号、位置码之间的关系以及对应图像传感器的位置关系，确定该图像传感器上的参考像元的绝对位置。
12.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：该第一编码条码为透明编码条码，该第二编码条码为不透明编码条码，该第一编码条码与该第二编码条码的宽度相同。
13.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：该任一位置码包括至少两个二进制编码位，由低位到高位依次排列“一第一编码条码和一第二编码条码”表示为二进制位编码位“0”，“一第二编码条码和一第一编码条码”表示为二进制位编码位“1”。
14.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：该任一位置码包括至少两个二进制编码位，由低位到高位依次排列“一第二编码条码和一第一编码条码”表示为二进制位编码位“0”，“一第一编码条码和一第二编码条码”表示为二进制位编码位“1”。
15.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：任一分区的分区号相邻该分区内的位置码的最低位，且该分区号的编码条码种类与该分区内最近邻的位置码编码条码种类一致。
16.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：其光栅标尺上的编码图形是直线编码图形。
17.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：其光栅标尺上的编码图形是环形编码图形。
18.如权利要求11所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于：该图像传感器上的参考像元的绝对位置采用一下计算公式计算：
W0＝NT*Md+(m-Nt)*Ne-Bt*d
其中W0为图像传感器上的参考像元的绝对位置，NT为当前位置码，Md为每个分区宽度，m为位置码的编码位个数，Nt为参考像元位置对应编码位首位，Ne为每个编码位宽度，Bt为像元位置，d为图像传感器的每个像元宽度。
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