CN106017520B - 一种绝对式光电编码器编码方法及实施该方法的编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝对式光电编码器编码方法及实施该方法的编码器，其中编码盘上划分有N个等角的扇形区间，每一所述扇形区间进一步沿径向划分为用于指示该扇形区间在N个扇形区间中排列次序n的位置标定区间以及用于进一步指示精确角度的葛莱码道区间；所述葛莱码道区间内具有M组沿周向排列的葛莱码道，每一葛莱码道均编码该葛莱码道在M组葛莱码道中的排列次序m；所述CMOS图像传感器配置为开窗模式并且每次仅采用一组葛莱码道以及与该组葛莱码道位于同一半径连线上的位置标定区间的图像信息，图像信息经解码后获得n和m的数据，然后通过公式(n‑1)*(360/N)+m*(360/N)/M计算出当前的角度。
Description
技术领域
本发明涉及光电编码器技术领域，尤其涉及一种绝对式光电编码器编码方法及实施该方法的编码器。
背景技术
光电编码器是采用光电技术，通过光电转换将机械运动输出轴上的几何位移量、旋转角位置以及角速度等物理量转化成数字量或者脉冲的新型传感器。根据信号的输出形式以及刻划方法，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器只能提供位置相对于前一位置的信息，所以电源中断后，位置的信息变化必须重新归零才可确认。在断电后再重新上电的瞬间，增量式光电编码器无法立即知道目前机构所在位置。绝对式光电编码器能随时输出位置的绝对值且不会因为电源中断而丧失位置的信息，因此断电再上电后无需进行归零程序，简化了控制系统的运作。绝对式光电编码器在数控行业得到越来越广泛的应用。主要缺点是在高精度测量速度较慢，解码时错码率高，抗污染能力较弱。
但是不论是增量式光电编码器还是绝对式光电编码器，由于现有的光栅码道都刻划在玻璃等材料上，而电机在运行过程中，不可避免地会产生一定的径向跳动，从而可能造成码道出现微小位移，当振动造成的径向位移达到一定幅值时，甚至可能出现读数错误。另一方面，传统的绝对式编码器码道过多、制造工艺复杂从而造成体积大、重量较重，限制了绝对式编码器的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种绝对式光电编码器编码方法及实施该方法的编码器。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种绝对式光电编码器编码方法，包括编码盘以及用于采集编码盘图像信息的CMOS图像传感器，其中编码盘上划分有N个等角的扇形区间，每一所述扇形区间进一步沿径向划分为用于指示该扇形区间在N个扇形区间中排列次序n的位置标定区间以及用于进一步指示精确角度的葛莱码道区间；其中各所述位置标定区间内均具有光栅图像为黑色或白色的扇形图形，并且各扇形区间之间的位置标定区间内的扇形图形均具有不同的高度；所述葛莱码道区间内具有M组沿周向排列的葛莱码道，每一葛莱码道均编码该葛莱码道在M组葛莱码道中的排列次序m，并且各扇形区间之间的葛莱码道区间具有相同编码；所述CMOS图像传感器配置为开窗模式并且每次仅采用一组葛莱码道以及与该组葛莱码道位于同一半径连线上的位置标定区间的图像信息，图像信息经解码后获得n和m的数据，然后通过公式(n-1)*(360/N)+m*(360/N)/M计算出当前的角度。
进一步，图像信息被CMOS图像传感器采集后，图像采集卡将模拟图像转化为数字图像，处理数据单元对图像进行二值化处理获得清晰图像，最后通过比对图像数据库解码出n和m的数据。
优选地，当CMOS图像传感器同时采集到两组相邻的葛莱码道时，采用图像信息较多的一组。
本发明同时还配套提供一种编码器，包括有用于采集图像信息的CMOS图像传感器、光学放大系统、编码盘、用于将模拟图像转化为数字图像的图像采集卡、用于处理数据的数据处理单元；其中所述CMOS图像传感器对准编码盘，所述光学放大系统包括照射编码盘的光源以及设置于CMOS图像传感器和编码盘之间用于放大编码盘图像的透镜，所述CMOS图像传感器、图像采集卡和数据处理单元相互连接。
进一步，还包括用于补偿CMOS图像传感器的校正补偿单元，所述校正补偿单元6与CMOS图像传感器连接。
优选地，所述CMOS图像传感器采用光栅型APS图像传感器；所述数据处理单元采用STM32数据处理单元；所述图像采集卡采用FPGA图像采集卡。
本发明的有益效果是：本发明采用的编码盘能有效降低二进制绝对码道的数目，降低了光栅刻蚀难度，能有效降低光栅编码盘刻蚀出错率，还降低了制造成本。另外二进制码道采用葛莱码编码方法，能降低出错率，合成结果基本上接近真实位置，提高了测量系统的可靠性
附图说明
图1为本发明的编码器的结构示意图。
图2为本发明的编码盘的示意图。
图3为图2中区域A的局部放大图。
其中，1-编码盘，11-扇形区间，111-位置标定区间，112-葛莱码道区间，2-CMOS图像传感器，3-光学放大系统，31-光源，32-透镜，4-图像采集卡，5-数据处理单元，6-校正补偿单元。
具体实施方式
现结合附图和具体实施例对本发明所要求保护的技术方案作进一步详细说明。
参见附图1所示，本实施例中所采用的编码器包括有用于采集图像信息的CMOS图像传感器2、光学放大系统3、编码盘1、用于将模拟图像转化为数字图像的图像采集卡4、用于补偿CMOS图像传感器2的校正补偿单元6、用于处理数据的数据处理单元5；其中所述CMOS图像传感器2对准编码盘1，所述光学放大系统3包括照射编码盘1的光源31以及设置于CMOS图像传感器2和编码盘1之间用于放大编码盘1图像的透镜32，所述CMOS图像传感器2、图像采集卡4和数据处理单元5相互连接，所述校正补偿单元6与CMOS图像传感器2连接。在本实施例中CMOS图像传感器2采用光栅型APS图像传感器；所述数据处理单元5采用STM32数据处理单元5；所述图像采集卡4采用FPGA图像采集卡4。
参见附图2和附图3所示，编码盘1上划分有N个等角的扇形区间11，每一所述扇形区间11进一步沿径向划分为用于指示该扇形区间11在N个扇形区间11中排列次序n的位置标定区间111以及用于进一步指示精确角度的葛莱码道区间112；其中各所述位置标定区间111内均具有光栅图像为黑色或白色的扇形图形，并且各扇形区间11之间的位置标定区间111内的扇形图形均具有不同的高度；所述葛莱码道区间112内具有M组沿周向排列的葛莱码道，每一葛莱码道均编码该葛莱码道在M组葛莱码道中的排列次序m，并且各扇形区间11之间的葛莱码道区间112具有相同编码。
所述CMOS图像传感器2配置为开窗模式并且每次仅采用一组葛莱码道以及与该组葛莱码道位于同一半径连线上的位置标定区间111的图像信息，图像信息被CMOS图像传感器2采集后，图像采集卡4将模拟图像转化为数字图像，
处理数据单元将CMOS图像传感器2获得的图像进行二值化处理，二值化的目的是使获得的图像更加清晰，便于后期进行算法比对。基于所拍摄图像的几何轮廓边界比较简单，因而采用“双峰法”来确定灰度阂值，然后将获得图像的处理成只有黑白信息的图像。其中对应位置标定区间111的部分为一条形成扇形图形的黑色或白色线，其对应葛莱码道区间112部分的经处理后为黑白方格交替的较清晰的图像。将上述两者与图像数据库进行比对，其中位置标定区间111部分可测量该形成扇形图形的黑色或白色线的像素数，即其扇形图形的高度获得数值n；其对应葛莱码道区间112部分将其黑白方格图像转换为二进制的葛同莱码道，同时比对数据库获得数值m。
处理数据单元对图像进行二值化处理获得清晰图像，最后通过比对图像数据库解码出n和m的数据，图像信息经解码后获得n和m的数据，最后通过公式(n-1)*(360/N)+m*(360/N)/M计算出当前的角度。
由于光栅尺刻蚀技术的限制，不能保证同个位置标定区间111内扇形图形下每个位置的像素数相同，可能存在像素数的差异，因此应该为读数头在某个位置拍摄信息中的每个扇形的高度像素数设置误差范围，以保证读取的精确性，另一方面，CMOS传感器可采用光栅型APS图像传感器，采用0.25微米工艺将允许达到5微米的像元间距，便可拍摄出不同位置下的码道信息，也就是说在光栅编码盘1可以分割成很多扇形区域的角度区间，只要保证相邻扇形的高度存在5微米或稍微大一点的差值即可，如今光栅的刻蚀工艺是能到达这种要求的，按照这种方式编码，此时编码器的分辨力可以很高。
另外，在图像拍摄过程中，当CMOS图像传感器2同时采集到两组相邻的葛莱码道时，采用图像信息较多的一组。
在本实施例中扇形区间11的数量N具体为180个，即每个扇形区间11的角度为360/180＝2°，若其次序n为1，则该扇形区间11内的角度为0°至2°，依次类推；在本实施例中葛莱码道的数量M具体为250组，即每组葛莱码道的角度为2°/250＝0.008°，为了避免该250组葛莱码道的编码重复，在设置葛莱码道的位数时还应该注意2x>M,其中x为每组葛莱码道的位数；通过对葛莱码道进行解码可进一步获得当前角度更准确的数据，若葛莱码道在同一扇形区间11内的次序m为1，且n为1，则当前角度为0.008°，依次类推。若采用更多码道，细分效果更好，分辨率也越高。采用这种方案能明显减少码道数量，缩小了码盘大小。
以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种绝对式光电编码器编码方法，其特征在于：包括编码盘(1)以及用于采集编码盘(1)图像信息的CMOS图像传感器(2)，其中编码盘(1)上划分有N个等角的扇形区间(11)，每一所述扇形区间(11)进一步沿径向划分为用于指示该扇形区间(11)在N个扇形区间(11)中排列次序n的位置标定区间(111)以及用于进一步指示精确角度的葛莱码道区间(112)；其中各所述位置标定区间(111)内均具有光栅图像为黑色或白色的扇形图形，并且各扇形区间(11)之间的位置标定区间(111)内的扇形图形均具有不同的高度；所述葛莱码道区间(112)内具有M组沿周向排列的葛莱码道，每一葛莱码道均编码该葛莱码道在M组葛莱码道中的排列次序m，并且各扇形区间(11)之间的葛莱码道区间(112)具有相同编码；所述CMOS图像传感器(2)配置为开窗模式并且每次仅采用一组葛莱码道以及与该组葛莱码道位于同一半径连线上的位置标定区间(111)的图像信息，图像信息经解码后获得n和m的数据，最后通过公式(n-1)*(360/N)+m*(360/N)/M计算出当前的角度；所述图像信息被CMOS图像传感器(2)采集后，图像采集卡(4)将模拟图像转化为数字图像，处理数据单元对图像进行二值化处理获得清晰图像，最后通过比对图像数据库解码出n和m的数据。
2.根据权利要求1所述的一种绝对式光电编码器编码方法，其特征在于：当CMOS图像传感器(2)同时采集到两组相邻的葛莱码道时，采用图像信息较多的一组。
3.一种可实施如权利要求1所述的绝对式光电编码器编码方法的编码器，其特征在于：包括有用于采集图像信息的CMOS图像传感器(2)、光学放大系统(3)、编码盘(1)、用于将模拟图像转化为数字图像的图像采集卡(4)、用于处理数据的数据处理单元(5)；其中所述CMOS图像传感器(2)对准编码盘(1)，所述光学放大系统(3)包括照射编码盘(1)的光源(31)以及设置于CMOS图像传感器(2)和编码盘(1)之间用于放大编码盘(1)图像的透镜(32)，所述CMOS图像传感器(2)、图像采集卡(4)和数据处理单元(5)相互连接。
4.根据权利要求3所述的一种编码器，其特征在于：还包括用于补偿CMOS图像传感器(2)的校正补偿单元(6)，所述校正补偿单元(6)与CMOS图像传感器(2)连接。
5.根据权利要求4所述的一种编码器，其特征在于：所述CMOS图像传感器(2)采用光栅型APS图像传感器；所述数据处理单元(5)采用STM32数据处理单元；所述图像采集卡(4)采用FPGA图像采集卡。
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