CN107121072B - 二维绝对位移编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维绝对位移编码器，包括有光路系统和FPGA信号处理系统，光路系统包括平行光源、二维绝对编码码道、成像透镜组、孔径光阑、图像传感器，二维绝对编码码道放置于被测平面上，由大小相同、反射或不反射光、采用伪随机编码方式编码的码元组成；FPGA信号处理系统主要实现图像传感器的配置，图像信息读取，图像中值滤波和二值化处理，图像缓存，编码识别，译码算法的FPGA实现及二维绝对位置测量值输出。本发明结构简单，实时性强，可以实现快速解码，输出二维绝对位置测量值，可广泛应用于二维工作台绝对定位与测量等精密测量中，具有良好的实际应用前景。

Description

二维绝对位移编码器
技术领域
本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种二维绝对位移编码器。
背景技术
光栅传感器广泛应用于现代精密测量仪器、数控机床、光刻机、超精加工等领域，是现代精密测试典型的测量设备。在实际应用中，传统计量光栅没有零位标志，测量时通过计算自设置零点开始的增量数获得当前相对位置信息，如果在测量过程中由于停机等原因，造成原测量结果丢失，必须重新寻零和测量。为了解决增量式光栅复位寻零的问题，本专利采用包含绝对位置信息编码的光栅，开机时绝对式光栅尺通过读取当前的位置编码，得到当前的绝对位置测量值。采用该方法的主要优点是不需要寻找参考零点，可以在断电后，再次给电时对当前位置进行绝对位置测量，无需“归零”操作，因此可广泛应用于数控加工机床。
对于二维的测量，通常采用的是两组相互垂直的线编码系统，分别读取两个线编码器的输出值就可以得到当前位置的二维绝对位置测量值。但该系统装夹定位的精度对二维平面运动的测量影响很大，安装定位时往往造成阿贝误差降低测量结果的精度，同时这种测量方法组成的测量系统占据较大的空间，对于一些小空间测量造成困难，给测量带来不便。
发明内容：
本发明的目的是提供一种二维绝对位移编码器，该系统可实现快速解码，输出二维绝对位置测量值，可广泛应用于二维工作台绝对定位与测量系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
二维绝对位移编码器，其特征在于：包括平行光源(1)、二维绝对编码码道(2)、成像透镜组(3)、孔径光阑(4)、图像传感器(5)以及FPGA信号处理系统(7)；所述平行光源(1)发出的平行光照射到二维绝对编码码道(2)发生反射，经成像透镜组(3)、孔径光阑(4)成像于图像传感器(5)上；所述图像传感器(5)用于采集包含当前绝对位置的编码图像并发送到FPGA信号处理系统(7)；所述FPGA信号处理系统(7)包括CMOS配置模块(6)和依次连接的图像读取、图像处理模块(11)、编码识别模块(10)、位移译码模块(9)、VGA显示模块(8)，CMOS配置模块(6)的信号输出端与图像传感器(5)连接，图像传感器(5)的信号输出端与图像读取、图像处理模块(11)连接，FPGA信号处理系统(7)配置并驱动图像传感器(5)进行图像采集；所述FPGA信号处理系统(7)用于对数字图像进行中值滤波、二值化处理后，驱动SDRAM进行图像缓存，然后进行编码识别得到二维绝对编码值经过译码处理获得当前二维绝对位置测量值。
二维绝对编码码道(2)由大小相同的反射或不反射光的码元构成，采用伪随机编码方式，二维编码矩阵的各行列初始值相同，且变换公式相同，都为同一编码下的m序列，同时为扩大量程，引进另外一组表示数值大小的序列，用以确定大范围的位置值。如此得到的绝对位移编码序列满足奇数(偶数)项是m序列，用以确定当前位置相对基准的偏移量；其偶数(奇数)项则表示数值大小的一组二进制数，用以确定当前位置所对应的基准值。
二维绝对编码码道(2)的任意行或列c1c2c3......c62c63c64......cn.......，按照公式bi＝d0ci^d1ci+1^d2ci+2^......^dhci+h(其中^表示位异或运算。d0＝1，d1,d2,.......,dh为0或者1且d1,d2,d3......dh-1有且仅有奇数个参数为1)变换得到的bi满足：(1)奇数项(偶数项)为m序列(若m序列为j阶，则它的循环长度为2j-1)；(2)偶数项(奇数项)为表示数值大小的一段序列(以2j-1为循环长度，后一段表示的数值大小比前一段大1)。
编码识别模块(10)的识别步骤是：第一步，需要计算每个编码单元在图像传感器面阵CMOS上成像所占用的像素w；第二步，确定第一个白条纹位置X1，计算“0”码的个数为(X1-1)/w，并将“0”码存储；第三步，确定下一个黑条纹位置Y，计算“1”码的个数为(Y-X1)/w，并将“1”码存储；第四步，确定下一个白条纹位置X2，计算“0”码的个数为(X2-Y)/w，并将“1”码存储，再将X2的值赋给X1；循环第三步与第四步直到达到要求的编码个数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，由于m序列的循环位数有限，能确定的位置值也是有限的，引进另外一组序列，用于表示数值大小，用以确定大范围的位置值，极大增大的系统的量程；由于采用m序列进行绝对位置的测量，使系统的量程可以随着m序列的阶数增加而得到扩展，改善了现有确定性编码系统中量程难以扩展的缺点；本发明结构简单，实时性强，可以快速实现解码输出二维绝对位置测量值。
附图说明
图1是二维绝对位移编码器的结构示意图。
图2是二维绝对位移编码器的二维编码图样。
图3是二维编码识别算法流程图。
图4是二维绝对位移编码器的流程图。
具体实施方式
参照附图1，二维绝对位移编码器，包括平行光源1、二维绝对编码码道2、成像透镜组3、孔径光阑4、图像传感器5以及FPGA信号处理系统7。所述二维绝对编码码道2由大小相同的反光或不反光的码元构成，其编码规则为伪随机码；所述平行光源1发出的平行光照射到二维绝对编码码道2发生反射，经成像透镜组3、孔径光阑4成像于图像传感器5上；所述图像传感器5用于采集包含当前绝对位置的编码图像并发送到FPGA信号处理系统7；所述FPGA信号处理系统7包括CMOS配置模块6、图像读取、图像处理模块11、编码识别模块10、位移译码模块9、VGA显示模块8。所述FPGA信号处理系统7用于对数字图像进行中值滤波、二值化处理后，驱动SDRAM进行图像缓存，然后进行编码识别得到二维绝对编码值经过译码处理获得当前二维绝对位置测量值。
参照附图2，对于二维绝对位移编码器的二维编码图样的产生步骤：选取阶数为4的m序列，选取序列初值为1111，所以组成的15位序列即为：{111101011001000}，即{b1b3…b15}＝{111101011001000}。取转换公式：由于m序列循环周期为2j-1，因此为扩大量程，需引入另外一组表示数值大小的序列，确定大范围的位置值，以适应实际的应用场合。因此再取{b2b4…b16}＝{000000000000000}，取编码初值为{a1a2a3}＝{111}，就可以产生33位二进制编码。而后，{b2b4…b16}的值依次加一，如此循环进行编码即可得到一行编码值。按照以上编码方式，先生成三行相同的编码；利用这三行编码的前三列值为列编码的初值，同样利用相同的转换公式和初值，生成前三列二进制编码；最后利用这三行与三列编码可以生成需要位数的二维绝对式编码行列表。
二维绝对式位移编码器的解码过程主要包括以下几个步骤：
1、截取长度k＝4*(2j-1)+h＝4*(24-1)+3＝63的横向编码为ai,jai,j+1ai,j+ 2......ai,j+62和纵向编码为ai,jai+1,jai+2,j......ai+62,j；
2、对数组ai,j按公式bn＝an^an+1^an+2^an+3变换，将bn的奇数项放入数组b1one，将其偶数项放入数组b1two；
3、判决通道，如果b1one为m序列，判断子序列{1111}在b1one中的位置，确定P1，同时b1two为表示大范围计数值，即P1，得到绝对位置编码i＝P1+P2*(2j-1)*2+1；如果b1two为m序列，判断子序列{1111}在b1two中的位置，确定P1，同时b1one为表示大范围计数值，即P1，得到绝对位置编码i＝P1+P2*(2j-1)*2；
4、将得到的绝对编码i转化为绝对位置P＝(40*i)um。
参照附图3，编码识别模块的识别步骤：第一步，需要计算每个编码单元在图像传感器面阵CMOS上成像所占用的像素w。第二步，确定第一个白条纹位置X1，计算“0”码的个数为(X1-1)/w，并将“0”码存储。第三步，确定下一个黑条纹位置Y，计算“1”码的个数为(Y-X1)/w，并将“1”码存储。第四步，确定下一个白条纹位置X2，计算“0”码的个数为(X2-Y)/w，并将“1”码存储，再将X2的值赋给X1。循环第三步与第四步直到达到要求的编码个数。
参照附图4，二维绝对位移编码器的细分采用灰度重心法。灰度重心法可以看成是以灰度为权值的加权形心法。灰度图像I(i,j)中目标S的灰度重心(x0,y0)为
其中W(i，j)为权值，取W(i，j)＝I(i,j)。
为了对某一条白条纹用灰度重心法进行精确定位。下面给出一种改进的权值选取方法，即阈值灰度重心法。首先选取合适的灰度阈值T，对目标灰度I(i,j)做如下操作：
其中T为选取的阈值。
然后将求得的相对灰度值W(i，j)作为权值代入灰度重心公式中，求得相应的灰度重心值，从而得到与测量标准的偏差。
参照附图4，二维绝对位移编码器的测量步骤为：
1、将平行光源发出的平行光照射到二维绝对编码码道发生反射，经成像透镜组、孔径光阑成像于图像传感器面阵CMOS上。
2、FPGA配置并驱动图像传感器面阵CMOS进行图像采集，经过中值滤波、二值化处理后送到SDRAM进行缓存。
3、信号处理模块对编码图像进行图像处理，得到二维绝对式编码，经过译码程序后得到当前二维绝对位置测量值。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.二维绝对位移编码器，其特征在于：包括平行光源(1)、二维绝对编码码道(2)、成像透镜组(3)、孔径光阑(4)、图像传感器(5)以及FPGA信号处理系统(7)；所述平行光源(1)发出的平行光照射到二维绝对编码码道(2)发生反射，经成像透镜组(3)、孔径光阑(4)成像于图像传感器(5)上；所述图像传感器(5)用于采集包含当前绝对位置的编码图像并发送到FPGA信号处理系统(7)；所述FPGA信号处理系统(7)包括CMOS配置模块(6)和依次连接的图像读取、图像处理模块(11)、编码识别模块(10)、位移译码模块(9)、VGA显示模块(8)，CMOS配置模块(6)的信号输出端与图像传感器(5)连接，图像传感器(5)的信号输出端与图像读取、图像处理模块(11)连接，FPGA信号处理系统(7)配置并驱动图像传感器(5)进行图像采集；所述FPGA信号处理系统(7)用于对数字图像进行中值滤波、二值化处理后，驱动SDRAM进行图像缓存，然后进行编码识别得到二维绝对编码值经过译码处理获得当前二维绝对位置测量值；
所述编码识别模块(10)的识别步骤为，第一步，需要计算每个编码单元在图像传感器面阵CMOS上成像所占用的像素w；第二步，确定第一个白条纹位置X1，计算0码的个数为(X1-1)/w，并将0码存储；第三步，确定下一个黑条纹位置Y，计算1码的个数为(Y-X1)/w，并将1码存储；第四步，确定下一个白条纹位置X2，计算0码的个数为(X2-Y)/w，并将1码存储，再将X2的值赋给X1；循环第三步与第四步直到达到要求的编码个数；
所述二维绝对编码码道(2)由大小相同的反射或不反射光的码元构成，采用伪随机编码方式，二维编码矩阵的各行列初始值相同，且变换公式相同，都为同一编码下的m序列，同时为扩大量程，引进另外一组表示数值大小的序列，用以确定大范围的位置值；如此得到的绝对位移编码序列满足奇数/偶数项是m序列，用以确定当前位置相对基准的偏移量；其偶数/奇数项则表示数值大小的一组二进制数，用以确定当前位置所对应的基准值；
所述二维绝对编码码道(2)的任意行或列c1c2c3......c62c63c64......cn......，按照公式bi＝d0ci^d1ci+1^d2ci+2^......^dhci+h，其中^表示位异或运算，d0＝1，d1,d2,.......,dh为0或者1且d1,d2,d3......dh-1有且仅有奇数个参数为1，变换得到的bi满足：(1)奇数项/偶数项为m序列，若m序列为j阶，则它的循环长度为2j-1；(2)偶数项/奇数项为表示数值大小的一段序列，以2j-1为循环长度，后一段表示的数值大小比前一段大1；该编码方式产生的最大编码长度为：因此利用阶数较低的m序列，就可以生成大距离的编码长度。
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