CN115900781A - 一种码盘旋转角度数据读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种码盘旋转角度数据读取方法，码盘与仪器照准部同步旋转相同角度，预设数字编码表，并通过光电传感器读取码盘旋转的初始和终止位置，转化为数字编码；获取码盘初始和终止位置的数字编码，得到差值数字编码，之后确定粗码角度值；记录初始和终止位置的数字编码的脉冲数目，确定码盘旋转起始位置和终止位置的编码图案中心位置；获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，记录的初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定光电传感器的测量基准线位置，根据起始或终止位置的编码图案中心位置与光电传感器的测量基准线位置相差的精码单位，得出精码角度值；光电传感器数量为4，以90度等相位间隔分布在码盘四周，输出码盘旋转角度值。

Description

一种码盘旋转角度数据读取方法

技术领域

本发明涉及绝对码盘测量领域，更具体地，涉及一种码盘旋转角度数据读取方法。

背景技术

圆光栅编码器作为高精度的测角装置，其结构简单，以高精度的光栅作为核心的测角元件，因为其主要应用于各种精密仪器中，特别是在航空航天领域的应用，因此提高其分辨率和精度成为迫切要求。要想提高其精度，除了从光电编码器的编码、精码细分、刻划技术等方面考虑，对其产生的误差进行检测，从而进行补偿是其必不可少的重要工作，误差过大会引起读数偏差、误码等，极大的影响测量结果。

系统误差是在排除其他误差的前提下，圆光栅的实际旋转角度与单个读数头读出角度值之间的差值，系统误差包括刻线误差和读数头细分误差，它们与码盘编译码技术以及精码细分原理相互关联。

光栅圆环圆心和旋转轴圆心之间存在的偏差引起的测角误差为偏心误差，偏心带来的测角误差和光栅圆环圆心与旋转轴心之间的偏心量、光栅圆环半径以及读数头位置有关，偏心量越大，测角误差越大，同样的偏心量下，光栅圆环直径越大，测角误差越小，测角偏心误差随光栅圆环旋转而周期性变化，轴系旋转一周而误差变化一个周期，在误差频谱中表现为一次谐波。

光栅圆环在受到应力下可能会发生形变，其圆环将发生椭圆或三角形等形变，光栅圆环的形变会造成弧长测量误差从而带来角度测量误差，由光栅圆环形变而带来的角度测量误差被称为光栅圆环形变误差。当光栅圆环发生n边形形变后，其误差频谱表现为n次谐波，当形变的边数大于4，对误差的贡献可忽略不计，因为形变误差对于测角精度的影响随着谐波频率的增加而减少。

现有的技术中，中国实用新型专利一种电子经纬仪，其特征在于：本体后侧固定有下激光对点器，本体的中间设有横轴，本体左侧内部的横轴的端面固定有垂直码盘，垂直码盘的两侧各设有一组垂直读数头，所述的横轴采用单轴的结构，本体内设有对垂直角的角度误差进行补偿的补偿器。采用绝对码盘测角系统，集光、机、电和计算技术于一体，可同时显示水平和竖直角度，并可实现竖直角的斜率转换及竖直角度的倾斜补偿功能，测角精度可达2″。可广泛用于三、四等三角控制测量，用于铁路、公路、桥梁、水利、矿山等方面的工程测量，也可用于建筑、大型设备的安装及地籍、地形测量和多种工程测量；但是该专利只是使用了对垂直角的角度误差进行补偿的补偿器，对于圆光栅的实际旋转角度与单个读数头读出角度值之间的差值、栅圆环圆心和旋转轴圆心之间存在的偏差引起的测角误差以及偏心量，该实用新型专利并不能给予补偿，导致绝对码盘测量的误差依旧很大。

发明内容

本发明为解决现有的绝对码盘测量的读数误差大的技术缺陷，提供了一种码盘旋转角度数据读取方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种码盘旋转角度数据读取方法，码盘与仪器照准部同步旋转相同角度，包括：

预设数字编码表，并通过光电传感器读取码盘旋转的初始和终止位置，之后转化为数字编码；

获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，得到差值数字编码，根据差值数字编码的位数确定唯一对应的粗码角度值；记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定码盘旋转起始位置和/或终止位置的编码图案中心位置；

获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，记录的初始和/或终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定光电传感器的测量基准线位置，根据码盘旋转起始位置或终止位置的编码图案中心位置与光电传感器的测量基准线位置之间相差的精码单位，得出精码角度值；

光电传感器设置为4个，且以90度等相位间隔分布在码盘四周，结合4个光电传感器读取的数据进行后处理，输出最终的码盘旋转角度值。

上述方案中，通过光电传感器读取码盘旋转的前后位置，精度更高，减少误差；之后进行角度粗读和角度精读，确定粗码角度值和精码角度值，分别根据对应的脉冲，得到码盘的编码图案中心位置和光电传感器的测量基准线位置；在码盘的周围布置4个读数头读取圆光栅角度数据，提高绝对码盘角度的准确度。

优选的，在编码中，预设的数字编码表由码盘所有编码图案转化，且光电传感器最大采集位数为C。

优选的，确定粗码角度值时，取A位码盘旋转起始位置的数字编码并记为第一数字编码，取A位码盘旋转终止位置的数字编码并记为第二数字编码，根据第一数字编码与第二数字编码查询所述数字编码表，获取第一数字编码与第二数字编码之间的差值数字编码，根据所述差值数字编码的位数确定唯一对应的粗码角度值，其中A＜C。

上述方案中，所述角度粗读是将图像传感器窗口提取码盘图案翻译为数字编码；粗码值计算方法是当LED光源照射到码盘图案上，由于透光部分的宽度不同，通过CCD电荷的光电转化，形成宽窄不同曲线，之后通过该曲线，反解出二进制码字；每一个编码与之对应唯一的绝对编码位，绝对编码位再次对应码盘角度值，旋转前后角度差值为旋转角度的粗码值。

例如当得到的二进制编码值为X＝100011001101010111001；通过软件搜索，唯一的确定该码值是第80个编码序列，那么该位置的粗码值为α×80，该角度值只精确到了码字中心位置，粗码值达不到系统要求的高分辨率，需要配合图像细分技术得到精码角度。

优选的，确定精码角度值时，取B位码盘旋转起始位置的数字编码并记为第三数字编码，取B位码盘旋转终止位置的数字编码并记为第四数字编码，其中A＜B≤C。

上述方案中，所述角度精读的过程为：光电码盘上每一个条码的中心位置代表着一个确定的角度值，在译码的过程中，这个中心位置和CCD测量基准线有一定的位置差，在CCD采集到图像之后，确定采集图像的条码的中心位置，从而确定该中心位置与CCD测量基准线相差像素的个数，由此得到精确的角度测量值。

优选的，在确定粗码角度值时，记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，根据脉冲数目(m+n)/2，确定码盘旋转起始位置和/或终止位置的编码图案中心位置。

优选的，在确定精码角度值时，记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，根据脉冲数目(m+n)/2，确定光电传感器的测量基准线位置。

优选的，在确定粗码角度值和精码角度值时，采用二值化的方法，具体为：光源照射到光电传感器上，然后通过驱动电路的作用，光电传感器产生光电子信号，并且进行输出，在产生和输出的过程中使用计数器来进行计数，以此来确定像元脉冲数目；

假设刚开始接收光源照射的时候，记录的脉冲数目为m，当光源照射结束之后，记录的脉冲数目为n，(m+n)/2表示光敏像元的中心位置，根据像元的个数，调整光电传感器的积分时间，使得光电传感器在不饱和的前提下，能够获取到足够的能量。

优选的，输出最终的码盘旋转角度值时，需要求取4个光电传感器读取的数据的平均值。

优选的，所述光电传感器为线阵CCD。

优选的，线阵CCD的角度译码包括角度粗读和角度精读，两种识别方式同时进行。

上述方案中，4个线阵CCD读数头分别以90°相位分布在光栅圆环四周，计算时先分别求对径的读数头H₀和H₂的平均值(H₀+H₂)/2和H₁、H₃的平均值(H₁+H₃)/2，假定两个读数头读数分别为LA和LB，平均后结果为L，计算算法为：

用同样的算法计算(H₀+H₂)/2和(H₁+H₃)/2平均值可得到4个读数头的平均值；用平均后的值作为真实值；数据处理主要在FPGA中进行，利用FPGA并行处理4个读数头的数据，保证四个读数头数据的实时和同步。

上述方案中，初始的角度数据由全站仪测量，之后传输至光电传感器，也就是CCD，CCD将角度数据转化为电信号。传输至ADC时钟来进行平滑；平滑处理包括ADC时钟平滑和系统时钟平滑；ADC数据先进行ADC时钟平滑，之后进行系统时钟平滑。ADC时钟平滑的平均选取的窗口长度为8，即每一个当前值与之前输入的8个数据相加再求平均作为当前值的输出。系统时钟平滑的平均窗口长度为16，为防止起始数据因窗口长度不够导致输出平滑数据异常，对开始输入的一部分数据不做输出处理。平滑的主要作用是解决零概率问题,尽量使概率分布趋于均匀,防止因为个别偶然错误数据导致输出结果出现严重偏差，使数据具有更高的可用性。

线阵CCD由很多光敏像元组成，是一种半导体器件，传递和存储信息时依靠电荷包。作为转换光电码盘上的码字信息的重要元件，接收来自LED的光照，将包含角度信息的光线转化为光电信号输出，线阵CCD角度译码主要包括角度粗读和精读两部分，绝对码盘使用的是1080线的，编码长度为23位。所以每一个绝对编码对应的角度范围为：

角度平滑与数据平滑相同，窗口长度为4，即每四个角度做一次平均作为最终的角度输出。光栅编码器装调的偏心误差和使用中安装转轴的振动严重影响光栅编码器的测量精度，限制了光栅码盘的应用范围。旋转轴系之间的随机晃动称为轴晃误差，这种晃动的特点是随机且非重复的，轴晃误差可认为是偏心误差的一种，只是偏心的方向随机。光栅系统误差在频谱上表现为高次谐波，而仪器吊装、震动等导致安装偏心、形变等发生变化而导致的形变误差在频谱上表现为低次谐波误差，所有误差随轴系旋转呈现一个或多个周期变化，如果在光栅圆环的周围周期性的布置多个读数头读取圆光栅角度数据，可利用误差的周期性原理来消除误差，提高绝对码盘角度的准确度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种码盘旋转角度数据读取方法，通过光电传感器读取码盘旋转的前后位置，精度更高，减少误差；之后进行角度粗读和角度精读，确定粗码角度值和精码角度值，分别根据对应的脉冲，得到码盘的编码图案中心位置和光电传感器的测量基准线位置；在码盘的周围布置4个读数头读取圆光栅角度数据，提高绝对码盘角度的准确度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的4CCD码盘角度读取实现流程图；

图3为本发明的四读数头分布示意图；

图4为本发明的二值化法原理示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1、图3和图4所示，一种码盘旋转角度数据读取方法，码盘与仪器照准部同步旋转相同角度，包括：

预设数字编码表，并通过光电传感器读取码盘旋转的初始和终止位置，之后转化为数字编码；

获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，得到差值数字编码，根据差值数字编码的位数确定唯一对应的粗码角度值；记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定码盘旋转起始位置和/或终止位置的编码图案中心位置；

获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，记录的初始和/或终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定光电传感器的测量基准线位置，根据码盘旋转起始位置或终止位置的编码图案中心位置与光电传感器的测量基准线位置之间相差的精码单位，得出精码角度值；

光电传感器设置为4个，且以90度等相位间隔分布在码盘四周，结合4个光电传感器读取的数据进行后处理，输出最终的码盘旋转角度值。

上述方案中，通过光电传感器读取码盘旋转的前后位置，精度更高，减少误差；之后进行角度粗读和角度精读，确定粗码角度值和精码角度值，分别根据对应的脉冲，得到码盘的编码图案中心位置和光电传感器的测量基准线位置；在码盘的周围布置4个读数头读取圆光栅角度数据，提高绝对码盘角度的准确度。

优选的，在编码中，预设的数字编码表由码盘所有编码图案转化，且光电传感器最大采集位数为C。

优选的，确定粗码角度值时，取A位码盘旋转起始位置的数字编码并记为第一数字编码，取A位码盘旋转终止位置的数字编码并记为第二数字编码，根据第一数字编码与第二数字编码查询所述数字编码表，获取第一数字编码与第二数字编码之间的差值数字编码，根据所述差值数字编码的位数确定唯一对应的粗码角度值，其中A＜C。

上述方案中，所述角度粗读是将图像传感器窗口提取码盘图案翻译为数字编码；粗码值计算方法是当LED光源照射到码盘图案上，由于透光部分的宽度不同，通过CCD电荷的光电转化，形成宽窄不同曲线，之后通过该曲线，反解出二进制码字；每一个编码与之对应唯一的绝对编码位，绝对编码位再次对应码盘角度值，旋转前后角度差值为旋转角度的粗码值。

例如当得到的二进制编码值为X＝100011001101010111001；通过软件搜索，唯一的确定该码值是第80个编码序列，那么该位置的粗码值为α×80，该角度值只精确到了码字中心位置，粗码值达不到系统要求的高分辨率，需要配合图像细分技术得到精码角度。

优选的，确定精码角度值时，取B位码盘旋转起始位置的数字编码并记为第三数字编码，取B位码盘旋转终止位置的数字编码并记为第四数字编码，其中A＜B≤C。

上述方案中，所述角度精读的过程为：光电码盘上每一个条码的中心位置代表着一个确定的角度值，在译码的过程中，这个中心位置和CCD测量基准线有一定的位置差，在CCD采集到图像之后，确定采集图像的条码的中心位置，从而确定该中心位置与CCD测量基准线相差像素的个数，由此得到精确的角度测量值。

优选的，在确定粗码角度值时，记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，根据脉冲数目(m+n)/2，确定码盘旋转起始位置和/或终止位置的编码图案中心位置。

优选的，在确定精码角度值时，记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，根据脉冲数目(m+n)/2，确定光电传感器的测量基准线位置。

优选的，在确定粗码角度值和精码角度值时，采用二值化的方法，具体为：光源照射到光电传感器上，然后通过驱动电路的作用，光电传感器产生光电子信号，并且进行输出，在产生和输出的过程中使用计数器来进行计数，以此来确定像元脉冲数目；

假设刚开始接收光源照射的时候，记录的脉冲数目为m，当光源照射结束之后，记录的脉冲数目为n，(m+n)/2表示光敏像元的中心位置，根据像元的个数，调整光电传感器的积分时间，使得光电传感器在不饱和的前提下，能够获取到足够的能量。

优选的，输出最终的码盘旋转角度值时，需要求取4个光电传感器读取的数据的平均值。

优选的，所述光电传感器为线阵CCD。

优选的，线阵CCD的角度译码包括角度粗读和角度精读，两种识别方式同时进行。

上述方案中，4个线阵CCD读数头分别以90°相位分布在光栅圆环四周，计算时先分别求对径的读数头H₀和H₂的平均值(H₀+H₂)/2和H₁、H₃的平均值(H₁+H₃)/2，假定两个读数头读数分别为LA和LB，平均后结果为L，计算算法为：

用同样的算法计算(H₀+H₂)/2和(H₁+H₃)/2平均值可得到4个读数头的平均值；用平均后的值作为真实值；数据处理主要在FPGA中进行，利用FPGA并行处理4个读数头的数据，保证四个读数头数据的实时和同步。

实施例2

如图2所示，初始的角度数据由全站仪测量，之后传输至光电传感器，也就是CCD，CCD将角度数据转化为电信号。传输至ADC时钟来进行平滑；平滑处理包括ADC时钟平滑和系统时钟平滑；ADC数据先进行ADC时钟平滑，之后进行系统时钟平滑。ADC时钟平滑的平均选取的窗口长度为8，即每一个当前值与之前输入的8个数据相加再求平均作为当前值的输出。系统时钟平滑的平均窗口长度为16，为防止起始数据因窗口长度不够导致输出平滑数据异常，对开始输入的一部分数据不做输出处理。平滑的主要作用是解决零概率问题,尽量使概率分布趋于均匀,防止因为个别偶然错误数据导致输出结果出现严重偏差，使数据具有更高的可用性。

线阵CCD由很多光敏像元组成，是一种半导体器件，传递和存储信息时依靠电荷包。作为转换光电码盘上的码字信息的重要元件，接收来自LED的光照，将包含角度信息的光线转化为光电信号输出，线阵CCD角度译码主要包括角度粗读和精读两部分，绝对码盘使用的是1080线的，编码长度为23位。所以每一个绝对编码对应的角度范围为：

角度平滑与数据平滑相同，窗口长度为4，即每四个角度做一次平均作为最终的角度输出。光栅编码器装调的偏心误差和使用中安装转轴的振动严重影响光栅编码器的测量精度，限制了光栅码盘的应用范围。旋转轴系之间的随机晃动称为轴晃误差，这种晃动的特点是随机且非重复的，轴晃误差可认为是偏心误差的一种，只是偏心的方向随机。光栅系统误差在频谱上表现为高次谐波，而仪器吊装、震动等导致安装偏心、形变等发生变化而导致的形变误差在频谱上表现为低次谐波误差，所有误差随轴系旋转呈现一个或多个周期变化，如果在光栅圆环的周围周期性的布置多个读数头读取圆光栅角度数据，可利用误差的周期性原理来消除误差，提高绝对码盘角度的准确度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种码盘旋转角度数据读取方法，码盘与仪器照准部同步旋转相同角度，其特征在于，包括：

预设数字编码表，并通过光电传感器读取码盘旋转的初始和终止位置，之后转化为数字编码；

获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，得到差值数字编码，根据差值数字编码的位数确定唯一对应的粗码角度值；记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定码盘旋转起始位置和/或终止位置的编码图案中心位置；

获取码盘旋转的初始和终止位置的数字编码，记录的初始和/或终止位置的数字编码对应的脉冲数目，确定光电传感器的测量基准线位置，根据码盘旋转起始位置或终止位置的编码图案中心位置与光电传感器的测量基准线位置之间相差的精码单位，得出精码角度值；

光电传感器设置为4个，且以90度等相位间隔分布在码盘四周，结合4个光电传感器读取的数据进行后处理，输出最终的码盘旋转角度值。

2.根据权利要求1所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，在编码中，预设的数字编码表由码盘所有编码图案转化，且光电传感器最大采集位数为C。

3.根据权利要求2所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，确定粗码角度值时，取A位码盘旋转起始位置的数字编码并记为第一数字编码，取A位码盘旋转终止位置的数字编码并记为第二数字编码，根据第一数字编码与第二数字编码查询所述数字编码表，获取第一数字编码与第二数字编码之间的差值数字编码，根据所述差值数字编码的位数确定唯一对应的粗码角度值，其中A＜C。

4.根据权利要求3所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，确定精码角度值时，取B位码盘旋转起始位置的数字编码并记为第三数字编码，取B位码盘旋转终止位置的数字编码并记为第四数字编码，其中A＜B≤C。

5.根据权利要求4所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，在确定粗码角度值时，记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，根据脉冲数目(m+n)/2，确定码盘旋转起始位置和/或终止位置的编码图案中心位置。

6.根据权利要求4所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，在确定精码角度值时，记录初始和终止位置的数字编码对应的脉冲数目，根据脉冲数目(m+n)/2，确定光电传感器的测量基准线位置。

7.根据权利要求1所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，输出最终的码盘旋转角度值时，需要求取4个光电传感器读取的数据的平均值。

8.根据权利要求1所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，所述光电传感器为线阵CCD。

9.根据权利要求8所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，线阵CCD的角度译码包括角度粗读和角度精读，两种识别方式同时进行。

10.根据权利要求5或者6所述的一种码盘旋转角度数据读取方法，其特征在于，在确定粗码角度值和精码角度值时，采用二值化的方法，具体为：光源照射到光电传感器上，然后通过驱动电路的作用，光电传感器产生光电子信号，并且进行输出，在产生和输出的过程中使用计数器来进行计数，以此来确定像元脉冲数目；

假设刚开始接收光源照射的时候，记录的脉冲数目为m，当光源照射结束之后，记录的脉冲数目为n，(m+n)/2表示光敏像元的中心位置，根据像元的个数，调整光电传感器的积分时间，使得光电传感器在不饱和的前提下，能够获取到足够的能量。

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