CN110849406B - 编码器的测量校准方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编码器的测量校准方法，包括预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，偏差曲线函数为对编码器和标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；根据偏差曲线函数对各个测试数据进行校准。本申请中预先获得能够表征编码器的测量值和标准编码器的测量值之间的偏差变化趋势的偏差曲线函数，并基于这一偏差曲线函数对编码器的测量值进行校准，提高编码器精度校准的精度。本申请还提供了一种编码器的测量校准装置、设备以及计算机可读存储介质，具有上述有益效果。

Description

编码器的测量校准方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及编码器精度校准技术领域，特别是涉及一种编码器的测量校准方法、装置、设备以及计算机可读存储介质。

背景技术

编码器是将角度位移和直线位移转化成电信号，并将电信号进行模数转换，生成数字位置信息的测量设备。编码器的种类较多，根据测量原理的不同包括磁编码器、电编码器等，根据解码原理不同可以分为绝对型编码器和增量型编码器。

因为编码器的设计和制作过程中，均不可避免的会存在设计缺陷和制作误差，这就不可避免的导致编码器测得的位置信息相应地存在误差。因此，编码器在出厂前需要以标准编码器为基准进行精度校准。

目前对编码器的校准主要包括分段式校准和整体式校准两种方式，分段式存在校准精度差的问题，而整体式存在校准获得的拟合函数复杂增加编码器的运算量的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种编码器的测量校准方法、装置、设备以及计算机可读存储介质，有利于提高编码器校准的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种编码器的测量校准方法，包括：预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，所述偏差曲线函数为对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；

采集各个测试位置点的测试数据；

根据所述偏差曲线函数对各个所述测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据。

在一种可选的实施例中，对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点，包括：

按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段；

对各个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数；

在每个所述波形区段内的线性回归函数上个选取一个拟合点。

在一种可选的实施例中，所述将每个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数包括：

对各个所述波形区段内的偏差波形进行一阶线性回归运算，获得一阶线性回归函数。

在一种可选的实施例中，所述对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的偏差曲线函数的过程包括：

采用三次样条插值算法对各个所述拟合点进行曲线拟合，拟合获得经过各个所述拟合点所述偏差曲线函数。

在一种可选的实施例中，所述按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段包括：

将所述偏差波形划分为任意两个所述波形区段的宽度差值不大于预设差值的多个所述波形区段；

所述在各个所述波形区段内的线性回归函数上个选取一个拟合点包括：

在所述波形区段内中间区段部分选取所述拟合点，所述中间区段为所述波形区段中间三分一区段部分。

本申请还提供了一种编码器的测量校准装置，包括：

获取函数模块，用于预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，所述偏差曲线函数为对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；

数据采集模块，用于采集各个测试位置点的测试数据；

数据校准模块，用于根据所述偏差曲线函数对各个所述测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据。

在一种可选的实施例中，包括函数运算模块，用于按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段；对各个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数；在每个所述波形区段内的线性回归函数上个选取一个拟合点。

在一种可选的实施例中，所述函数运算模块具体用于对各个所述波形区段内的偏差波形进行一阶线性回归运算，获得一阶线性回归函数。

本申请还提供了一种编码器的测量校准设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述编码器的测量校准方法的步骤。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述编码器的测量校准方法的步骤。

本发明所提供的一种编码器的测量校准方法，包括预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，偏差曲线函数为对编码器和标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；采集各个测试位置点的测试数据；根据偏差曲线函数对各个测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据。

本申请中预先基于对编码器和标准编码器之间测量的偏差波形进行分析处理，获得能够表征编码器的测量值和标准编码器的测量值之间的偏差变化趋势的偏差曲线函数；且这一偏差曲线函数是偏差波形先经过线性回归处理后，再经过对线性回归函数上的拟合点进行拟合获得的曲线函数，避免了偏差波形中偏离较为严重的采样点，对后续的曲线拟合产生干扰，进而提高了后续进行曲线拟合获得的偏差曲线函数的精度，进而提高编码器精度校准的精度。

本申请还提供了一种编码器的测量校准装置、设备以及计算机可读存储介质，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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。

图1为本申请实施例提供的编码器的测量校准方法的流程示意图；

图2为待测编码器的偏差波形的示意图；

图3为本申请实施例提供的获得偏差曲线函数的过程的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的编码器的测量校准装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的编码器的测量校准方法的流程示意图，该测量校准方法可以包括：

步骤S11：预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数。

其中，偏差曲线函数为对编码器和标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数。

步骤S12：采集各个测试位置点的测试数据。

步骤S13：根据偏差曲线函数对各个测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据。

需要说明的是，获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数，是通过预先获得编码器各个位置点的测量值和准确值之间的偏差值随位置点变化的偏差波形，其中，该偏差波形是以编码器各个测量的位置数据为横坐标，该位置数据对应的偏差值为纵坐标的离散点所在的波形，该偏差波形拟合获得能够表征编码器测量偏差的变化趋势的偏差曲线函数。

具体地，可参考图2，图2为待测编码器的偏差波形的示意图。在图2中，是以旋转编码器的偏差波形为例进行说明，因此横坐标为位置角度值，而纵坐标是每个位置值对应的偏差值，其中位置角度值和偏差值形成的离散点即是落在两条实线曲线上。而需要拟合的偏差曲线函数为图中的虚线曲线的函数。

现有技术中对由离散点形成的波形进行拟合主要有两种方式：

一种是整体式拟合，可以采用傅里叶级数或者拉格朗日展开式等算法，将整个波形上的离散点当作一个整体进行拟合，使得拟合的曲线函数尽可能的经过偏差波形上的每个离散点；采用该方法获得的拟合函数尽管和各个离散点的拟合度高，但是也易出现过拟合的问题，尽管和当前的偏差波形具有较好的拟合，但却不能准确反应编码器整体偏差趋势；另外，该拟合方式获得的拟合函数相对复杂，若应用于编码器中，要通过编码器的MCU根据该拟合函数解算出更为精准的位置数据，会在一定程度上提高MCU的运算压力。

另一种是分段式拟合，先将波形划分为多个等分的波形区段，在每一个波形区段内选取一个离散点作为拟合点，采用插值法对各个拟合点进行拟合，获得经过各个拟合点的拟合曲线。这种拟合方式因为经过偏差波形上的离散点的数量大大减少，能够在一定程度上减小过拟合的问题，并且获得的拟合函数也相对更为简单。

而对于编码器的每一次采集数据获得偏差波形并非不是恒定的，且偏差波形上的离散点应当是在偏差曲线附近波动，该偏差曲线即为准确反应编码器偏差变化趋势的曲线。

由此可见，对于偏差曲线而言，其应当是趋近于偏差波形的波动中心的曲线，是更为准确的，而并非是经过偏差波形上离散点最多的曲线。但现有技术中对波形的拟合无论是整体式拟合还是分段式拟合获得的拟合曲线函数，均是经过离散点进行拟合的，基于该拟合曲线对编码器精度进行校准，明显会降低校准精度；并且若是某些离散点因为测量或者其他原因产生较大的偏差，以这些离散点为基准获得的拟合曲线函数的准确度会进一步的降低。

为了进一步说明本申请中的技术方案，下面将以具体实施例对本申请中获得偏差曲线函数的过程进行详细说明。

如图3所示，图3为本申请实施例提供的获得偏差曲线函数的过程的流程示意图，该过程可以包括：

步骤S21：采集获得待校准编码器的偏差波形。

其中，偏差波形为待校准编码器和标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的波形；

为了获得该偏差波形，可以将待校准编码器和标准编码器同时进行位置测量，当测量同一个位置点时，记录待校准编码器和标准编码器的读数，并以待校准编码器的读数为位置数据，待校准编码器和标准编码器的读数差值为偏差数据；按照类似原理，即可获得编码器一个周期内各个位置点对应的位置数据和偏差数据；再以待校准编码器测得的各个位置点对应的位置数据为横坐标，偏差数据为纵坐标，获得的多个离散点，各个离散点形成的波形即为偏差波形。

需要说明的是，对于旋转编码器而言，一般旋转一圈也即是一个周期，其测得的位置值的偏差应当是重复的，因此，在实际校准过程中，只要将编码器旋转一圈内的各个位置点进行校准即可。

但是对于直线型编码器而言，因为只有一个周期，因此需要测得整个量程内所有位置点的偏差数据。

步骤S22：将偏差波形按照位置点划分为若干个波形区段。

可选地，将偏差波形划分为任意两个波形区段的宽度差值不大于预设差值的多个波形区段。

现有技术中对波形采用分段式的拟合中，在对波形进行波形区段划分时，一般严格按照均分的方式进行划分。本实施例中对偏差波形区段划分的均匀性不存在要求。各个波形区段之间的宽度可以不完全相同，避免某些临界点难以取值的问题。但是为了运算方便，可以保证各个波形区段的宽度大致相同。

步骤S23：将每个波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个波形区段对应的线性回归函数。

需要说明的是，线性回归运算是利用数理统计中的回归分析运算，来确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。线性回归运算的原则是使得各个离散点尽可能的分布在线性回归曲线的两侧，也即是说并不必然要求各个离散点位于回归曲线上，从而排除了某些偏离严重的离散点对曲线拟合的影响，进而提高拟合曲线函数对编码器校准的精度，其中，该拟合曲线函数也即是上述的偏差曲线函数。

可选地，为了尽可能的简化运算过程降低拟合偏差曲线函数的复杂程度，可以对每个波形区段进行一阶线性回归运算，获得一阶线性函数。当然，本申请中也并不排除采用二阶线性回归运算获得二阶线性函数的技术方案。

步骤S24：在每个波形区段内的线性回归函数上个选取一个拟合点，并对拟合点进行曲线拟合，获得经过各个拟合点的偏差曲线函数。

可选地，对于获得每个波形区段内的线性回归函数上的拟合点具体可以包括：

在波形区段内中间区段部分选取拟合点，中间区段为波形区段中间三分一区段部分。

一般在每个波形区段内选取离散点时，多选取该区段在横坐标上的中心点对应的离散点。若该离散点是属于相对偏差波形的波动中心存在较大偏移的点，则会降低偏差曲线函数的精度。

本实施例中的拟合点时线性回归函数上的点，可以避免这一问题。但是尽可能的选取线性回归函数中心位置的点作为拟合点，有利于一高偏差曲线函数的校准精度。考虑到各个波形区段的中心点可能不便于取值，可以尽量选取各个波形区段的中心点附近的位置点对应的拟合点，例如位置数据为整数的点(如0度、5度、10度位置对应的拟合点等)。

总之，只要能够尽可能的保证拟合点拟合获得的偏差曲线函数的校准精度，并尽可能的降低运算难度即可。

在获得线性回归函数之后，以该线性回归函数上的点作为拟合点，进行曲线拟合，使得拟合的曲线经过各个拟合点。相对于现有技术中进行拟合时采用的往往是基于实际采集数据获得的离散点而言，本实施例中的拟合点相对于现有技术中的离散点更趋近于偏差波形的波动中心，以此作为拟合偏差曲线的基准，可进一步提高获得的拟合曲线函数的精度。

具体地，对各个拟合点进行曲线拟合的方法存在多种，最简单的一种即是将各个相邻的拟合点进行直线连接，各个直线的函数表达式即为偏差曲线函数，通过该方法获得的偏差曲线函数具有函数式简单，降低编码器的mcu运算难度的优点。

另外，还可以采用三次样条插值算法对各个拟合点进行拟合，相对于对拟合点直接连线获得偏差曲线函数而言，三次样条插值算法也同样具有函数式简单的优点，于此同时还更贴近于偏差波形的波动中心，也即是说三次样条插值算法获得的偏差曲线函数，作为编码器的校准曲线函数，具有更高的校准精度。

当然本申请中也可以采用其他的拟合算法对拟合点进行拟合，只要能够尽可能的减小偏差曲线函数的复杂度，并尽可能的提高偏差曲线函数对编码器的校准精度即可。

本申请中预先基于对编码器和标准编码器之间测量的偏差波形进行分析处理，获得能够表征编码器的测量值和标准编码器的测量值之间的偏差变化趋势的偏差曲线函数；且这一偏差曲线函数是偏差波形先经过线性回归处理后，再经过对线性回归函数上的拟合点进行拟合获得的曲线函数，通过采用线性回归算法先对偏差波形的各个波形区段进行线性回归运算，获得的线性回归函数在很大程度上排除了采集数据时，并基于该线性回归函数上的点作为拟合点，拟合获得偏差曲线函数，使得获得的偏差曲线函数更趋近于偏差波形的波动中心，还避免了偏差波形上的离散点存在不正常的波动偏离造成拟合函数准确的问题，有利于提高采用该偏差曲线函数进行编码器的校准时的校准精度。

下面对本发明实施例提供的编码器的测量校准装置进行介绍，下文描述的编码器的测量校准装置与上文描述的编码器的测量校准方法可相互对应参照。

图4为本发明实施例提供的编码器的测量校准装置的结构框图，参照图4中编码器的测量校准装置可以包括：

获取函数模块100，用于预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，所述偏差曲线函数为对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；

数据采集模块200，用于采集各个测试位置点的测试数据；

数据校准模块300，用于根据所述偏差曲线函数对各个所述测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据。

可选地，在本申请的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

函数运算模块，用于按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段；对各个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数；在每个所述波形区段内的线性回归函数上个选取一个拟合点。

可选地，在本申请的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

所述函数运算模块用于对各个所述波形区段内的偏差波形进行一阶线性回归运算，获得一阶线性回归函数。

可选地，在本申请的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

所述函数运算模块用于采用三次样条插值算法对各个所述拟合点进行曲线拟合，拟合获得所述偏差曲线函数。

可选地，在本申请的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

所述函数运算模块具体用于将所述偏差波形划分为任意两个所述波形区段的宽度差值不大于预设差值的多个所述波形区段；且在所述波形区段内中间区段部分选取所述拟合点，所述中间区段为所述波形区段中间三分一区段部分。

本实施例的编码器的测量校准装置用于实现前述的编码器的测量校准方法，因此编码器的测量校准装置中的具体实施方式可见前文中的编码器的测量校准方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本申请还提供了一种编码器的测量校准设备的实施例，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如下所述编码器的测量校准方法的步骤：

预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，所述偏差曲线函数为对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；

采集各个测试位置点的测试数据；

根据所述偏差曲线函数对各个所述测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据。

本实施例中的处理器执行存储器中存储的计算机程序，采用预先获得的偏差曲线函数对测得的测量数据进行校准，简单方便易于实现，且偏差曲线函数是通过对偏差波形的每个波形区段进行线性回归运算后，基于线性回归函数获得拟合点，再根据该拟合点进行曲线拟合获得的偏差曲线函数，使得该偏差曲线函数用于编码器的校准时，能够在一定程度上提高编码器的校准精度，进而提高编码器的测量精度。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述编码器的测量校准方法的步骤。

具体地，该计算机可读存储介质可以是随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims (7)

1.一种编码器的测量校准方法，其特征在于，包括：

预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，所述偏差曲线函数为对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；

采集各个测试位置点的测试数据；

根据所述偏差曲线函数对各个所述测试数据进行校准，获得各个所述测试位置点对应的校准后的测试数据；

对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点，包括：

按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段；

对各个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数；

在每个所述波形区段内的线性回归函数上各选取一个拟合点；

所述按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段包括：

将所述偏差波形划分为任意两个所述波形区段的宽度差值不大于预设差值的多个所述波形区段；

所述在每个所述波形区段内的线性回归函数上各选取一个拟合点包括：

在所述波形区段内中间区段部分选取所述拟合点，所述中间区段为所述波形区段中间三分一区段部分。

2.如权利要求1所述的编码器的测量校准方法，其特征在于，所述对各个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数包括：

对各个所述波形区段内的偏差波形进行一阶线性回归运算，获得一阶线性回归函数。

3.如权利要求1所述的编码器的测量校准方法，其特征在于，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的偏差曲线函数的过程包括：

采用三次样条插值算法对各个所述拟合点进行曲线拟合，拟合获得经过各个所述拟合点所述偏差曲线函数。

4.一种编码器的测量校准装置，其特征在于，包括：

获取函数模块，用于预先获得编码器相对于标准编码器的偏差曲线函数；其中，所述偏差曲线函数为对所述编码器和所述标准编码器的测量偏差值在一个测量周期内随位置点变化的偏差波形，进行线性回归处理获得线性回归曲线上的多个拟合点后，对各个所述拟合点进行曲线拟合获得的曲线函数；

数据采集模块，用于采集各个测试位置点的测试数据；

数据校准模块，用于根据所述偏差曲线函数对各个所述测试数据进行校准，获得各个测试位置点对应的校准后的测试数据；

包括函数运算模块，用于按照位置点将所述偏差波形划分为若干个波形区段；对各个所述波形区段内的偏差波形进行线性回归运算，获得各个所述波形区段对应的线性回归函数；在每个所述波形区段内的线性回归函数上各选取一个拟合点；

所述函数运算模块具体用于将所述偏差波形划分为任意两个所述波形区段的宽度差值不大于预设差值的多个所述波形区段；在所述波形区段内中间区段部分选取所述拟合点，所述中间区段为所述波形区段中间三分一区段部分。

5.如权利要求4所述的编码器的测量校准装置，其特征在于，所述函数运算模块具体用于对各个所述波形区段内的偏差波形进行一阶线性回归运算，获得一阶线性回归函数。

6.一种编码器的测量校准设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述编码器的测量校准方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述编码器的测量校准方法的步骤。

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