CN106908091B - 一种光栅以及位置检测方法、系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光栅以及位置检测方法、系统，该光栅包括：包括游标码和A码道，游标码包括M码道、N码道和S码道，其中，M码道、N码道和S码道均为采用周期性游标编码的码道，A码道为采用一组序列编码得到的码道；游标码，用于采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；A码道，用于对当前游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值，以便通过计数值以及游标数值来确定出当前目标物体的实际位置信息。本申请的光栅中只需采用一组序列编码，从而大幅减少解码运算时间，另外由于采用包括三条码道的周期性游标编码来进行细分运算，相对于单码道的增量码，具有更强的抗污染能力。

Description

一种光栅以及位置检测方法、系统

技术领域

本发明涉及光栅技术领域，特别涉及一种光栅以及位置检测方法、系统。

背景技术

当前，为了获取到目标物体精确的位置信息，人们通常会利用光栅来对目标物体的位置进行检测。现有用来检测位置信息的光栅主要采用如下的编码方式：通过将三组伪随机的序列编码组成的复合编码与单码道的增量编码进行结合，以确定出目标物体的位置信息。具体的，按照周期循环的排列方式，对上述三组伪随机的序列编码m1、m2和m3进行排列，得到相应的伪随机序列码ma、mb和mc，然后再将上述伪随机序列码ma、mb和mc进行复合，得到复合代码序列，通过对全部的复合代码序列进行译码，接着将每三个译码对应于光栅尺上的一个绝对位置，根据上述对应关系，将整条光栅尺上的绝对位置进行刻线处理，得到相应的绝对码道并保存相应的数值，后续便可上述保存下来的数值来确定目标物体的位置信息。

然而，由于现有技术中需要采用三组序列编码组合，导致在解码时需要大量的计算，很难做到位置信息的实时同步；另外，随着使用时间的增加，现有技术中的单码道增量码会产生累计误差，并且在明暗条纹受到污染的情况下，容易导致数据出错。

综上所述可以看出，如何在利用光栅进行位置检测的过程中减少解码运算量，并提升抗污染能力是目前有待进一步解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光栅以及位置检测方法、系统，在利用光栅进行位置检测的过程中减少了解码运算量，并提升了抗污染能力。其具体方案如下：

一种光栅，包括游标码和A码道，所述游标码包括M码道、N码道和S码道，其中，

所述M码道、所述N码道和所述S码道均为采用周期性游标编码的码道，所述A码道为采用一组序列编码得到的码道；

所述游标码，用于采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

所述A码道，用于对当前所述游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值，以便通过所述计数值以及所述游标数值来确定出当前所述目标物体的实际位置信息。

可选的，所述光栅为应用于绝对式线位移传感器中的直线位移光栅。

可选的，所述光栅为应用于角度编码器或旋转编码器中的圆光栅。

可选的，所述序列编码为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

本发明进一步公开了一种基于光栅的位置检测方法，所述光栅包括游标码和A码道，所述游标码包括M码道、N码道和S码道，所述M码道、所述N码道和所述S码道均为采用周期性游标编码的码道，所述A码道为采用一组序列编码得到的码道；其中，所述方法包括：

利用所述游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

利用所述A码道，对当前所述游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值；

利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息。

可选的，所述序列编码为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

可选的，所述利用所述游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值的过程，包括：

利用所述M码道与所述N码道之间的相位差，确定出所述N码道对应的游标编码公式，得到第一编码公式；

利用所述M码道与所述S码道之间的相位差，确定出所述S码道对应的游标编码公式，得到第二编码公式；

利用所述第一编码公式和所述第二编码公式，分别确定出所述N码道对应的游标编码以及所述S码道对应的游标编码；

根据当前所述目标物体所处位置，对所述N码道对应的游标编码以及所述S码道对应的游标编码进行相应的同步运算，并将本次同步运算结果与当前所述M码道上的细分数据进行同步合成，得到所述游标数值。

可选的，所述利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息的过程，包括：

若当前所述A码道的m编码序列超前于所述游标码，则利用第一位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第一位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

可选的，所述利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息的过程，包括：

若当前所述A码道的m编码序列滞后于所述游标码，则利用第二位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第二位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

本发明还相应公开了一种基于光栅的位置检测系统，所述光栅包括游标码和A码道，所述游标码包括M码道、N码道和S码道，所述M码道、所述N码道和所述S码道均为采用周期性游标编码的码道，所述A码道为采用一组序列编码得到的码道；其中，所述系统包括：

游标数值采集模块，用于利用所述游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

计数模块，用于利用所述A码道，对当前所述游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值；

位置信息确定模块，用于利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息。

可选的，所述序列编码为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

可选的，所述位置信息确定模块，具体用于在当前所述A码道的m编码序列超前于所述游标码的情况下，利用第一位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第一位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

可选的，所述位置信息确定模块，具体用于在当前所述A码道的m编码序列滞后于所述游标码的情况下，利用第二位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第二位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

本发明中，光栅包括游标码和A码道，游标码包括M码道、N码道和S码道，其中，M码道、N码道和S码道均为采用周期性游标编码的码道，A码道为采用一组序列编码得到的码道；游标码，用于采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；A码道，用于对当前游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值，以便通过计数值以及游标数值来确定出当前目标物体的实际位置信息。

可见，本发明的光栅中只需采用一组序列编码，也即是上述的A码道，这样便无需额外地占用内部处理资源来生成复杂的复合代码，从而大幅减少解码运算时间，这样更有利于位置信息的实时同步，另外，本发明使用包括三条码道的周期性游标编码来进行细分运算，相对于单码道的增量码，提高了解码时的允差，具有更强的抗污染能力，并且在后续的工程调试上比单码道增量码更为简单便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种光栅示意图；

图2为本发明实施例公开的一种基于光栅的位置检测方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种具体的基于光栅的位置检测方法流程图；

图4为本发明实施例公开的一种具体的实际位置信息确定流程图；

图5为本发明实施例公开的一种基于光栅的位置检测系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种光栅，参见图1所示，该光栅包括游标码和A码道，游标码包括M码道、N码道和S码道，其中，

M码道、N码道和S码道均为采用周期性游标编码的码道，A码道为采用一组序列编码得到的码道；

游标码，用于采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

A码道，用于对当前游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值，以便通过计数值以及游标数值来确定出当前目标物体的实际位置信息。

本实施例中，上述M码道、N码道和S码道均是采用周期性游标编码的码道，可作为周期性的绝对行程测量段。

需要说明的是，本实施例中的光栅可以是应用于绝对式线位移传感器中的直线位移光栅，当然也可以是应用于角度编码器或旋转编码器中的圆光栅。

另外，本实施例中的序列编码具体可以为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

本发明实施例的光栅中只需采用一组序列编码，也即是上述的A码道，这样便无需额外地占用内部处理资源来生成复杂的复合代码，从而大幅减少解码运算时间，这样更有利于位置信息的实时同步，另外，本发明实施例使用包括三条码道的周期性游标编码来进行细分运算，相对于单码道的增量码，提高了解码时的允差，具有更强的抗污染能力，并且在后续的工程调试上比单码道增量码更为简单便捷。

进一步的，本发明实施例还公开了一种基于光栅的位置检测方法，光栅包括游标码和A码道，游标码包括M码道、N码道和S码道，M码道、N码道和S码道均为采用周期性游标编码的码道，A码道为采用一组序列编码得到的码道；其中，参见图2所示，上述方法包括：

步骤S11：利用游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值。

其中，上述利用游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值的过程，具体可以包括下面步骤S111至S114：

步骤S111：利用M码道与N码道之间的相位差，确定出N码道对应的游标编码公式，得到第一编码公式。

步骤S112：利用M码道与S码道之间的相位差，确定出S码道对应的游标编码公式，得到第二编码公式。

本实施例中，上述序列编码具体可以为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

本发明实施例中，设N码道、S码道的被应用位长度分别为UBL_N以及UBL_S，则本实施例中M码道、N码道和S码道上每段的刻划线的数量分别为2^UBL_S+UBL_N、2^UBL_S+UBL_N-1以及2^{UBL _S+UBL_}N-2^UBL_N。另外，本实施例中，M码道对应的差分信号为和N码道对应的差分信号为和S码道对应的差分信号为和利用上述差分信号以及反正切函数，可以确定出M码道、N码道以及S码道的相位，分别为以及

本实施例中，利用第一相位差计算公式，可以计算出M码道和N码道之间的相位差；其中，上述第一相位差计算公式具体为：

式中，J_MN表示M码道和N码道之间的相位差。

进一步的，利用第二相位差计算公式，可以计算出M码道和S码道之间的相位差；其中，上述第二相位差计算公式具体为：

式中，J_MS表示M码道和S码道之间的相位差。

利用上述M码道和N码道之间的相位差，可以得到上述第一编码公式：

利用上述M码道和S码道之间的相位差，可以得到上述第二编码公式：

在上两式中，codeN_i表示codeN的第i位，i＝1,2,...,UBL_N，codeN表示N码道对应的游标编码，codeS_i表示codeS的第i位，i＝1,2,...,UBL_S，codeS表示S码道对应的游标编码，mod表示取余计算，int表示取整计算，另外需要指出的是，上述codeN和codeS均包含同步位。

步骤S113：利用第一编码公式和第二编码公式，分别确定出N码道对应的游标编码以及S码道对应的游标编码。

步骤S114：根据当前目标物体所处位置，对N码道对应的游标编码以及S码道对应的游标编码进行相应的同步运算，并将本次同步运算结果与当前M码道上的细分数据进行同步合成，得到游标数值。

步骤S12：利用A码道，对当前游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值。

由上可知，本实施例中的A码道具体可以是一种采用m序列编码的码道，在这种情况下其编码由n级线性移位寄存器产生，序列的周期为P＝2ⁿ-1，通过对该序列的解码可以分辨出2ⁿ-1个绝对位置，利用这个特性对游标码上的周期段进行编号，既可将测量长度延伸为2ⁿ-1个游标周期。本实施例中，需要将m序列编码与游标码上的游标周期相对应，基于此可以将4组m序列的位置与上述游标码的一个游标周期相对应，当前所获得的具体的周期段的编号也即是上述所谓的计数值。

步骤S13：利用计数值以及游标数值，确定出当前目标物体的实际位置信息。

下面以m序列编码为例，对上述步骤S13的具体过程进行详细描述。参见图3和图4所示，在当前A码道的m编码序列超前于游标码的情况下，本实施例可以利用第一位置确定公式，确定出当前目标物体的实际位置信息；

其中，第一位置确定公式为：

式中，L表示实际位置信息，L_A表示游标数值，L_B表示计数值，a表示游标数值对应的游标编码的次高位，b表示计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

而在当前A码道的m编码序列滞后于游标码，本实施例则可以利用第二位置确定公式，确定出当前目标物体的实际位置信息；

其中，第二位置确定公式为：

式中，L表示实际位置信息，L_A表示游标数值，L_B表示计数值，a表示游标数值对应的游标编码的次高位，b表示计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

可见，本发明实施例的光栅中只需采用一组序列编码，也即是上述的A码道，这样便无需额外地占用内部处理资源来生成复杂的复合代码，从而大幅减少解码运算时间，这样更有利于位置信息的实时同步，另外，本发明使用包括三条码道的周期性游标编码来进行细分运算，相对于单码道的增量码，提高了解码时的允差，具有更强的抗污染能力，并且在后续的工程调试上比单码道增量码更为简单便捷。其次，根据上述内容可知，本发明实施例本质上是采用同步区间错位合成技术来制作光栅的，该技术可以使得数据能够在一个物理区间内进行合成，从而降低了标尺光栅刻划时的难度。再者，本实施例中，上述位置检测方法可以使得系统在开机上电后能够直接获取位置信息，无需重新寻找零位，另外，本实施例中的技术方案也可以确保系统在运行过程中不会出现累计误差。

相应的，本发明实施例还公开了一种基于光栅的位置检测系统，光栅包括游标码和A码道，游标码包括M码道、N码道和S码道，M码道、N码道和S码道均为采用周期性游标编码的码道，A码道为采用一组序列编码得到的码道；其中，参见图5所示，上述系统包括：

游标数值采集模块11，用于利用游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

计数模块12，用于利用A码道，对当前游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值；

位置信息确定模块13，用于利用计数值以及游标数值，确定出当前目标物体的实际位置信息。

本实施例中，上述序列编码具体可以为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

在一种具体实施方式中，上述位置信息确定模块13，具体可以用于在当前A码道的m编码序列超前于游标码的情况下，利用第一位置确定公式，确定出当前目标物体的实际位置信息；其中，第一位置确定公式为：

式中，L表示实际位置信息，L_A表示游标数值，L_B表示计数值，a表示游标数值对应的游标编码的次高位，b表示计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

在另一种具体实施方式中，上述位置信息确定模块13，具体用于在当前A码道的m编码序列滞后于游标码的情况下，利用第二位置确定公式，确定出当前目标物体的实际位置信息；其中，第二位置确定公式为：

式中，L表示实际位置信息，L_A表示游标数值，L_B表示计数值，a表示游标数值对应的游标编码的次高位，b表示计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

关于上述各个模块更加详细的工作过程可以参考前述实施例中公开的内容，在此不再进行赘述。

可见，本发明实施例的光栅中只需采用一组序列编码，也即是上述的A码道，这样便无需额外地占用内部处理资源来生成复杂的复合代码，从而大幅减少解码运算时间，这样更有利于位置信息的实时同步，另外，本发明使用包括三条码道的周期性游标编码来进行细分运算，相对于单码道的增量码，提高了解码时的允差，具有更强的抗污染能力，并且在后续的工程调试上比单码道增量码更为简单便捷。其次，根据上述内容可知，本发明实施例本质上是采用同步区间错位合成技术来制作光栅的，该技术可以使得数据能够在一个物理区间内进行合成，从而降低了标尺光栅刻划时的难度。再者，本实施例中，上述位置检测方法可以使得系统在开机上电后能够直接获取位置信息，无需重新寻找零位，另外，本实施例中的技术方案也可以确保系统在运行过程中不会出现累计误差。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种光栅以及位置检测方法、系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于光栅的位置检测方法，其特征在于，所述光栅包括游标码和A码道，所述游标码包括M码道、N码道和S码道，所述M码道、所述N码道和所述S码道均为采用周期性游标编码的码道，所述A码道为采用一组序列编码得到的码道；其中，所述方法包括：

利用所述游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

利用所述A码道，对当前所述游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值；

利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息的过程，包括：

若当前所述A码道的m编码序列超前于所述游标码，则利用第一位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第一位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

2.根据权利要求1所述的基于光栅的位置检测方法，其特征在于，所述序列编码为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

3.根据权利要求1所述的基于光栅的位置检测方法，其特征在于，所述利用所述游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值的过程，包括：

利用所述M码道与所述N码道之间的相位差，确定出所述N码道对应的游标编码公式，得到第一编码公式；

利用所述M码道与所述S码道之间的相位差，确定出所述S码道对应的游标编码公式，得到第二编码公式；

利用所述第一编码公式和所述第二编码公式，分别确定出所述N码道对应的游标编码以及所述S码道对应的游标编码；

根据当前所述目标物体所处位置，对所述N码道对应的游标编码以及所述S码道对应的游标编码进行相应的同步运算，并将本次同步运算结果与当前所述M码道上的细分数据进行同步合成，得到所述游标数值。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于光栅的位置检测方法，其特征在于，所述利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息的过程，包括：

若当前所述A码道的m编码序列滞后于所述游标码，则利用第二位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第二位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

5.一种基于光栅的位置检测系统，其特征在于，所述光栅包括游标码和A码道，所述游标码包括M码道、N码道和S码道，所述M码道、所述N码道和所述S码道均为采用周期性游标编码的码道，所述A码道为采用一组序列编码得到的码道；其中，所述系统包括：

游标数值采集模块，用于利用所述游标码，采集当前游标编码周期内的与当前目标物体所处位置相对应的游标数值；

计数模块，用于利用所述A码道，对当前所述游标码已经过的游标编码周期进行计数，得到相应的计数值；

位置信息确定模块，用于利用所述计数值以及所述游标数值，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述位置信息确定模块，具体用于在当前所述A码道的m编码序列超前于所述游标码的情况下，利用第一位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第一位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。

6.根据权利要求5所述的基于光栅的位置检测系统，其特征在于，所述序列编码为m序列编码或M序列编码或Gold序列编码或曼彻斯特编码或二进制编码。

7.根据权利要求5或6所述的基于光栅的位置检测系统，其特征在于，

所述位置信息确定模块，具体用于在当前所述A码道的m编码序列滞后于所述游标码的情况下，利用第二位置确定公式，确定出当前所述目标物体的实际位置信息；

其中，所述第二位置确定公式为：

式中，L表示所述实际位置信息，L_A表示所述游标数值，L_B表示所述计数值，a表示所述游标数值对应的游标编码的次高位，b表示所述计数值对应的序列编码的同步位，{}运算符表示位拼接运算。