CN109029189B

CN109029189B - 一种基于双轴编码器的二维空间定位方法

Info

Publication number: CN109029189B
Application number: CN201810603137.4A
Authority: CN
Inventors: 陈宏龙; 李丹; 陈智发; 谢晓宇
Original assignee: Shantou Ultrasonic Testing Technology Co ltd
Current assignee: Shantou Ultrasonic Testing Technology Co ltd
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: CN109029189A

Abstract

一种基于双轴编码器的二维空间定位方法，在确定编码器滚轮A和编码器滚轮B的初始位置及初始偏角的基础上，仅通过两个同时或分时移动的编码器滚轮A和编码器滚轮B反馈的脉冲信号及转动方向，计算出编码器滚轮A和编码器滚轮B的坐标偏移量，再分别与编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始坐标进行叠加，就获得分别将编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标，快速、实时、准确地计算出编码器滚轮A、编码器滚轮B二维空间位置，实现对机械装置任意移动的定位，当应用于超声无损检测时，使得超声换能器能够在被检测工件面做任意自由移动，无需进行复杂的规划路径和仪器设置，极大的提高了换能器移动的灵活性，提高了检测的效率。

Description

一种基于双轴编码器的二维空间定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种基于双轴编码器的二维空间定位方法。

背景技术

在工业超声无损检测领域，需要准确的定位超声换能器在被检测对象上的位置和移动轨迹，才能够将获得的超声图像与被检测对象进行一一对应，实现对缺陷的定位。现有技术中，采用手动或自动方法进行超声无损检测时，传统的方式是采用一个位置传感器与换能器固定在一起，通过获得超声换能器移动的直线距离进而对其定位，限制了超声探头移动的灵活性，降低了超声无损检测的灵活性和效率。

在上述手动或自动超声无损检测方法中，多使用编码器作为位置传感器，将其与超声换能器固定在一起实现对换能器的定位。将被检测工件放置在XY直角坐标系中，则需要获得换能器的坐标（X，Y）以实现对其定位。

一种方法是使用一个编码器，实现“单轴扫查”。这种方法只能获得换能器在一个坐标轴如X轴的位置，因此叫做“单轴扫查”。由于只能获得一个坐标轴的定位数据，因此换能器就只能沿一个坐标轴做直线运动，无法在整个检测面上实现探头的准确定位。

另一种方法是使用两个编码器，实现“双轴扫查”。这种方法现由于无法实时准确的同时处理X轴和Y轴的位置数据进行换能器定位，多采用换能器先沿一个坐标轴移动，待达到预定位置后，再沿另一个坐标轴移动，即换能器做几字型或者光栅型路线移动。

上述单轴扫查和双轴扫查均存在如下缺陷：

（1）使用不简便，均需要预先规划好换能器移动路径，换能器沿规划路径移动才能保证定位的准确性；

（2）换能器无法自由移动，导致在实际工作中容易出现检测不能全部覆盖工件或者重复检测的情况。

（3）实际操作、仪器设置等复杂，必须预先规划路径，为了避免不能全覆盖或者重复检测，在仪器上要做复杂的设置和计算，增加了操作的难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于双轴编码器的二维空间定位方法，这种基于双轴编码器的二维空间定位方法能够快速准确的计算出机械装置在二维空间的位置，实现对机械装置任意移动的定位。采用的技术方案如下：

一种基于双轴编码器的二维空间定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤（1）在机械装置的两侧以轴线K同轴设置编码器滚轮A和编码器滚轮B；

步骤（2）建立平面坐标系，分别记录编码器滚轮A和编码器滚轮B在初始位置的初始坐标，以及轴线K的初始偏角；

步骤（3）通过对编码器脉冲的计数，分别计算编码器滚轮A、编码器滚轮B的实际运动距离，根据编码器滚轮A和编码器滚轮B的正转或翻转判断编码器滚轮A和编码器滚轮B的实时运动方向；

步骤（4）通过初始偏角、编码器滚轮A及编码器滚轮B的实际运动距离，以及编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离，并根据圆弧公式和三角公式分别计算出实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角，以及编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量；

步骤（5）根据编码器滚轮A和编码器滚轮B的实时运动方向，分别将编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始坐标与相应的坐标偏移量叠加，得出编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标；同时，将实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角与初始偏角叠加，得出实时位置上轴线K的实时偏角；

步骤（6）将编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标分别设置为初始坐标，将实时偏角设置为初始偏角，并回到步骤（3）以计算下一个位置上编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标，以及实时位置上轴线K＇的实时偏角。

在确定编码器滚轮A和编码器滚轮B的初始位置及初始偏角的基础上，仅通过两个同时或分时移动的编码器滚轮A和编码器滚轮B反馈的脉冲信号及转动方向，计算出编码器滚轮A和编码器滚轮B的坐标偏移量，再分别与编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始坐标进行叠加，就获得分别将编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标，快速、实时、准确地计算出编码器滚轮A、编码器滚轮B二维空间位置，实现对机械装置任意移动的定位，当应用于超声无损检测时，使得超声换能器能够在被检测工件面做任意自由移动，无需进行复杂的规划路径和仪器设置，极大的提高了换能器移动的灵活性，提高了检测的效率。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4）具体包括如下步骤：

步骤（4）-1通过编码器滚轮A和编码器滚轮B的实际运动距离，以及编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离，并根据圆弧公式计算出编码器滚轮A和编码器滚轮B的运动半径，并计算出实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角；

步骤（4）-2根据三角公式，计算实时位置的编码器滚轮A与初始位置的编码器滚轮A之间的距离，计算实时位置的编码器滚轮B与初始位置的编码器滚轮B之间的距离；

步骤（4）-3根据初始偏角、夹角和运动半径分别计算编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量。

作为本发明进一步的优选方案，所述步骤（4）-1中，将编码器滚轮A的实际运动距离记为L1，将编码器滚轮B的实际运动距离记为L2，将编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离记为m，将编码器滚轮A的运动半径设为n，则编码器滚轮B的运动半径为n+m，将实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角记为θ，则根据圆弧公式可得θ=180*L1/（π*n）, θ=180*L2/（π*（n+m）），联立上述两式解得n=L1*m/（L2-L1）,将n代入上式解得θ=180*（L2-L1）/（π*m）；所述步骤（4）-2中，计算实时位置的编码器滚轮A与初始位置的编码器滚轮A之间的距离P1=|n*Sin（θ/2）|，计算实时位置的编码器滚轮B与初始位置的编码器滚轮B之间的距离P2=|（m+n）*Sin（θ/2）|；所述步骤（4）-3中，设初始偏角为θ0，计算编码器滚轮A的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x1|=|P1*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y1|=|P1*sin（（180-θ）/2-θ0）|, 计算编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x2|=|P2*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y2|=|P2*sin（（180-θ）/2-θ0）|。

上述编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离m、初始偏角θ0为已知，编码器滚轮A的实际运动距离L1、编码器滚轮B的实际运动距离L2根据编码器滚轮A、编码器滚轮B的脉冲计数获得。

一般情况下，将编码器滚轮A、编码器滚轮B沿逆时针方向运动设置为正向运动，将编码器滚轮A、编码器滚轮B沿顺时针方向运动设置为负向运动。在进行编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始坐标与坐标偏移量叠加时，因为坐标偏移量是以绝对值进行计算，因此，需根据编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始位置所在的象限以及轴线K的实时偏角，以及编码器滚轮A、编码器滚轮B的运动方向来确定坐标偏移量的增减。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

仅通过两个编码器滚轮反馈的脉冲信号及转动方向，就能够获得两个编码器滚轮的实时坐标，快速、实时、准确地计算出两个编码器滚轮的二维空间位置，实现对机械装置任意移动的定位，当应用于超声无损检测时，使得超声换能器能够在被检测工件面做任意自由移动，无需进行复杂的规划路径和仪器设置，极大的提高了换能器移动的灵活性，提高了检测的效率。

附图说明

图1是本发明优选实施方式的流程图；

图2是编码器滚轮A、编码器滚轮B的实际运动距离均不相同的示意图；

图3是编码器滚轮A、编码器滚轮B的实际运动距离相同的示意图；

图4是编码器滚轮A不动，编码器滚轮B运动的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

如图1所示，这种基于双轴编码器的二维空间定位方法，包括如下步骤：

步骤（2）建立平面坐标系，分别记录编码器滚轮A和编码器滚轮B在初始位置的初始坐标（xa0,ya0）、（xb0,yb0），以及轴线K的初始偏角θ0；

步骤（3）通过对编码器脉冲的计数，分别计算编码器滚轮A、编码器滚轮B的实际运动距离L1、L2,根据编码器滚轮A和编码器滚轮B的正转或翻转判断编码器滚轮A和编码器滚轮B的实时运动方向；

步骤（4）通过初始偏角、编码器滚轮A及编码器滚轮B的实际运动距离L1、L2，以及编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离m，并根据圆弧公式和三角公式分别计算出实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角θ，以及编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x1|、|⊿y1|、|⊿x2|、|⊿y2|；

如图2所示，步骤（4）的具体计算过程如下：

步骤（4）-1通过编码器滚轮A和编码器滚轮B的实际运动距离L1、L2，以及编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离m，将编码器滚轮A的运动半径设为n，则编码器滚轮B的运动半径为n+m，根据圆弧公式可得θ=180*L1/（π*n）, θ=180*L2/（π*（n+m）），通过上述两式解得编码器滚轮A的运动半径n=L1*m/（L2-L1）,将n代入上式解得实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角θ=180*（L2-L1）/（π*m）；

步骤（4）-2根据三角公式，计算实时位置的编码器滚轮A与初始位置的编码器滚轮A之间的距离P1=|n*Sin（θ/2）|，计算实时位置的编码器滚轮B与初始位置的编码器滚轮B之间的距离P2=|（m+n）*Sin（θ/2）|；

步骤（4）-3根据初始偏角θ0、夹角θ和运动半径n、（n+m），计算编码器滚轮A的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x1|=|P1*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y1|=|P1*sin（（180-θ）/2-θ0）|, 计算编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x2|=|P2*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y2|=|P2*sin（（180-θ）/2-θ0）|；

步骤（5）根据编码器滚轮A和编码器滚轮B的实时运动方向，分别将编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始坐标（xa0,ya0）、（xb0,yb0）与相应的坐标偏移量|⊿x1|、|⊿y1|、|⊿x2|、|⊿y2|叠加，得出编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标（xa,ya）、（xb,yb）；同时，将实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角θ与初始偏角θ0叠加，得出实时位置上轴线K＇的实时偏角θk；

将编码器滚轮A、编码器滚轮B沿逆时针方向运动设置为正向运动，将编码器滚轮A、编码器滚轮B沿顺时针方向运动设置为负向运动。在进行编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始坐标（xa0,ya0）、（xb0,yb0）与坐标偏移量|⊿x1|、|⊿y1|、|⊿x2|、|⊿y2|叠加时，因为坐标偏移量|⊿x1|、|⊿y1|、|⊿x2|、|⊿y2|是以绝对值进行计算，因此，需根据编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始位置（xa0,ya0）、（xb0,yb0）所在的象限以及轴线K的实时偏角θk，以及编码器滚轮A、编码器滚轮B的运动方向来确定坐标偏移量的增减；

例如：

根据及编码器滚轮A、编码器滚轮B的运动方向及实际运动距离的不同，运算分为两种情况：

（1）如图3所示，编码器滚轮A、编码器滚轮B的实际运动距离相同：

P1=P2，此时，L1=L2，编码器滚轮A、编码器滚轮B作平行直线运动；

解得编码器滚轮A的运动半径n=L1*m/（L2-L1）=0,将n代入上式解得实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角θ=180*（L2-L1）/（π*m）=0；

计算编码器滚轮A的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x1|=|P1*cos（（180-θ）/2-θ0）|=|P1*cos（90-θ0）|，|⊿y1|=|P1*sin（90-θ0）|, 计算编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x2|=|P2*cos（90-θ0）|，|⊿y2|=|P2*sin（90-θ0）；

以上列出的为实时位置的轴线K＇与原始坐标系的角度偏移大于0度小于90度时的情况。坐标偏移量|⊿x1|、|⊿y1|、|⊿x2|、|⊿y2|为正数还是负数则依赖于上一次保存的轴线K的初始偏角θ0与当前的运动方向。当保存的轴线K的初始偏角θ0为0-90 / 90-180 /180-270 / 270-360度范围内时算法及正负数值判断略有不同；

（2）如图2及图4所示，编码器滚轮A、编码器滚轮B的实际运动距离不相同：

如图4所示，以编码器滚轮A不动且编码器滚轮B做正向运动的特例进行计算，此时编码器滚轮A无位移，P1=0：

编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x2|=|P2*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y2|=|P2*sin（（180-θ）/2-θ0）|；

(a)0 <θ0<= 90 时，即是编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始位置（xa0,ya0）、（xb0,yb0）处于第一象限时，

（180-θ）/2-θ0> 0 时，编码器滚轮B的x坐标减少，y坐标增加；

（180-θ）/2-θ0 < 0 时，此时编码器滚轮B的x坐标减少，y坐标减少；

(b)90 <θ0<= 180时，即是编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始位置（xa0,ya0）、（xb0,yb0）处于第二象限时，

运算原理同上部分所述，此时判断条件如下：

当（180-θ）/2-θ0> 90 时编码器滚轮B的的x坐标增加，y坐标减少。

当（180-θ）/2-θ0〈 90 时，编码器滚轮B的的x坐标减少，y坐标减少。

(c)180 <θ0<= 270，即是编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始位置（xa0,ya0）、（xb0,yb0）处于第三象限时，

运算原理同上部分所述,此时判断条件如下：

当（180-θ）/2-θ0> 0 时，编码器滚轮B的的x坐标增加，y坐标增加。

当（180-θ）/2-θ0 〈 0 时，编码器滚轮B的的x坐标增加，y坐标减少。

(d)270 <θ0<= 360 ，即是编码器滚轮A、编码器滚轮B的初始位置（xa0,ya0）、（xb0,yb0）处于第四象限时，

运算原理同上部分所述,此时判断条件如下：

当（180-θ）/2-θ0 > 90 时，编码器滚轮B的的x坐标减少，y坐标增加。

当（180-θ）/2-θ0〈 90 时，编码器滚轮B的的x坐标增加，y坐标增加。

上面是仅有编码器滚轮B的位移，且运动方向为正向的情况。当运动方向为负向时，其判断流程相似。当仅有A点位移时算法也类似这里不累述。

其他运动情况分别为：P1 > 0 同时P2 > 0 ；P1 < 0 同时P2 < 0；P1 < 0 同时P2> 0；P1 > 0 同时P2 < 0，算法与上述类似。

步骤（6）将编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标（xa,ya）、（xb,yb）分别设置为初始坐标（xa0,ya0）、（xb0,yb0），将实时偏角θk设置为初始偏角θ0，并回到步骤（3）以计算下一个位置上编码器滚轮A、编码器滚轮B的实时坐标（xa,ya）、（xb,yb），以及实时位置上轴线K的实时偏角θk。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于双轴编码器的二维空间定位方法，其特征在于包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的二维空间定位的方法，其特征是：所述步骤（4）具体包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的二维空间定位的方法，其特征是：所述步骤（4）-1中，将编码器滚轮A的实际运动距离记为L1，将编码器滚轮B的实际运动距离记为L2，将编码器滚轮A与编码器滚轮B之间的距离记为m，将编码器滚轮A的运动半径设为n，则编码器滚轮B的运动半径为n+m，将实时位置的轴线K＇与初始位置的轴线K之间的夹角记为θ，则根据圆弧公式可得θ=180*L1/（π*n）, θ=180*L2/（π*（n+m）），通过上述两式解得n=L1*m/（L2-L1）,将n代入上式解得θ=180*（L2-L1）/（π*m）；所述步骤（4）-2中，计算实时位置的编码器滚轮A与初始位置的编码器滚轮A之间的距离P1=|n*Sin（θ/2）|，计算实时位置的编码器滚轮B与初始位置的编码器滚轮B之间的距离P2=|（m+n）*Sin（θ/2）|；所述步骤（4）-3中，设初始偏角为θ0，计算编码器滚轮A的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x1|=|P1*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y1|=|P1*sin（（180-θ）/2-θ0）|, 计算编码器滚轮B的实时位置相对于初始位置的坐标偏移量|⊿x2|=|P2*cos（（180-θ）/2-θ0）|，|⊿y2|=|P2*sin（（180-θ）/2-θ0）|。