CN102155914A - 基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置。该栅尺编码和测量方法是使用宽码和窄码两种基本编码单元，按伪随机序列值生成单码道绝对位置编码栅尺，图像传感器一次采集含有多个编码的栅尺数字图像，数字图像处理单元在图像预处理后，解调出栅尺图像载波与基准载波的相位差值和栅尺数字图像粗测位置，并进一步计算出栅尺传感器相对于栅尺的精确绝对位置。其装置由栅尺、栅尺图像传感器和数字图像处理单元组成，可适用于各种直线和园栅尺（编码器），具有广阔的应用前景。

Description

基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置

技术领域

本发明属于位置、角度等测量的传感器技术和数字图像处理技术领域，具体涉及一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置。

背景技术

在位置、长度测量的传感器中，目前大量采用光栅尺、容栅尺等，以光栅尺应用最多，且主要是增量式光栅尺，绝对式光栅尺由于其结构复杂，价格较高应用较少；在高精度角度测量的传感器中，主要采用光栅编码盘，且主要是增量式光栅编码盘，绝对式光栅编码盘由于其结构复杂，价格较高应用较少。近年来随着对绝对位置和角度测量需求的增加，新型绝对式位置编码光栅尺、新型绝对式角度编码盘和相关测量方法不断被提出，如各种双码道和单码道绝对式位置编码方法，相关信号检测方式也由一般的几个光电传感器，发展到采用阵列图像传感器，信号处理方式从简单的处理电路发展到专用的数字信号处理集成电路。

除光栅尺外，容栅尺也在向高精度、低成本、集成化方向发展，在一些应用中有比光栅尺更好的性价比和适应性。

应用数字图像处理技术，光栅尺可以放置在离图像传感器较远的位置，实现远距离的位置测量，大大提高了位置测量的使用范围。同时数字图像处理技术的引入，也大大提高了位置测量的精度；专用集成电路技术的采用，降低了复杂信号处理系统的成本。

在上述绝对位置或角度测量技术中，关键技术是栅尺编码方法，栅尺编码图像信号处理和绝对位置的高精度计算方法。根据申请人所作的资料检索，还没有关于本发明所述的栅尺编码方法，及用数字图像处理技术检测该栅尺图像，进行绝对位置或角度测量方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法，包括栅尺编码、栅尺编码图像信号处理和绝对位置的高精度计算方法，以及利用该方法进行绝对位置测量的测量装置。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法，其特征在于，该方法使用宽码和窄码两种基本编码单元，按伪随机序列值生成单码道绝对位置编码栅尺，图像传感器一次采集含有多个编码的栅尺数字图像，数字图像处理单元在图像预处理后，解调出栅尺图像载波与基准载波的相位差值和栅尺数字图像粗测位置，并进一步计算出栅尺传感器相对于栅尺的精确绝对位置。

具体按如下步骤进行：

1）基于伪随机序列值的单码道绝对位置栅尺编码：

a）构造用于栅尺编码的宽码和窄码两种编码单元，宽码和窄码的每个编码单元周期宽度相等；定义编码波形是栅尺图像传感器检测到编码图像的信号强度值，则在一个编码单元的码字周期内，宽码波形占空比大于窄码，且编码波形是偶对称的；

b）按选择的伪随机序列编码值用宽码或窄码生成伪随机序列单码道绝对位置栅尺编码；

c）对直线栅尺，按选定伪随机序列编码值，用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺，栅尺长度为伪随机序列长度与编码周期宽度T的乘积；对圆形栅尺，按选定伪随机序列编码最大长度值等分圆周长，每个编码位置用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺；

2）一维或二维阵列图像传感器的传感阵列一次采集含有多个编码的栅尺图像，经模数转换得到伪随机序列的单码道栅尺数字图像；该图像构成一个伪随机序列编码组，该编码组应足够长，使得由单个栅尺图像可以确定该部分编码在栅尺中的绝对位置。

3）单码道栅尺数字图像信号处理和绝对位置计算

a）栅尺图像预处理：由栅尺图像传感器获取的伪随机序列栅尺数字图像信号首先通过低通滤波器预处理；若获取的栅尺图像为二维图像，则需沿栅尺移动的垂直方向压缩二维图像到一维图像；

b）栅尺图像基准载波构造：伪随机序列栅尺图像的基准载波是周期与栅尺图像编码周期相同的正弦波或方波；

c）用载波相位数字解调方法，解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数；

d）计算栅尺图像载波与基准载波的相位差值。

e）获取的伪随机序列编码组与生成该栅尺的所有伪随机序列值进行互相关运算，确定伪随机序列编码组在栅尺中的粗测位置。

f）根据上述步骤d）和步骤e）的计算结果，进一步计算出栅尺图像传感器相对于栅尺的精确绝对位置。

实现上述方法的基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量的装置，由栅尺、栅尺图像传感器和数字图像处理单元组成，其特征在于，所述的栅尺是直线或圆形栅尺，栅尺图像传感器是一维或二维的阵列图像传感器，该一维或二维阵列图像传感器的传感阵列与栅尺移动方向平行布置。

本发明的基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置，实现了单码道的绝对位置测量，且绝对位置编码栅尺与增量位置编码栅尺的复杂度相当，可适用于各种直线和园栅尺，是对传统栅尺编码方式的一种原理性突破；提出的栅尺相位解调方法提高了位置定位精度，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是透射式光栅测量装置原理图。

图2是反射式光栅测量装置原理图。

图3是容栅测量装置原理图。

图4是构成伪随机序列栅尺的宽码和窄码实例的波形图；其中图4（A）是宽码波形图，占空比70％，在宽码的一个编码周期T内波形是偶对称的；图4（B）是窄码波形图，占空比30％，在窄码的一个编码周期T内波形是偶对称的。

图5是伪随机序列的单码道栅尺编码例波形，图中伪随机序列是生成多项式                                               

，初值为0001的M序列，编码组长N＝4。

图6是图5中伪随机序列的单码道栅尺编码实现例（编码组长N＝4）；其中图6（A）是伪随机序列的单码道绝对位置编码直线光栅尺实现例；图6（B）是伪随机序列的单码道绝对位置编码圆光栅尺实现例。图中定义宽码和窄码的H值为黑，L值为白。

图7是伪随机序列栅尺图像信号的相干载波相位解调方法框图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

以下是发明人给出的具体实施例，主要用于进一步理解本发明，本发明并不局限于这些实施例。本领域技术人员在上述实施例的理解下，在技术方案上所进行的替换和增加，都应属于在本发明的保护范围。

参见如图1，图1给出了一种透射式光栅测量装置原理图，其中101为平行光光源，光源发出平行光照射到透射式光栅尺102上，在102后放置光电阵列传感器103，检测透射式光栅尺的阴影图像，一维或二维阵列传感器的传感阵列沿与栅尺移动方向平行布置，可同时采集多个栅尺码字波形，获得栅尺图像，并送数字图像处理单元104处理。

图2为反射式光栅测量装置原理图，可用普通光源或自然光照明反射式光栅尺201，经常规的成像光学系统202，将栅尺图像成像在光电阵列传感器203上，光电阵列传感器203的布置形式同图1中的光电阵列传感器103布置，数字图像处理单元204处理与图1中的104数字图像处理单元处理方式相同。反射式光栅测量装置特点是栅尺与传感器的距离可调，可实现远距离测量。

如图3为容栅测量装置原理图。容栅尺301用电容板代替光栅的刻划线，用贴近容栅尺301的电容阵列传感器302检测容栅电容量变化波形，获取容栅图像，数字图像处理单元303处理与图1中的104数字图像处理单元处理方式相104相同。

除上述列举的栅尺实现方式外，还可以用其它物理量来实现栅尺，如电磁波、激光作为载波，经相位调制实现本发明提出的栅尺和绝对位置测量系统。

上述测量装置均采用本发明所述的伪随机序列的单码道绝对位置栅尺编码和测量方法，只是栅尺物理实现和栅尺图像信号检测方式不同，栅尺图像信号的处理方法完全相同。下面以透射光栅尺测量装置为例，详细说明本发明的单码道绝对位置栅尺编码和测量方法实现步骤。

单码道绝对位置栅尺编码方法包括如下步骤：

1）构造宽码和窄码两种基本编码单元。定义基本编码单元波形中H、L对应阵列图像传感器检测的编码图像信号的不同强度值，宽码和窄码的编码单元（或称编码周期）宽度相等都为T，在一个编码单元内宽码波形占空比大于窄码，具体占空比值按需要确定，且宽码和窄码的波形在一个编码周期T内都是偶对称的；如图4所示。

2）生成伪随机序列的单码道栅尺编码。可定义宽码为1、窄码为0，或宽码为0、窄码为1，按伪随机序列编码值用宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺。以阶数N＝4，生成多项式

，初值为0001的M序列为例，其编码值为100011110101100，定义宽码为1、窄码为0，用宽码或窄码按M序列编码值无重叠拼接构造出栅尺波形图，即伪随机序列单码道栅尺编码如图5所示。

3）透射式直线栅尺和圆栅尺实现。光栅尺可以是用各种基材，如玻璃、钢等制造；定义宽码和窄码的H值为黑，L值为白；对直线栅尺，按伪随机序列的单码道栅尺编码，用宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺，栅尺长度为伪随机序列长度与编码周期宽度T的乘积，即

，如图6（A）所示；对圆栅尺，按伪随机序列的单码道栅尺编码最大长度值等分圆周长，每个编码位置用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺，如图6（B）所示。

基于伪随机序列的单码道光栅尺图像获取方法实现例如下：

对透射式光栅尺，光栅尺图像可以直接投射成像到光电阵列传感器靶面上，也可以通过光学系统成像到光电阵列传感器靶面上。选择一维或二维光电阵列传感器，如CMOS和CCD图像传感器等，沿与栅尺移动方向平行布置光电阵列传感器，可一次采集含多个编码的栅尺图像，构成一个编码组，经模数转换得到栅尺数字图像。该编码组包含的完整编码个数应大于伪随机序列阶数，如图6例中应大于4个编码宽度。

基于伪随机序列的单码道栅尺数字图像信号处理方法实现例包括如下步骤：

1）栅尺图像预处理。由栅尺图像传感器获取的伪随机序列栅尺数字图像信号首先通过低通滤波器预处理，限制信号输入带宽。若获取的栅尺图像为二维图像，则需沿栅尺移动的垂直方向压缩二维图像到一维图像，最简单的压缩方法是求平均值。

2）栅尺图像基准载波构造。伪随机序列栅尺图像的基准载波是周期与栅尺图像编码周期相同的正弦波或方波，基准载波初始相位可按需设定，但设定后需固定不变。伪随机序列栅尺图像是对基准载波进行相位调制后的调相波信号。

3）栅尺图像相位解调。数字图像处理单元可以采用相干或非相干、时域或频域的载波相位数字解调方法，解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数，如图7所示为相干载波相位解调方法框图，该方法为公知技术，这里不再累述。解调出的相位调制函数包含栅尺图像载波与基准载波的相位差值，宽码和窄码的相位调制函数值。

4）计算栅尺图像载波与基准载波的相位差值。数字图像处理单元解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数值后，通过滤波处理可以使解调出宽码和窄码相位调制函数的均值趋于零，并精确计算出伪随机序列栅尺图像载波与基准载波的相位差值。

5）伪随机序列编码组粗测位置确定。数字图像处理单元可直接根据编码波形宽度差别识别伪随机序列栅尺图像中的宽码和窄码，或从解调出宽码和窄码的相位调制函数中恢复伪随机序列编码组。只要获得的栅尺图像编码组足够长，大于伪随机序列的阶数，本实施例中是大于4个，则伪随机序列编码组与生成该栅尺的所有伪随机序列值做互相关运算的最大相关值处，就是该编码组在栅尺中的粗测位置。如在图6中，周期拓展的所有伪随机序列值为100011110101100100…，若从栅尺图像中解码的伪随机序列编码组为x=0001，y(n)是平移n个码字，从栅尺伪随机序列值中取出的栅尺编码组，如y(0)=1000、y(1)=0001、y(2)=0011、…,y(15)=0100，则有互相关值P(n)=(A-D)/(A+D),其中A为x与y(n)对应位取相同值状态的数量和，D为x与y(n)对应位取不同值状态的数量和，则P（n）最大值为1时的y(n)编码组位置，就是x在栅尺中的粗测位置，这个位置在栅尺中是唯一的。

6）计算精确绝对位置。根据确定的伪随机序列编码组在栅尺中粗测位置，可将栅尺传感器相对于栅尺的绝对位置确定在一个编码周期内；根据解调出的栅尺图像载波与基准载波的相位差值，可将栅尺传感器相对于栅尺的绝对位置精度确定在

内，其中T是编码周期，是相位解调精度。

Claims (9)

1.一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法，其特征在于，该方法使用宽码和窄码两种基本编码单元，按伪随机序列值生成单码道绝对位置编码栅尺，图像传感器一次采集含有多个编码的栅尺数字图像，数字图像处理单元在图像预处理后，解调出栅尺图像载波与基准载波的相位差值和栅尺数字图像粗测位置，并进一步计算出栅尺传感器相对于栅尺的精确绝对位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体按如下步骤进行：

1）基于伪随机序列值的单码道绝对位置栅尺编码：

a）构造用于栅尺编码的宽码和窄码两种编码单元，宽码和窄码的每个编码单元周期宽度相等；定义编码波形是栅尺图像传感器检测到编码图像的信号强度值，则在一个编码单元的码字周期内，宽码波形占空比大于窄码，且编码波形是偶对称的；

b）按选择的伪随机序列编码值用宽码或窄码生成伪随机序列单码道绝对位置栅尺编码；

c）对直线栅尺，按选定伪随机序列编码值，用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺，栅尺长度为伪随机序列长度与编码周期宽度T的乘积；对圆形栅尺，按选定伪随机序列编码最大长度值等分圆周长，每个编码位置用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺；

2）一维或二维阵列图像传感器的传感阵列一次采集含有多个编码的栅尺图像，经模数转换得到伪随机序列的单码道栅尺数字图像；该图像构成一个伪随机序列编码组，该编码组足够长，使得由单个栅尺图像能够确定该部分编码在栅尺中的绝对位置；

3）单码道栅尺数字图像信号处理和绝对位置计算

a）栅尺图像预处理：由栅尺图像传感器获取的伪随机序列栅尺数字图像信号首先通过低通滤波器预处理；若获取的栅尺图像为二维图像，则需沿栅尺移动的垂直方向压缩二维图像到一维图像；

b）栅尺图像基准载波构造：伪随机序列栅尺图像的基准载波是周期与栅尺图像编码周期相同的正弦波或方波；

c）用载波相位数字解调方法，解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数；

d）计算栅尺图像载波与基准载波的相位差值；

e）获取的伪随机序列编码组与生成该栅尺的所有伪随机序列值进行互相关运算，确定伪随机序列编码组在栅尺中的粗测位置；

f）根据上述步骤d）和步骤e）的计算结果，进一步计算出栅尺图像传感器相对于栅尺的精确绝对位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的数字图像处理单元采用相干或非相干、时域或频域的相位解调方法，解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数；解调出的相位调制函数包含栅尺图像载波与基准载波的相位差值和宽窄码的相位调制函数值。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的数字图像处理单元解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数值后，通过滤波处理使解调出宽窄码相位调制函数的均值趋于零，并精确计算出伪随机序列栅尺图像载波与基准载波的相位差值。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的数字图像处理单元可直接识别伪随机序列编码组信号中的宽码和窄码，或从解调出相位调制函数中恢复伪随机序列编码值，则伪随机序列编码组与生成该栅尺的所有伪随机序列值做互相关运算的最大相关值处，就是该编码组在栅尺中的粗测位置，该位置在栅尺中是唯一的。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据确定的伪随机序列编码组在栅尺中粗测位置，将栅尺传感器相对于栅尺的绝对位置确定在一个编码周期内；根据解调出的栅尺图像载波与基准载波的相位差值，将栅尺传感器相对于栅尺的绝对位置精度确定在                                               

内，其中T是编码周期，

是相位解调精度。

7.权利要求1或2所述的基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法的装置，由栅尺、栅尺图像传感器和数字图像处理单元组成，其特征在于，所述的栅尺是直线或圆形栅尺，栅尺图像传感器是一维或二维的阵列传感器，该一维或二维阵列传感器的传感阵列沿与栅尺移动方向平行布置。

8.如权利要求7所述的基于伪随机序列的绝对位置编码栅尺和测量装置，其特征在于，所述直线或圆形栅尺可由光栅尺或容栅尺实现，所述的一维或二维的阵列传感器选择光电阵列传感器或电容阵列传感器。

9.如权利要求8所述的基于伪随机序列的绝对位置编码栅尺和测量装置，其特征在于，所述的直线或圆形光栅尺是透射式或者是反射式，光栅尺图像可直接投射到光电阵列传感器靶面上，或者通过光学系统成像到光电阵列传感器靶面上。

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