CN107941196A - 一种单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法。该方法采用脉冲交点法，只需刻划脉冲左右边沿各2个采样点就可以快速估计出脉冲的宽度和脉冲中心坐标位置，对脉冲中心再采用最小二乘直线拟合的方法可快速准确地估计出细分值；采用二值化的办法可以快速定位粗码位置；采用对2个读数头处理结果加权平均进行融合的方法可以有效消除系统偏心误差。本发明能够在一种信号处理算法里实现粗码定位和细分估计，且运算量小，有利于降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子经纬仪精确测角信号处理方法，也涉及一种单圈绝对编码器测角信号处理方法。
背景技术
目前电子经纬仪(单圈绝对编码)的测角主要部件由转动轴系、光源、单圈绝对编码度盘、线阵CCD读头和信号处理电子电路以及解码软件等构成，如图1所示。具体测量过程和方法是，随着轴系的转动，光源发射的入射光透射过编码度盘并将含有角度信息的编码明暗光斑条纹照射到线阵CCD感光面上，再由信号处理电路板发送CCD时序信号以驱动CCD工作，同时采集投射到CCD感光面上的码盘明暗条纹信息并通过运行在信号处理电路板上的解码软件处理最终输出测角信息。
已知公开的测角处理方法存在的问题有：第一，定位粗码位置和细分估计有各自独立的算法，没有做到两者在同一个处理中的统一；第二，已知算法复杂度偏大(如重心法，需要用到一个刻划脉冲里的所有采样点以求取脉冲重心位置，这个过程包含了很多需要额外处理的冗余信息)，由于需要处理很多采样输入点，这些算法对处理器的处理能力有一定的要求，不利于降低成本。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，能够在一种信号处理算法里实现粗码定位和细分估计，且运算量小，有利于降低成本。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，包括以下步骤：
(1)在编码盘过圆心的径向对称位置设置2个CCD读头，采样2个CCD读头读入的编码盘明暗条纹数据；
(2)分别对2组数据进行处理，提取每组数据的粗码结果和细分估计，再将粗码结果与细分估计相加，得到一个CCD读头的角度输出；
(3)将2个CCD读头的角度输出进行融合，得到电子经纬仪的一次测量输出。
进一步地，步骤(2)的具体过程如下：
(201)对某一个CCD读头读入的像元数据x(n)作加窗滤波处理，得到滤波后的数据y(n)，去除噪声污染，其中，y(n)＝x(n)*h(n)，h(n)为窗函数系数，n表示第n个刻划脉冲；
(202)在该CCD读头的中心位置附近设置一条固定的检测线xc，以该检测线位置为参考原点建立直角坐标系，其中，坐标系的横轴为像素索引号与xc的差值，纵轴为滤波后的像元数据y(n)；
(203)找出{y(n)}中的最大值，记为vMax，将vMax乘以常数k得到一条固定阈值线vTop＝k×vMax；
(204)找出第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop附近的4个采样点，分别记为：左下点A1，左上点A2，右上点A3，右下点A4；其中，左下点A1和右下点A4为第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop下方的2个采样点，左上点A2和右上点A3为第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop上方的2个采样点，A1与A2所确定的直线与vTop线的交点，记为B，A3与A4所确定的直线与vTop线的交点，记为C，分别求解B、C的横坐标xnL和xnR；
(205)计算第n个刻划脉冲的脉宽D(n)＝|xnR-xnL|，由于编码盘有两种不同宽度的刻划分别表示数字量“0”和“1”，因此对D(n)作二值化判决处理，得到脉冲编码；
(206)以检测线xc为中心，选取检测线右侧最与之靠近的N个刻划脉冲，由这N个脉冲编码组成粗码，将此粗码在粗码表中进行搜索以获取该粗码在码表中的位置m，得到粗测结果Ph0＝360°×m/M，其中，N大于编码盘编码位宽，M为码盘刻线数；
(207)对第n个刻划脉冲的xnL和xnR求两者平均，估计出该刻划中心E(n)＝(xnL+xnR)/2；假设在CCD读头视野范围内一共观测了ktotall个刻划，以检测线xc为中心往两侧共选取p个刻划脉冲组成待处理刻划组，所选择的刻划组里第一个刻划编号为kstart，最后一个刻划编号为kstart+p-1，1≤kstart＜kstart+p-1≤ktotall；将该刻划组里的刻划编号设为横坐标，刻划中心设为纵坐标，组成p个坐标点集合：{(x1,y1),(x2,y2),...,(xp,yp)}，再将此坐标点集合数据做最小二乘直线拟合，得到拟合直线y＝ax+b，其中，xi为第i个刻划编号，yi为第i个刻划中心，i＝1,2,...,p，a为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；则细分估计为Ph1＝-(360°/M)×(Pos/a)，其中，Pos＝a×L+b，L为检测线xc左边最靠近检测线的第1个刻划脉冲编号；
(208)计算该CCD读头的角度输出Degree＝Ph0+Ph1。
进一步地，在步骤(203)中，常数k∈(0,1)。
进一步地，在步骤(204)中，B、C的横坐标xnL和xnR的计算公式如下：
xnL＝(vTop-y1)(x2-x1)/(y2-y1)+x1
xnR＝(vTop-y3)(x4-x3)/(y4-y3)+x3
上式中，x1为点A1对应的像素位置，y1为A1对应的像素值；x2为点A2对应的像素位置，y2为A2对应的像素值；x3为点A3对应的像素位置，y3为A3对应的像素值；x4为点A4对应的像素位置，y4为A4对应的像素值。
进一步地，在步骤(205)中，通过设置二值化阈值T对D(n)作二值化判决处理，得到编码脉冲：
IF D(n)>T 判为“1”
ELSE 判为“0”。
进一步地，在步骤(207)中，拟合直线的斜率a和截距b的计算公式如下：
进一步地，步骤(3)的具体过程如下：
设2个CCD读头的输出角度分别为d1和d2，则融合后的测量结果d为：
IF d1<d2，d＝(d1+d2)/2
ELSE，d＝(d1+d2+360)/2
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明较传统方法有以下优点：一、在一种信号处理算法里实现了粗码定位和细分估计：粗码定位和细分估计可以同时进行，也可以先做细分再提取粗码；二、信号处理的运算量小，且精度较高：粗码定位和细分只用到每个刻划脉冲左右边沿各2个采样点，而不需要额外的采样点，大幅降低了运算量，以非常小的运算量为代价获取较高测量精度，非常适合在低成本硬件模块上运行，从而降低生产成本；另外传统的细分方法通常依据检测线两侧对称地选择若干对称脉冲中心采用加权平均的方法得到，本发明对检测线两侧若干个刻划中心坐标采用最小二乘直线拟合的方法来估计细分值，而最小二乘法具有最小误差的优点。
附图说明
图1是现有单圈绝对编码式电子经纬仪的结构示意图；
图2是本发明的基本流程图；
图3是本发明中步骤204的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
一种单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，如图2所示。
步骤1：在编码盘过圆心的径向对称位置设置2个CCD读头，采样2个CCD读头读入的编码盘明暗条纹数据。
步骤2：分别对2组数据进行处理，提取每组数据的粗码结果和细分估计，再将粗码结果与细分估计相加，得到一个CCD读头的角度输出。具体过程如下：
201：对某一个CCD读头读入的像元数据x(n)作加窗滤波处理，得到滤波后的数据y(n)，去除噪声污染，其中，y(n)＝x(n)*h(n)，h(n)为窗函数系数，n表示第n个刻划脉冲；
202：在该CCD读头的中心位置附近设置一条固定的检测线xc，以该检测线位置为参考原点建立直角坐标系，其中，坐标系的横轴为像素索引号与xc的差值，纵轴为滤波后的像元数据y(n)；
203：找出{y(n)}中的最大值，记为vMax，将vMax乘以常数k得到一条固定阈值线vTop＝k×vMax，通常取k∈(0,1)；
204：如图3所示，找出第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop附近的4个采样点，分别记为：左下点A1，该点对应的像素位置为x1，像素值为y1；左上点A2，该点对应的像素位置为x2，像素值为y2；右上点A3，该点对应的像素位置为x3，像素值为y3；右下点A4，该点对应的像素位置为x4，像素值为y4；其中，左下点A1和右下点A4为第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop下方的2个采样点，左上点A2和右上点A3为第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop上方的2个采样点，A1与A2所确定的直线与vTop线的交点，记为B，A3与A4所确定的直线与vTop线的交点，记为C，分别求解B、C的横坐标xnL和xnR：
xnL＝(vTop-y1)(x2-x1)/(y2-y1)+x1
xnR＝(vTop-y3)(x4-x3)/(y4-y3)+x3
205：计算第n个刻划脉冲的脉宽D(n)＝|xnR-xnL|，由于编码盘有两种不同宽度的刻划分别表示数字量“0”和“1”，因此对D(n)作二值化判决处理，得到脉冲编码：
IF D(n)>T 判为“1”
ELSE 判为“0”
206：以检测线xc为中心，选取检测线右侧最与之靠近的N个刻划脉冲，由这N个脉冲编码组成粗码，将此粗码在粗码表中进行搜索以获取该粗码在码表中的位置m，得到粗测结果Ph0＝360°×m/M，其中，N大于编码盘编码位宽，M为码盘刻线数；
207：对第n个刻划脉冲的xnL和xnR求两者平均，估计出该刻划中心E(n)＝(xnL+xnR)/2；假设在CCD读头视野范围内一共观测了ktotall个刻划，以检测线xc为中心往两侧共选取p个刻划脉冲组成待处理刻划组，所选择的刻划组里第一个刻划编号为kstart，最后一个刻划编号为kstart+p-1，1≤kstart＜kstart+p-1≤ktotall；将该刻划组里的刻划编号设为横坐标，刻划中心设为纵坐标，组成p个坐标点集合：{(x1,y1),(x2,y2),...,(xp,yp)}，再将此坐标点集合数据做最小二乘直线拟合，得到拟合直线y＝ax+b，其中，xi为第i个刻划编号，yi为第i个刻划中心，i＝1,2,...,p，a为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距：
则细分估计为Ph1＝-(360°/M)×(Pos/a)，其中，Pos＝a×L+b，L为检测线xc左边最靠近检测线的第1个刻划脉冲编号；
208：计算该CCD读头的角度输出：
Degree＝Ph0+Ph1＝(m-Pos/a)×360°/M。
步骤3：将2个CCD读头的角度输出进行融合，得到电子经纬仪的一次测量输出。设2个CCD读头的输出角度分别为d1和d2，则融合后的测量结果d为：
IF d1<d2，d＝(d1+d2)/2
ELSE，d＝(d1+d2+360)/2
本发明采用脉冲交点法，只需刻划脉冲左右边沿各2个采样点就可以快速估计出脉冲的宽度和脉冲中心坐标位置，对脉冲中心再采用最小二乘直线拟合的方法可快速准确地估计出细分值；采用二值化的办法可以快速定位粗码位置；采用对2个读数头处理结果加权平均进行融合的方法可以有效消除系统偏心误差。
本发明实现简单，只需极少计算量就可以获得很高的测量精度，非常适合在贫资源处理器系统上运行，更少的计算量意味着可以用更便宜的处理器实现从而降低生产成本。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在编码盘过圆心的径向对称位置设置2个CCD读头，采样2个CCD读头读入的编码盘明暗条纹数据；
(2)分别对2组数据进行处理，提取每组数据的粗码结果和细分估计，再将粗码结果与细分估计相加，得到一个CCD读头的角度输出；
(3)将2个CCD读头的角度输出进行融合，得到电子经纬仪的一次测量输出。
2.根据权利要求1所述单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程如下：
(201)对某一个CCD读头读入的像元数据x(n)作加窗滤波处理，得到滤波后的数据y(n)，去除噪声污染，其中，y(n)＝x(n)*h(n)，h(n)为窗函数系数，n表示第n个刻划脉冲；
(202)在该CCD读头的中心位置附近设置一条固定的检测线xc，以该检测线位置为参考原点建立直角坐标系，其中，坐标系的横轴为像素索引号与xc的差值，纵轴为滤波后的像元数据y(n)；
(203)找出{y(n)}中的最大值，记为vMax，将vMax乘以常数k得到一条固定阈值线vTop＝k×vMax；
(204)找出第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop附近的4个采样点，分别记为：左下点A1，左上点A2，右上点A3，右下点A4；其中，左下点A1和右下点A4为第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop下方的2个采样点，左上点A2和右上点A3为第n个刻划脉冲左右边沿在阈值线vTop上方的2个采样点，A1与A2所确定的直线与vTop线的交点，记为B，A3与A4所确定的直线与vTop线的交点，记为C，分别求解B、C的横坐标xnL和xnR；
(205)计算第n个刻划脉冲的脉宽D(n)＝|xnR-xnL|，由于编码盘有两种不同宽度的刻划分别表示数字量“0”和“1”，因此对D(n)作二值化判决处理，得到脉冲编码；
(206)以检测线xc为中心，选取检测线右侧最与之靠近的N个刻划脉冲，由这N个脉冲编码组成粗码，将此粗码在粗码表中进行搜索以获取该粗码在码表中的位置m，得到粗测结果Ph0＝360°×m/M，其中，N大于编码盘编码位宽，M为码盘刻线数；
(207)对第n个刻划脉冲的xnL和xnR求两者平均，估计出该刻划中心E(n)＝(xnL+xnR)/2；假设在CCD读头视野范围内一共观测了ktotall个刻划，以检测线xc为中心往两侧共选取p个刻划脉冲组成待处理刻划组，所选择的刻划组里第一个刻划编号为kstart，最后一个刻划编号为kstart+p-1，1≤kstart＜kstart+p-1≤ktotall；将该刻划组里的刻划编号设为横坐标，刻划中心设为纵坐标，组成p个坐标点集合：{(x1,y1),(x2,y2),...,(xp,yp)}，再将此坐标点集合数据做最小二乘直线拟合，得到拟合直线y＝ax+b，其中，xi为第i个刻划编号，yi为第i个刻划中心，i＝1,2,...,p，a为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；则细分估计为Ph1＝-(360°/M)×(Pos/a)，其中，Pos＝a×L+b，L为检测线xc左边最靠近检测线的第1个刻划脉冲编号；
(208)计算该CCD读头的角度输出Degree＝Ph0+Ph1。
3.根据权利要求2所述单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于：在步骤(203)中，常数k∈(0,1)。
4.根据权利要求2所述单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于：在步骤(204)中，B、C的横坐标xnL和xnR的计算公式如下：
xnL＝(vTop-y1)(x2-x1)/(y2-y1)+x1
xnR＝(vTop-y3)(x4-x3)/(y4-y3)+x3
上式中，x1为点A1对应的像素位置，y1为A1对应的像素值；x2为点A2对应的像素位置，y2为A2对应的像素值；x3为点A3对应的像素位置，y3为A3对应的像素值；x4为点A4对应的像素位置，y4为A4对应的像素值。
5.根据权利要求2所述单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于：在步骤(205)中，通过设置二值化阈值T对D(n)作二值化判决处理，得到编码脉冲：
IF D(n)>T 判为“1”
ELSE 判为“0”。
6.根据权利要求2所述单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于：在步骤(207)中，拟合直线的斜率a和截距b的计算公式如下：
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7.根据权利要求1所述单圈绝对编码式电子经纬仪的测角信号处理方法，其特征在于：步骤(3)的具体过程如下：
设2个CCD读头的输出角度分别为d1和d2，则融合后的测量结果d为：
IF d1<d2，d＝(d1+d2)/2
ELSE，d＝(d1+d2+360)/2。
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2017
- 2017-10-20 CN CN201710981533.6A patent/CN107941196B/zh active Active
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