CN105890634B - 一种绝对式编码器及其解码测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝对式编码器及其解码测量方法，该解码测量方法包括步骤：S1、将圆编码器安装在待测物体上，并驱动待测物体进行转动；S2、将平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并经绝对码道反射后，采用光学放大系统将反射光束汇聚入射到图像传感器上；S3、图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并发送到模数转换器；S4、模数转换器将编码图像由模拟图像转换为数字图像后发送到信号处理模块；S5、信号处理模块对编码图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。本发明运算简单、快速，实时性强，可以快速地实现解码，可广泛应用于绝对式编码器领域中。
Description
技术领域
本发明涉及绝对位置测量领域，特别是涉及一种绝对式编码器及其解码测量方法。
背景技术
用于位置测量的编码器，在机械加工业中有很多广泛的应用，其性能影响到机械加工质量。目前，公知的用来精密测量物体的移动位移的工具的编码器主要包括增量式和绝对式两种。其中绝对式编码器在逐渐得到较多的应用。其主要优点就是不需要寻找参考原点，可以在断电后，任何给电时对位置进行测量，无需“归零”操作，因此在数控机床上有很广泛的应用前景。
绝对式编码器可分为绝对式圆编码器和绝对式光栅尺，前者是用来检测回转体运动状态的编码器，后者是用来检测直线位移的编码器。国内开展绝对式光栅测量技术的研究较晚，目前技术中，绝对码道的解码方法一般运算过程比较复杂，解码速度较慢，处理时间较长，实时性差，无法快速地实现解码。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种绝对式编码器，本发明的另一目的是提供一种绝对式编码器的解码测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种绝对式编码器，包括平行光源、圆编码器、光学放大系统、图像传感器、模数转换器以及信号处理模块，所述圆编码器的圆周上设有绝对码道，所述绝对码道由多个宽度相同的随机透光或不透光的码元构成，其编码规则为伪随机码，且若干个连续的码元构成一绝对位置编码，所述平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并发生反射后，经光学放大系统汇聚入射到图像传感器，所述图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并经模数转换器转换为数字图像后发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于对数字图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。
进一步，所述信号处理模块具体用于：
将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，进而根据绝对位置编码的码元个数从条纹提取后的编码图像中选择测量码区后，读取该测量码区中的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值，同时获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值，进而将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
进一步，所述绝对位置测量值为：L＝Mx-ΔL，其中L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值且xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器的像素中心距，K表示光学放大系统的放大倍数。
进一步，所述图像传感器采用线阵CCD或者线阵CMOS。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
所述的一种绝对式编码器的解码测量方法，包括步骤：
S1、将圆编码器安装在待测物体上，并驱动待测物体进行转动；
S2、将平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并经绝对码道反射后，采用光学放大系统将反射光束汇聚入射到图像传感器上；
S3、图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并发送到模数转换器；
S4、模数转换器将编码图像由模拟图像转换为数字图像后发送到信号处理模块；
S5、信号处理模块对编码图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。
进一步，所述步骤S5，包括：
S51、将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，从而提取获得由多个光栅条纹构成的测量图像；
S52、根据绝对位置编码的码元个数从测量图像中选择测量码区后，读取该测量码区的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值；
S53、获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值；
S54、将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
进一步，所述步骤S53，其具体为：
获取测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，根据下式，计算获得精测位置值：
上式中，ΔL表示精测位置值，xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器的像素中心距，K表示光学放大系统的放大倍数。
进一步，所述步骤S54，其具体为：
根据下式，将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值：
L＝Mx-ΔL
其中，L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值。
进一步，所述步骤S51中所述将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取的步骤，具体包括：
S511、将数字图像依次进行高斯滤波后，根据下式，采用梯度算法器计算高斯滤波后的数字图像的一维梯度图像：
R(i)＝|f(i+1)-f(i)|
上式中，f(i)表示高斯滤波后的数图像的值，i表示像素坐标，R(i)表示一维梯度图像的值；
S512、依次获取一维梯度图像的每个像素点后，根据下式对获得的一维梯度图像进行窗口边缘检测定位，将满足下式的像素点R(i)的坐标作为光栅条纹的边缘位置xi：
本发明的有益效果是：本发明的一种绝对式编码器，包括平行光源、圆编码器、光学放大系统、图像传感器、模数转换器以及信号处理模块，圆编码器的圆周上设有绝对码道，绝对码道由多个宽度相同的随机透光或不透光的码元构成，其编码规则为伪随机码，且若干个连续的码元构成一绝对位置编码，平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并发生反射后，经光学放大系统汇聚入射到图像传感器，图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并经模数转换器转换为数字图像后发送到信号处理模块，信号处理模块用于对数字图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。本绝对式编码器运算简单、快速，实时性强，可以快速地实现解码，获得绝对位置测量值。
本发明的另一有益效果是：本发明的一种绝对式编码器的解码测量方法，包括步骤：S1、将圆编码器安装在待测物体上，并驱动待测物体进行转动；S2、将平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并经绝对码道反射后，采用光学放大系统将反射光束汇聚入射到图像传感器上；S3、图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并发送到模数转换器；S4、模数转换器将编码图像由模拟图像转换为数字图像后发送到信号处理模块；S5、信号处理模块对编码图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。本解码测量方法运算简单、快速，实时性强，可以快速地实现圆编码器的解码，从而获得绝对位置测量值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种绝对式编码器的结构示意图；
图2是本发明的一种绝对式编码器的测量原理示意图；
图3是本发明的一种绝对式编码器的解码测量方法的流程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提供了一种绝对式编码器，包括平行光源1、圆编码器2、光学放大系统3、图像传感器4、模数转换器5以及信号处理模块6，所述圆编码器2的圆周上设有绝对码道，所述绝对码道由多个宽度相同的随机透光或不透光的码元构成，其编码规则为伪随机码，且若干个连续的码元构成一绝对位置编码，所述平行光源1发出的平行光束照射到绝对码道并发生反射后，经光学放大系统3汇聚入射到图像传感器4，所述图像传感器4用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并经模数转换器5转换为数字图像后发送到信号处理模块6，所述信号处理模块6用于对数字图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。
进一步作为优选的实施方式，所述信号处理模块6具体用于：
将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，进而根据绝对位置编码的码元个数从条纹提取后的编码图像中选择测量码区后，读取该测量码区中的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值，同时获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值，进而将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
进一步作为优选的实施方式，所述根据绝对位置编码的码元个数从二值化后的编码图像中选择测量码区的步骤，其具体为：根据绝对位置编码的码元个数N，获取条纹提取后的编码图像中的前N个码元作为测量码区。
进一步作为优选的实施方式，所述绝对位置测量值为：L＝Mx-ΔL，其中L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值且xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器4的像素中心距，K表示光学放大系统的放大倍数。
进一步作为优选的实施方式，所述图像传感器4采用线阵CCD或者线阵CMOS。
参照图3，本发明还提供了一种绝对式编码器的解码测量方法，包括步骤：
S1、将圆编码器2安装在待测物体上，并驱动待测物体进行转动；
S2、将平行光源1发出的平行光束照射到绝对码道并经绝对码道反射后，采用光学放大系统将反射光束汇聚入射到图像传感器4上；
S3、图像传感器4采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并发送到模数转换器5；
S4、模数转换器5将编码图像由模拟图像转换为数字图像后发送到信号处理模块6；
S5、信号处理模块6对编码图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S5，包括：
S51、将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，从而提取获得由多个光栅条纹构成的测量图像；
S52、根据绝对位置编码的码元个数从测量图像中选择测量码区后，读取该测量码区的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值；
S53、获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值；
S54、将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S53，其具体为：
获取测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，根据下式，计算获得精测位置值：
上式中，ΔL表示精测位置值，xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器的像素中心距，K表示光学放大系统的放大倍数。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S54，其具体为：
根据下式，将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值：
L＝Mx-ΔL
其中，L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S51中所述将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取的步骤，具体包括：
S511、将数字图像依次进行高斯滤波后，根据下式，采用梯度算法器计算高斯滤波后的数字图像的一维梯度图像：
R(i)＝|f(i+1)-f(i)|
上式中，f(i)表示高斯滤波后的数图像的值，i表示像素坐标，R(i)表示一维梯度图像的值；
S512、依次获取一维梯度图像的每个像素点后，根据下式对获得的一维梯度图像进行窗口边缘检测定位，将满足下式的像素点R(i)的坐标作为光栅条纹的边缘位置xi：
以下结合具体实施例对本发明做详细说明。
实施例一
参照图1，一种绝对式编码器，包括平行光源1、圆编码器2、光学放大系统3、图像传感器4、模数转换器5以及信号处理模块6，所述圆编码器2的圆周上设有绝对码道，所述绝对码道由多个宽度相同的随机透光或不透光的码元构成，其编码规则为伪随机码，且若干个连续的码元构成一绝对位置编码，所述平行光源1发出的平行光束照射到绝对码道并发生反射后，经光学放大系统3汇聚入射到图像传感器4，所述图像传感器4用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并经模数转换器5转换为数字图像后发送到信号处理模块6，所述信号处理模块6用于对数字图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。本实施例中图像传感器4优选采用线阵CCD或线阵CMOS。
本绝对式编码器的绝对位置测量原理如图2所示，图2中将图像传感器4绘制在绝对码道的下端方便进行理解。首先，图像传感器4即线阵CCD通过扫描获得多组绝对编码图像，在绝对光栅测量中取线阵CCD的中心像素p为测量参考点，本实施例中，绝对位置编码的码元个数为16个，即每16个码元宽度代表一个绝对位置编码，从条纹明暗突变处q开始读取16条码元宽度的光栅条码Nx，读取的Nx就代表唯一的一个粗测位置值Mx。绝对码道的精测位置值为从参考点P到条纹明暗突变处q的距离ΔL，也称细分部分ΔL，如果线阵CCD的像素中心距为d，光学放大系统3的光学放大倍数为K，测量参考点的像元位置为xp，本实施例中xp具体指线阵CCD或线阵CMOS上的测量参考点的像元位置，测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置为xq，则精测位置值为ΔL：
因此，绝对位置测量值为：L＝Mx-ΔL。
相应的，信号处理模块6具体用于：
将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，进而根据绝对位置编码的码元个数从条纹提取后的编码图像中选择测量码区后，读取该测量码区中的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值，同时获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值，进而将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。测量参考点是在线阵CCD或线阵CMOS上预先设定的用于绝对位置测量的参考点。
预设的编码数据库是指根据绝对码道的刻画规则所预先定义的编码数据库，例如采用N位的随机码，则编码周期有2N-1，采用16位的伪随机码时，编码周期为65535。每个编码值对应一个具体的测量位置值，预先建立不同的编码值与其对应的测量位置值之间的对应关系，从而建立预设的编码数据库。
根据绝对位置编码的码元个数从二值化后的编码图像中选择测量码区的步骤，其具体为：根据绝对位置编码的码元个数N，获取条纹提取后的编码图像中的前N个码元作为测量码区。
综上所述，通过光栅条纹定位后，结合线阵CCD采集的图像的像素分布情况即可计算获得绝对式编码器的绝对位置测量值，运算简单、快速，实时性强，可以快速地实现解码。
实施例二
参照图3，一种绝对式编码器的解码测量方法，包括步骤：
S1、将圆编码器2安装在待测物体上，并驱动待测物体进行转动；
S2、将平行光源1发出的平行光束照射到绝对码道并经绝对码道反射后，采用光学放大系统将反射光束汇聚入射到图像传感器4上；
S3、图像传感器4采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并发送到模数转换器5；
S4、模数转换器5将编码图像由模拟图像转换为数字图像后发送到信号处理模块6；
S5、信号处理模块6对编码图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。
优选的，本实施例中，步骤S5，包括步骤S51～S54：
S51、将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，从而提取获得由多个光栅条纹构成的测量图像；
S52、根据绝对位置编码的码元个数从测量图像中选择测量码区后，读取该测量码区的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值；
S53、获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值；
S54、将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
预设的编码数据库是指根据绝对码道的刻画规则所预先定义的编码数据库，例如每个测量码区的码元个数为N个，则编码周期有2N-1，采用16位的伪随机码时，编码周期为65535。每个编码值对应一个具体的测量位置值，预先建立不同的编码值与其对应的测量位置值之间的对应关系，从而建立预设的编码数据库。
详细的，步骤S53具体为：
获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，根据下式，计算获得精测位置值：
上式中，ΔL表示精测位置值，xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器4的像素中心距，K表示光学放大系统3的放大倍数。测量参考点是在线阵CCD或线阵CMOS上预先设定的用于绝对位置测量的参考点，其位置xp为已知。
步骤S54具体为：
根据下式，将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值：
L＝Mx-ΔL
其中，L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值。
步骤S51中将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取的步骤，具体包括S511和S512：
S511、将数字图像依次进行高斯滤波后，根据下式，采用梯度算法器计算高斯滤波后的数字图像的一维梯度图像：
R(i)＝|f(i+1)-f(i)|
上式中，f(i)表示高斯滤波后的数字图像的值，i表示像素坐标，R(i)表示一维梯度图像的值；
S512、依次获取一维梯度图像的每个像素点后，根据下式对获得的一维梯度图像进行窗口边缘检测定位，将满足下式的像素点R(i)的坐标作为光栅条纹的边缘位置xi：
通过本步骤进行边缘检测后，可以获得为光栅条纹的边缘位置xi。因此，对应地，采用这种方法可以获得测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置xq。
本方法运算简单、快速，实时性强，可以快速地实现解码。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种绝对式编码器，其特征在于，包括平行光源、圆编码器、光学放大系统、图像传感器、模数转换器以及信号处理模块，所述圆编码器的圆周上设有绝对码道，所述绝对码道由多个宽度相同的随机透光或不透光的码元构成，其编码规则为伪随机码，且若干个连续的码元构成一绝对位置编码，所述平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并发生反射后，经光学放大系统汇聚入射到图像传感器，所述图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并经模数转换器转换为数字图像后发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于对数字图像进行图像处理后获得绝对位置测量值；
所述信号处理模块具体用于：
将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，进而根据绝对位置编码的码元个数从条纹提取后的编码图像中选择测量码区后，读取该测量码区中的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值，同时获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值，进而将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
2.根据权利要求1所述的一种绝对式编码器，其特征在于，所述绝对位置测量值为：L＝Mx-ΔL，其中L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值且xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器的像素中心距，K表示光学放大系统的放大倍数。
3.根据权利要求1所述的一种绝对式编码器，其特征在于，所述图像传感器采用线阵CCD或者线阵CMOS。
4.如权利要求1所述的一种绝对式编码器的解码测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将圆编码器安装在待测物体上，并驱动待测物体进行转动；
S2、将平行光源发出的平行光束照射到绝对码道并经绝对码道反射后，采用光学放大系统将反射光束汇聚入射到图像传感器上；
S3、图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的编码图像并发送到模数转换器；
S4、模数转换器将编码图像由模拟图像转换为数字图像后发送到信号处理模块；
S5、信号处理模块对编码图像进行图像处理后获得绝对位置测量值。
5.根据权利要求4所述的一种绝对式编码器的解码测量方法，其特征在于，所述步骤S5，包括：
S51、将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取，从而提取获得由多个光栅条纹构成的测量图像；
S52、根据绝对位置编码的码元个数从测量图像中选择测量码区后，读取该测量码区的编码值，并将该编码值与预设的编码数据库比对后，获得粗测位置值；
S53、获取该测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，计算获得精测位置值；
S54、将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值。
6.根据权利要求5所述的一种绝对式编码器的解码测量方法，其特征在于，所述步骤S53，其具体为：
获取测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置后，结合相邻像素的中心距，根据下式，计算获得精测位置值：
上式中，ΔL表示精测位置值，xp表示图像传感器上测量参考点的像元位置，xq表示测量码区中最接近测量参考点的明暗条纹突变处的边界像元位置，d表示图像传感器的像素中心距，K表示光学放大系统的放大倍数。
7.根据权利要求5所述的一种绝对式编码器的解码测量方法，其特征在于，所述步骤S54，其具体为：
根据下式，将粗测位置值减去精测位置值后获得绝对位置测量值：
L＝Mx-ΔL
其中，L表示绝对位置测量值，Mx表示粗测位置值，ΔL表示精测位置值。
8.根据权利要求5所述的一种绝对式编码器的解码测量方法，其特征在于，所述步骤S51中所述将数字图像依次进行高斯滤波、边缘检测和条纹提取的步骤，具体包括：
S511、将数字图像依次进行高斯滤波后，根据下式，采用梯度算法器计算高斯滤波后的数字图像的一维梯度图像：
R(i)＝|f(i+1)-f(i)|
上式中，f(i)表示高斯滤波后的数字图像的值，i表示像素坐标，R(i)表示一维梯度图像的值；
S512、依次获取一维梯度图像的每个像素点后，根据下式对获得的一维梯度图像进行窗口边缘检测定位，将满足下式的像素点R(i)的坐标作为光栅条纹的边缘位置xi：
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