CN109724639B

CN109724639B - 一种圆光栅采集修正方法和装置

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Publication number: CN109724639B
Application number: CN201811631716.6A
Authority: CN
Inventors: 王宁; 葛兵; 蔡立华
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2038-12-29
Also published as: CN109724639A

Abstract

本发明公开了一种圆光栅采集修正方法和装置，圆光栅安装在正多面体上，该方法包括如下步骤：S1、判断所述圆光栅是否安装正确；S3、旋转所述正多面体，若正多面体面的个数为m，旋转一次调整角度值应为(360/m)度，记录度数误差为e_j；S5、重复步骤S3直至旋转一周，得到m个测量误差；S7、根据最小二乘法多项式曲线拟合的方式，得到误差修正方程；S9、通过圆光栅读数头获取的测量角度数据，根据步骤S7得到的误差修正方程计算误差量，对测量角度数据进行修正。本发明实施例的方法和装置，通过采用最小二乘法多项式曲线拟合的方式获得误差量，并根据误差量对测量角度数据进行修正，具有实现方法简单，修正精度高的优点。

Description

一种圆光栅采集修正方法和装置

技术领域

本发明涉及角度测量技术领域，特别是涉及一种圆光栅采集修正方法和装置。

背景技术

角度测量广泛应用于各个领域，尤其是在精密机械领域。传统的精密角度测量一般使用编码器、旋转变压器和圆光栅。其中，编码器测角精度高，但因盘片采用玻璃刻划，环境适应性较差，在振动严重时易碎；旋转变压器环境适应性好，但测角精度较低；而圆光栅是金属元件，环境适用性好，同时测量精度较高，但是需要精确安装，不然误差比较大。用圆光栅做成的编码器，能够确定坐标的角度位置，因此，圆光栅被用在光电经纬仪、雷达和高炮指挥仪上。随着靶场要求的精确度的提高，要求圆光栅测得的角度数据精度高，误差小。为了解决这一问题有两个途径：一、提高光栅盘的刻划以及轴系的加工、光配精度等。二、采用误差修正技术。

发明内容

为了解决现有技术存在圆光栅测量精度较低的技术问题，本发明实施例提供了一种圆光栅采集修正系统和方法，能够实现圆光栅测得的角度数据精度高。

第一方面提供一种圆光栅采集修正方法，所述圆光栅安装在正多面体上，其中，包括如下步骤：

S1、判断所述圆光栅是否安装正确；

S3、旋转所述正多面体，若正多面体面的个数为m，旋转一次调整角度值应为(360/m)度，记录度数误差为e_j；

S5、重复步骤S3直至旋转一周，得到m个度数误差；

S7、根据最小二乘法多项式曲线拟合的方式，得到误差修正方程；

S9、通过圆光栅读数头获取的测量角度数据，根据步骤S7得到的误差修正方程计算误差量，对测量角度数据进行修正。

结合第一方面的实现方式，步骤S7包括如下步骤：

根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型，其公式如下：

其中，δ为误差偏差平方和，e_j为度数误差，

为最小二乘法拟合的误差曲线方程，i为当前拟合段的序号，j为参与拟合的点序号；选择任意连续的六点度数误差，根据上述公式拟合最小二乘法曲线，得到对应多项式曲线方程，所述多项式曲线方程用于标定这六点中最中间两个点的度数误差，以此类推，计算所有m段误差修正方程。

结合第一方面的实现方式，所述步骤S1包括如下步骤：

S11、上机调试，判断指示灯是否正常；若是，进入步骤S12；

S12、用示波器测时序，判断圆光栅读数头是否有数据发出。

结合第一方面的实现方式，所述步骤S1还包括如下步骤：

S13、圆光栅读数头有数据发出时，采集正多面体旋转一周的圆光栅读数头发出的数据；

S14、以采集时间为横坐标、以相邻两测量角度数据差为纵坐标，将采集的一周数据绘制成曲线；

S15、判断曲线是否平滑；若平滑，表示圆光栅安装正确；反之，圆光栅安装不正确。

结合第一方面的实现方式，包括在绘制曲线前将过零点去掉的步骤。

结合第一方面的实现方式，所述步骤S1和S3之间包括步骤S2，步骤S2用于置零操作，具体包括如下步骤：

S21、拨码开关的第一位开关拨到输出原始值的位置，通过第三位开关和第四位开关的状态判断是否跟圆光栅安装状态相符；

S22、通过自准直仪确定零点后，将零点位置加入观察框，按下复位按键将当前的位置设置为零点。

第二方面提供一种圆光栅采集修正装置，所述圆光栅安装在正多面体上，其中，包括电源芯片和与所述电源芯片电连接的处理器，所述处理器与圆光栅的读数头连接用于获取读数头输出的测量角度数据；所述处理器还用于根据最小二乘法多项式曲线拟合的方式得到误差修正方程并根据所述误差修正方程计算误差量，最后运用误差量对所述测量角度数据进行修正。

结合第二方面的实现方式，所述处理器是TMS320F28335芯片，所述电源芯片是AMS1117芯片。

结合第二方面的实现方式，所述处理器获得误差修正方程过程如下：

根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型，其公式如下：

其中，δ为误差偏差平方和，e_j为度数误差，

为最小二乘法拟合的误差曲线方程，i为当前拟合段的序号，j为参与拟合的点序号；选择任意连续的六点度数误差，根据上述公式拟合最小二乘法曲线，得到对应多项式曲线方程，所述多项式曲线方程用于标定这六点中最中间两个点的度数误差，以此类推，计算所有m段误差方程。

结合第二方面的实现方式，还包括电路板和固定在所述电路板上的拨码开关，所述电源芯片和处理器设置在所述电路板上，所述拨码开关用于控制圆光栅采集修正装置输出测量角度数据还是修正角度数据。

本发明的有益效果是：本发明实施例的圆光栅采集修正方法和装置，通过采用最小二乘法多项式曲线拟合的方式获得误差量，并根据误差量对测量角度数据进行修正，具有实现方法简单，修正精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明实施例的圆光栅测量系统结构示意图。

图2为本发明实施例的圆光栅采集修正装置结构示意图。

图3为本发明实施例的圆光栅采集修正方法流程图。

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的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。

图1为本发明实施例的圆光栅测量系统结构示意图。图2为本发明实施例的圆光栅采集修正装置结构示意图。图3为本发明实施例的圆光栅采集修正方法流程图。

本发明实施例的圆光栅采集修正装置和方法适用于圆光栅测量系统。请参照图1，圆光栅测量系统一般包括转动装置(例如关节，图中未示出)、正多面体1、圆光栅2、读数头3、圆光栅采集修正装置4、自准直仪5和计算机6。计算机6是处理装置和显示装置或者处理装置的统称，主要是指该圆光栅采集修正装置4应用的设备的处理装置，不限于目前“计算机”的表现形式，其表现形式多样。该计算机6接收到修正角度数据信号后，可以控制高炮调整相应的角度，实现自动瞄准。该圆光栅采集修正装置4是具有处理器，能够接收读数头3给出的测量角度数据并对该测量角度数据进行误差修正，并输出修正角度数据。正多面体1安装转动装置上，可随转动装置转动，正多面体优选为金属材质制成。圆光栅2固定在正多面体1上，随正多面体1转动，也就是转动装置最终带动圆光栅转动。读数头3安装在圆光栅2的上方或者下方，用来读取圆光栅转过的角度，实现角度的测量。该自准直仪5放置在正多面体1的一侧，用来标定该圆光栅角度测量时的误差。

请参照图1和图2，本发明实施例的圆光栅采集修正装置4包括电路板46、位于电路板46上的指示灯47、位于电路板46上的拨码开关45、位于电路板46上的各个接口(包括串口43和/或并口44，例如可以有FPGA仿真器接口、DSP仿真器接口、电源及圆光栅读数头接口以及RS422接口等等；)、电源芯片41以及处理器42。该电路板46只是提供一种载体的功能，在其他实施例中，该电路板46可以省略，此时，该电路板46上的器件就固定安装在其他物体上。该指示灯47具有三个LED，分别为D2、D3及D4，用于进行相应的指示。该拨码开关45具有四位开关，第一位开关“1”表示发送原始值，“0”表示发送修正值；第三位和第四位：“00”表示1号方位；“01”表示1号俯仰；“10”表示2号方位；“11”表示2号俯仰。该读数头3包括码盘31、信号放大器32和A/D采样电路33。该A/D采样电路33产生的数字信号进入处理器42中进行运算处理，然后输出修正角度数据。各个接口中，该DSP仿真器接口支持在线仿真和烧写程序。该电源及圆光栅读数头接口为电路板46供电为电路板46上的各个器件提供电能以及根据圆光栅协议接收读数头3发送的数据。该圆光栅协议定义的角度数据帧格式请见表1。表1角度数据帧格式:

a)帧头：1个字节，正常情况下，第一个字节为帧头0x7e；

b)角度数据：3个字节，有效数据位共24位；

c)帧尾：1个字节，0xe7。

该RS422接口用来给控制系统或者其他控制器或者其他处理发送角度数据，控制系统或者其他控制器或者其他处理可以根据该角度数据产生相应的处理或者动作，一般该RS422接口发送修正角度数据。该并口44可以作为一种预留接口，以满足不同需求。该电源芯片41优选AMS公司(Austriamicrosystems，奥地利微电子公司)的AMS1117芯片，具体使用AMS1117-3.3芯片(正向低压降稳压器)，固定输出电压为3.3V，具有1％的精度。AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。该电源芯片41接收该电源及圆光栅读数头接口输入的电源，转换成3.3V电源供电路板46上各用电器件使用。该处理器42优选TI公司的TMS320F28335芯片。TMS320F28335芯片(DSP，Digital SignalProcessing)具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路得PWM输出，12位16通道ADC。下面圆光栅采集修正方法中的核心步骤被编程形成修正程序再通过该DSP仿真器接口写入到处理器42或者电路板上的存储器中，在进行修正时被处理器42调用。

图3为本发明实施例的圆光栅采集修正方法流程图。

请参照图3，本发明实施例的圆光栅修正方法如下：

S1、判断所述圆光栅是否安装正确。

本步骤是圆光栅角度测量的基础，要是没有安装正确，是不可能进行准确的角度测量，因此判断是否正确安装是比较重要的。本步骤具体包括如下步骤：

S11、上机调试，判断指示灯是否正常；若是，进入步骤S12；否则，提醒工作人员进行检修排查。

具体，本步骤主要看指示灯47(D2、D3、D4)的状态，请看下表：

在具有外时统时，看看D2至D3的状态是否与预设相同，相同则为正常，进入步骤S12；不同则表示不正常，需要通知工作人员进行检修排查。如果当没有外时统时，D2、D3不同时闪或者同时闪都为正常状态，其他为不正常状态。

S12、用示波器测时序，判断圆光栅读数头是否有数据发出，若是，进入步骤S13，若否，通知工作人员进行检修排查。例如，检测1000帧数据，看看读数头3是否有数据发出。若有数据发出，表示电路连接和软硬件配合达到基本工作状态，可以进行下一步检测或者判断。

S13、圆光栅2的读数头3有数据发出时，采集正多面体1旋转一周的圆光栅2的读数头3发出的数据。

具体，首先，将拨码开关45的第一位开关拨到“1”位，表示发送原始值；先运行程序(修正程序)再匀速缓慢转动正多面体或者先匀速缓慢转动正多面体再运行程序(修正程序)，转动一周；记录程序运行的时间(以秒为单位)和保存数据。下面描述人工保存数据的方法：依次点开File-Date-Save，选择类型为long，将文件选择存放在一个方便寻找的文件夹，点击保存后，弹出一个方框，地址处填写0x100000，下面时间填写(若是内时统时计数时间*50；若是外时统计数时间*1000)，左后点击OK即可。

S14、以采集时间为横坐标、以相邻两测量角度数据差(即差码)为纵坐标，将采集的一周数据绘制成曲线。

本步骤优选把过零点去掉，例如24位圆光栅的过零点为2^24＝16777216，以提高判断准确性。

S15、判断曲线是否平滑；若曲线平滑，没有跳点(跳点是指角度数据信号不连续，例如从1度直接跳到3度)，表示圆光栅安装正确；反正，圆光栅安装不正确，发出提示信息，提示工作人员重新正确安装该圆光栅2。

通过判断曲线是否平滑，可以快速得出圆光栅是否安装正确，提高了检测效率。现有技术中判断是否安装正确，效率低下，好时较长，往往需要借助更加精密设备或者工具。

在判断该圆光栅安装正确和进行圆光栅误差修正之前还包括步骤S2，用于对圆光栅采集修正装置4进行置零操作。具体该步骤S2包括：

S21、将拨码开关45的第一位开关拨到“1”即输出原始值，再根据后两位(即第三位开关和第四位开关)的状态判断跟圆光栅安装的状态是否相符？(即将拨码开关的第一位开关拨到输出原始值的位置，通过第三位开关和第四位开关的状态判断是否跟圆光栅安装状态相符？)若相符，进入步骤S22，反之，给出提示信息供工作人员参考。

S22、通过自准直仪5观察确定零点后，将零点位置加入观察框(即将修正程序中零点位置加入观察框)，按下复位按键将当前的位置设置为零点(此时可以多刷新几次)。完成置零操作后，进入步骤S3。

S3、旋转所述正多面体，若正多面体1面的个数为m，旋转一次调整角度值应为(360/m)度，以自准直仪5的度数为准，每旋转一次记录圆光栅显示的测量角度数据的度数误差为e_j；优选，将度数误差e_j填写到对应度数的数字区域。

S5、重复步骤S3直至旋转正多面体1一周，得到m个度数误差；为了查看静态误差，优选先运行程序(修正程序)再匀速缓慢转动正多面体(的方位/俯仰)；为了查看动态误差，优选先匀速缓慢转动正多面体(的方位/俯仰)再运行程序(修正程序)。这样本实施例的误差修正方法可以实现静态和动态误差的标定，能够大幅度的修正圆光栅的动、静态误差。

S7、根据最小二乘法多项式曲线拟合的方式，得到误差修正方程；根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型，其公式如下：

其中，δ为误差偏差平方和，e_j为度数误差，

为最小二乘法拟合的误差曲线方程，i为当前拟合段的序号，j为参与拟合的点序号；选择任意连续的六点度数误差，根据上述公式拟合最小二乘法曲线，得到对应多项式曲线方程，所述多项式曲线方程用于标定这六点中最中间两个点的度数误差，以此类推，计算所有m段误差修正方程。采用最小二乘法多项式曲线拟合的方式，实现简单，计算量少。

S9、通过圆光栅读数头获取的测量角度数据，根据步骤S7得到的误差修正公式计算误差量，对测量角度数据进行修正。

完成修正后将拨码开关45的第一位开关拨到“0”，用于输出修正角度数据。

以圆光栅显示的度数(修正角度数据)为准，记录自准直仪角度与该修正角度数据的差值x，最后计算精度，精度公式为

通过计算可以得到修正后精度要远远大于修正前的精度，因此，本发明实施例的圆光栅采集修正方法和装置，通过采用最小二乘法多项式曲线拟合的方式获得误差量，并根据误差量对测量角度数据进行修正，具有实现方法简单，修正精度高的优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种圆光栅采集修正方法，所述圆光栅安装在正多面体上，其特征在于，包括如下步骤：

S1、判断所述圆光栅是否安装正确；

S3、旋转所述正多面体，若正多面体面的个数为m，旋转一次调整角度值应为360/m度，记录度数误差为e_j；

S5、重复步骤S3直至旋转一周，得到m个度数误差；

S9、通过圆光栅读数头获取的测量角度数据，根据步骤S7得到的误差修正方程计算误差量，对测量角度数据进行修正；

所述步骤S1包括如下步骤：

S11、上机调试，判断指示灯是否正常；若是，进入步骤S12；

S12、用示波器测时序，判断圆光栅读数头是否有数据发出；

所述步骤S1还包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的圆光栅采集修正方法，其特征在于，步骤S7包括如下步骤：

根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型，其公式如下：

其中，δ为误差偏差平方和，e_j为度数误差，

3.根据权利要求1所述的圆光栅采集修正方法，其特征在于，包括在绘制曲线前将过零点去掉的步骤。

4.根据权利要求1所述的圆光栅采集修正方法，其特征在于，所述步骤S1和S3之间包括步骤S2，步骤S2用于置零操作，具体包括如下步骤：

5.一种采用如权利要求1所述圆光栅采集修正方法的圆光栅采集修正装置，所述圆光栅安装在正多面体上，其特征在于，包括电源芯片和与所述电源芯片电连接的处理器，所述处理器与圆光栅的读数头连接用于获取读数头输出的测量角度数据；所述处理器还用于根据最小二乘法多项式曲线拟合的方式得到误差修正方程并根据所述误差修正方程计算误差量，最后运用误差量对所述测量角度数据进行修正。

6.根据权利要求5所述的圆光栅采集修正装置，其特征在于，所述处理器是TMS320F28335芯片，所述电源芯片是AMS1117芯片。

7.根据权利要求5所述的圆光栅采集修正装置，其特征在于，所述处理器获得误差修正方程过程如下：

根据最小二乘法分段拟合误差曲线模型，其公式如下：

其中，δ为误差偏差平方和，e_j为度数误差，

8.根据权利要求5所述的圆光栅采集修正装置，其特征在于，还包括电路板和固定在所述电路板上的拨码开关，所述电源芯片和处理器设置在所述电路板上，所述拨码开关用于控制圆光栅采集修正装置输出测量角度数据以及修正角度数据。