CN111860731B - 一种磁性编码尺及编码尺的二进制编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁性编码尺及编码尺的二进制编码方法，涉及编码尺编码技术领域；所述磁性编码尺按照二进制编码，所述磁性编码尺包括N+1个按等间隔S1依次设置的标识磁性元件，其中N表示二进制编码的位数；在相邻的两个所述标识磁性元件之间设置至少一个编码磁性元件以表示二进制编码中为“1”的字符；在相邻的两个所述标识磁性元件之间不设置编码磁性元件以表示二进制编码中为“0”的字符。本发明的磁性编码尺设计新颖简单，本发明的编码尺的应用时，不受恶劣的工业环境影响(比如物体、灰尘、水雾)，可靠性高。

Description

一种磁性编码尺及编码尺的二进制编码方法
技术领域
本发明涉及编码尺编码技术领域，特别是涉及一种磁性编码尺及编码尺的二进制编码方法。
背景技术
在工业环境中，测量直线运行的重载设备(如：行车；行车是人们对吊车、航车、天车等起重机的俗称)的当前位置检测技术中，通常使用如下几种：
(1)在电机转轴上增加一个角度磁编码器，通过电机上的滚轮来带动角度编码器转轴上的胶轮转动，由人为校准和设置起始点，通过检测编码器的胶轮的转动角度和圈数来换算出当前位置，但当行车打滑时或者其他情况会出现测量误差；当行车距离较长时，长距离累计误差等均会造成测量结果误差较大，较大的测量误差会让行车位置测量的不准确。若运行过程中停电，则会丢失当前位置，往往需要人为校准方能继续使用。
(2)在行车前后添加单点激光雷达，通过检测与参考点的距离来换算出行车当前位置，受激光雷达原理、功率限制，其检测距离较短，一般是小于100米；但工业环境通常比较恶劣，容易受物体、灰尘、水雾等遮挡，被遮挡后则无法使用导致而检测失败，为了能够常的使用则需要定期维护，费时费力。
(3)授权公告号为CN206944927U的中国实用新型专利公开了一种基于固定轨道运行的移动设备的位置检测装置，其采用在轨道上设置二进制条形编码带，由包含ARM控制器、可调焦凸镜和线阵CCD、红外辅助照明光源组成的位置解码单元，读取二进制条形编码来获取行车的当前行车位置的技术方案；但当二进制条形编码受物体、灰尘、水雾等遮挡时，位置解码单元则无法读取二进制条形编码带的编码而无法获取设备的位置，另外该种方式的位置检测精度较低。
发明内容
本发明的第一目的旨在提供一种磁性编码尺，根据磁性元件的排列对编码尺进行二进制编码，提供了一种比较新颖的编码方式的编码尺；本发明的第一目的采用以下技术方案实现：
一种磁性编码尺，其特征在于，所述磁性编码尺按照二进制编码，所述磁性编码尺包括N+1个按等间隔S1依次设置的标识磁性元件，其中N表示二进制编码的位数；在相邻的两个所述标识磁性元件之间设置至少一个编码磁性元件以表示二进制编码中为“1”的字符；在相邻的两个所述标识磁性元件之间不设置编码磁性元件以表示二进制编码中为“0”的字符。
具体地，所述标识磁性元件和/或所述编码磁性元件为磁铁和/或磁石。
本发明的第二目的在提供一种编码尺的二进制编码方法，本发明的第二目的采用以下技术方案实现：
一种编码尺的二进制编码方法，其特征在于，包括根据二进制编码的编码位数N按等间隔S1依次设置N+1标识磁性元件；在相邻的两个所述标识磁性元件之间设置至少一个编码磁性元件以表示二进制编码中为“1”的字符；在相邻的两个所述标识磁性元件之间不设置编码磁性元件以表示二进制编码中为“0”的字符。
本发明的有益技术效果：
本发明的磁性编码尺设计新颖简单，给出了一种全新的编码尺的二进制编码方法，本发明的编码尺的应用时，不受恶劣的工业环境影响(比如物体、灰尘、水雾)，可靠性高。
应用该磁性编码尺的设备位置检测装置不受恶劣的工业环境影响(比如物体、灰尘、水雾)，能够较容易的得到行车当前的位置；并且其位置检验精度高，能够实现0.1mm分辨率的高精度定位；并且行车在运行过程中断电，再通电亦能够得到当前位置的准确数据，当前位置的数据不会因为断电而丢失；并且免去了许多维护工作，明显降低了设备维护成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的设备位置检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的编码尺的磁铁的排列及其对应的二进制编码；
图3是本发明实施例提供编码阅读器的部分结构示意图；
图4是本发明实施例提供编码阅读器采集的磁感应强度曲线；
图5是编码尺的磁感应强度与磁铁分布对应关系的曲线图；
图6是图4以及图5的局部放大图(A部分)。
具体实施方式
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，以下结合实施例对本发明作进一步说明，具体实施例仅限于方便解释本发明的方案内容，本发明保护的内容不限于具体实施例揭示的内容。
结合图1～3，给出了一种基于直线轨道运行的设备位置检测装置，包括设置在轨道2上、沿着轨道2的长度方向排列的若干磁性编码尺4(以下简称“编码尺4”)，以及设置于行车1上、与编码尺4位置相对的编码阅读器3、数据处理装置(图中未示)；编码阅读器3与数据处理装置连接。
编码尺4采用二进制编码，包括N+1个按等间隔S1依次设置的标识磁性元件5，其中N表示二进制编码的位数，各标识磁性元件5将一个编码尺分成N等份，即一个编码尺4的总长度为S1*N；在相邻的两个标识磁性元件5之间加设至少一个(本实施例为加设一个)编码磁性元件6以表示二进制编码中为“1”的字符，在相邻的两个标识磁性元件5的中间不加设编码磁性元件6以表示二进制编码中字符为“0”的字符。
其中标识磁性元件5与编码磁性元件6可以采用磁铁或磁石或其他能够具有磁性的物体；优选的标识磁性元件5与编码磁性元件6采用强磁铁。
各个编码尺4的排列间隙为S2，其中排列间隙S2>S1，优选的，排列间隙S2＝2S1；采用排列间隙以区分各个编码尺4，此处所述的排列间隙指的是某一编码尺4的尾部与其紧接的编码尺4的头部的间隙。
按照N位的二进制编码得到的各编码尺4可识别的轨道的最大长度＝S1*N*(2N-1)+(2N-1)*S2，其中：S1*N为单条编码尺长度，2N-1为最大编码数量，(2N-1)*S2为排列间隙S2的和；可通过增加编码位数N来扩充长度。
结合图3，编码阅读器3包括M个三轴地磁传感器7，各三轴地磁传感器7沿着行车运行的方向按等间隔S3设置，其中S1>2S3，从而编码阅读器3的有效检测长度为(M-1)*S3；编码阅读器的有效检测长度应大于一个编码尺的长度与一个排列间隙S2的和，即(M-1)*S1>(S1*N+S2)，以便编码阅读器能够采集到一个完整的编码尺的磁感应强度数据；优选的(M-1)*S1>(S1*N+2S2)，即编码阅读器的有效检测长度应大于一个编码尺的长度与两个所述排列间隙S2的和，以便于能从编码阅读器采集的数据中分离出一个完整的编码尺。
在一个实施例中，编码尺4的总长度(即S1*N)为120cm，当采用二进制编码位数N＝10时，间隔S1为12cm，即将编码尺总长度等份分成10份、每份12cm，在每一个编码尺的0/12/24/36/48/60/72/84/96/108/120cm这些位置共放置11个磁铁(即标识磁性元件5)。
通过将各个编码尺进行编码、按照顺序去安装在直线轨道上，各个编码尺从“000000 0000”～“11 1111 1111”依次编码。
编码磁性元件6的放置规则如下：
当编码尺的编码为00 0000 0000时，无需放置编码磁性元件6。
当编码尺的编码为00 0000 0001时，则需在该编码尺的108cm～120cm的中间位置(即编码尺的第十等份)处放置一个编码磁性元件6。
当编码尺的编码为00 0000 1010时，则需在该编码尺的72cm～84cm、96cm～108cm(即编码尺的第七等份、第九等份)的中间位置处分别放置一个编码磁性元件6。
当编码尺的编码为00 0001 0100时，则需在该编码尺的60cm～72cm、84cm～96cm(即编码尺的第六等份、第八等份)的中间位置处分别放置一个编码磁性元件6。
当编码尺的编码为00 0110 0100时，则需在该编码尺的36cm～48cm、48cm～60cm、84cm～96cm(即编码尺的第四等份、第五等份、第八等份)的中间位置处分别放置一个编码磁性元件6。
其他编码的编码尺的编码磁性元件6放置方式依次类推，此处不一一列举。本实施例中，在编码尺的每个等份放置一个编码磁性元件6来表述编码中为“1”的字符，应当知道，在其他实施例中，也可在编码尺的每个等份放置多个编码磁性元件6来表述编码中为“1”的字符。
结合图2，还给出了几个具体的编码尺的磁性元件排列方式与其对应的二进制编码的举例。
本实施例中，编码阅读器3的三轴地磁传感器7的个数M为151，各个三轴地磁传感的间隔S3为1cm；间隔S3决定了采集数据的密度，理论上间隔S3越小得到的数据越精确，但也要根据整体的成本、检测的效果以及三轴地磁传感器7本身的大小来确定其具体的数值；本实施例中采间隔S3为1cm，其间隔合理且测量结果准确。
通过各个三轴地磁传感器7采集磁场感应强度数据，得到磁场感应强度曲线；如某一个三轴地磁传感器感应到的磁铁的密度较大，那么其对应的磁场感应强度也较大；如某一个三轴地磁传感器感应到的磁铁的密度较小，那么其对应的磁场感应强度亦较小；编码阅读器与数据处理装置连接，在数据处理装置通过分析磁感应强度曲线即可得到磁铁的数量以及位置分布情况，从而能够分析得出一个完整的编码尺，从而能够分析得到的该完整的编码尺的头部以及尾部的位置，并且能够通过磁感应强度曲线进行译码得到该编码尺的编码；再通过分析该编码尺的头部以及尾部的位置与各三轴地磁传感器的对应位置关系，从而能够获取当前阅读器所在的绝对位置，最终能够准确的得到行车的准确位置。
比如编码阅读器3取得的磁感应强度的曲线如图4所示，其中横坐标表示编码阅读器3表示三轴地磁传感器的排列位置；根据对该强度曲线的分析处理，可以得到一个完整的编码尺的位置从B点到C点；参考图5，能够分析得出图4中得到的编码尺的磁性元件的位置分布在该编码尺的0/12/18/24/36/42/48/60/72/84/96/108/120cm处，其中位于0/12/24/36/48/60/72/84/96/108/120cm处的磁性元件为标识磁性元件5，位于18cm/42cm处的磁性元件为编码磁性元件6，由此通过数据分析与译码，可以得出图5的编码尺的二进制编码为“0101000000”；再由图4可以得出该编码尺的头部B点与编码阅读器3的三轴地磁传感器7的对应关系，从而能够计算得出行车所在的绝对位置。
参考图6为图4及图5中标识为A的部分的为磁感应强度曲线的放大图，其表示该部分的磁铁的密度较高，该部分存在编码磁性元件；同时图6也表示，磁感应强度的曲线是由编码阅读器3的每一个三轴地磁传感器7采集得到的。
一般情况下，三轴地磁传感器测到的数据包含两部分，地球磁场和环境磁场；地球磁场与当前的经纬度与温度相关，当没有环境磁场的干扰时，三轴地磁传感器检测到的磁感应强度不会发生波动；环境磁场与周围环境磁性材料多少与距离，因此，在距离三轴地磁传感器的一定距离内，通过设置磁性材料的密度的差异，三轴地磁传感器检测的环境磁场的磁场(即磁感应强度)会发生波动，通过磁场的波动就能够明确区分磁性材料的分布情况。
本发明的行车位置检测装置不受恶劣的工业环境影响(比如物体、灰尘、水雾)，能够较容易的得到行车当前的位置；并且其位置检验精度高，能够实现0.1mm分辨率的高精度定位；并且行车在运行过程中断电，再通电亦能够得到当前位置的准确数据，当前位置的数据不会因为断电而丢失。总之本发明提供的设备位置检测装置可应用在直线运行的重载设备上，具有非接触、寿命长、可在恶劣工业环境下、无需初始化、位置检测精确的优点，十分适合应用于智能化改造。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，不经创造性所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于直线轨道运行的设备位置检测装置，其特征在于，包括：设置在轨道上、沿轨道的长度方向排列的若干磁性编码尺，以及设置于行车上、与编码尺位置相对的编码阅读器、与编码阅读器连接的数据处理装置；
所述磁性编码尺按照二进制编码，所述磁性编码尺包括N+1个按等间隔S1依次设置的标识磁性元件，其中N表示二进制编码的位数；在相邻的两个所述标识磁性元件之间设置至少一个编码磁性元件以表示二进制编码中为“1”的字符；在相邻的两个所述标识磁性元件之间不设置编码磁性元件以表示二进制编码中为“0”的字符；
所述编码阅读器包括M个三轴地磁传感器，各三轴地磁传感器沿着行车运行的方向按等间隔设置，通过各个三轴地磁传感器采集磁场感应强度数据，得到磁场感应强度曲线；
所述数据处理装置通过分析磁场感应强度曲线得到所述标识磁性元件及所述编码磁性元件的数量以及位置分布情况，得出一个完整的编码尺以及该完整的编码尺的头部以及尾部的位置，并通过分析该编码尺的头部以及尾部的位置与各三轴地磁传感器的对应位置关系，获取当前编码阅读器所在的绝对位置，最终得到行车的准确位置。
2.根据权利要求1所述的设备位置检测装置，其特征在于，所述标识磁性元件和/或所述编码磁性元件为磁铁和/或磁石。
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