CN1482435A - 用于距离（高程）和角度测量的绝对编码和解码方法 - Google Patents

Abstract

一种用于距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码方法，包括标准码的构成、物像比计算、粗差剔除、最小二乘法求解出参考线的结果。依据编码方法对信息源进行编码，由CCD传感器获取信息源编码的图像后，根据有效黑条码中心的间距其图像的间距求出物像比，将有效黑条码回放到设计宽度，用条码的位置信息和相位信息计算出参考线的位置后取平均值为参考线的最后结果。

Description

用于距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码方法

技术领域

本发明涉及一种绝对编码和解码法，特别涉及距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码法。

技术背景

20世纪80年代末，瑞士LEICA公司提出了一种绝对编码法，该方法的一个标准码采用“黑+白(黄)”码，其中黑码和白(黄)码的码宽分别为某常数的1～15倍，这样可构成225种不同的码，LEICA公司将这种编码方法应用到数字水准仪条码尺上时取常数＝2.025mm，并在这225种码中选取41种码进行组合，它们将这种编码方法称为伪随机编码法，解码方法是将CCD传感器所获取的至少6个连续条码的图像与仪器已存储的图像对齐的方法，该种图像处理方法称为相关法，其专利号为DE0019530788C1；随后，德国ZEISS公司(现美国TRIMBLE公司)采用等码宽的“黑+黑”、“黑+白(黄)”、“白(黄)+白(黄)”、“白(黄)+黑”编码法，这四类码称为基本码，为实现较少条码时也能够确定参考线的位置，在基本黑码中再加入白(黄)码，在基本白(黄)码再加入黑码，共形成16种码，通过对这16种码进行组合形成编码，解码方法则跟据编码时确定的位置，由计算机首先寻找出至少6个连续条码图像所对应码的位置，以确定参考线的粗读数，精读数则由CCD传感器获得的图像与条码本身间的几何关系计算出，该种计算方法称为几何法，其专利号为DE0019826873C1；日本TOPCON公司采用三种周期循环码，其中参考码的结构是固定的，为3个黑码，两个白(黄)码。两种测量码为黑码，码宽则按正弦周期函数变化，这样形成的一个标准码的结构为：“黑码A+白(黄)码+参考码+白(黄)码+黑码B+白(黄)码”，解码方法是将CCD传感器所获取至少10个连续条码(2组参考码，4个测量码)的图像信息采用快速傅立叶变换确定参考线的位置，该方法称为相位法，其专利号为JP0007004959AA；日本SOKKIA公司的采用等码宽的“黑+白(黄)”码，变换黑码和白(黄)码的宽度形成6种码，通过对这6种码进行组合形成编码，解码方法将CCD传感器所获取的至少5个连续条码图像，采用与德国ZEISS公司类似的几何算法，其专利号为US0006108920A。这4家公司将其各自的编码原理应用到数字水准仪和全站仪(电子经纬仪)中，虽然生产出了测量准确度很高的产品，但它们的编码方法存在明显的缺陷：①在等间隔的编码区域内，条码(黑码)数目过多，给标尺或码盘的刻线增加难度，制作不方便：②在等间隔的编码区域内，条码(黑码)数目不等即信息量不同，造成不同位置测量结果的精确度不同；③每个条码(黑码)所载信息单一，要么条码(黑码)仅包含位置信息，要么仅包含相位信息。

在国内，中科院光电技术研究所提出过一种绝对编码法：它先将待编码的区域划分成n个子区域，在每个子区域内用7个黑白相间的窗口来代表该子区域的编码。这种方法不仅没有克服国外已有方法的缺陷，而且还大大降低了其设备的测量精确度。据研究者发表的论文称：当它们将这种编码方法应用到单圈绝对角度码盘中时，码盘的精度仅为52.6”。

发明内容

为了克服现有编码方法和解码法存在的条码数目多、刻线难度大、制作不方便和条码所含信息量不均匀且单一的缺陷，本发明提供一种位置相位编码法，是一种比现有编码方法原理更简单、条码(黑码)数目少、条码(黑码)分布均匀、所载信息丰富(即每个条码不仅包含位置信息，而且还包含相位信息)的编码及解码方案，可供数字水准仪、测距仪、电子经纬仪、全站仪、编码钢带尺、透射式单圈绝对角度码盘、反射式单圈绝对角度码盘等测量和计量设备使用。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：采用位置相位编码法，在待编码的区域内，分别刻划周期为T_A、T_B的两种黑A码和黑B码，黑A码和黑B码间由白(黄)码隔开。黑A码和黑B码的理论码宽按正弦周期函数变化：

 

黑A码和黑B码中心线间的间隔称为标准码，其间隔D为一固定值。为便于刻线，分别选择便于刻线的码宽来替代其理论码宽，由计算机存储其对应关系。达到条码数目少、既易于刻制又同时包含位置和相位信息的目的。

本发明的有益效果是，用位置相位编码法，能减少条码数目，任意选择易于刻线的码宽，易于在标尺或码盘上刻制；在等间隔区域内，有效条码的个数一致，使测量结果的精确度分布均匀；每条码中同时含有位置信息和相位信息，克服了每条码所含信息单一的弊端。

附图说明

图1是本发明的编码示意图。图中1.黑码，2.黑码，3.白(黄)码，4.标准码，5.待编码区域

具体实施方式

编码方法

如图1所示。一个标准码4由“半个黑A码1+白(黄)码3+半个黑B码2”或由“半个黑B码2+白(黄)码3+半个黑A码1”组成，黑A码1和黑B码2的理论码宽按正弦函数变化：

(1)式和(2)式中：T_A、T_B分别为A码1和B码2的周期；x_i为黑A码1和黑B码2中心线对应的标尺位置；_A、_B分别为黑A码1和黑B码2的初相角；h，C为码宽设计参数。设计码宽时取

设黑A码1和黑B码2的最大宽度相等为A_max；最小宽度也相等为A_min。黑A码1和黑B码2之间为白(黄)码3，白(黄)码3的最小码宽s＝s_min＝A_min。由图1的关系可知：当黑A码1和黑B码2的码宽为最大时，白(黄)码3的码宽为最小。因此有：

$\frac{A_{\max }}{2}+\frac{A_{\max }}{2}+A_{\min }=D---\left(3\right)$ 由(1)、(2)两式可得：

       A_max＝h+C              (4)

       A_min＝h-C              (5)则：

$h=\frac{1}{2}(A_{\max }+A_{\min })---\left(6\right)$

$C=\frac{1}{2}(A_{\max }-A_{\min })---\left(7\right)$ 通过选择不同的T_A、T_B，求其最小公倍数K(K值应大于或等于待编码的区域5)，则在0∽K范围内，x_i的值具有唯一性。

由(1)、(2)两式可知黑A码1和黑B码2的理论码宽的计算结果可以取到小数后若干位，这不便于刻线。为克服这个缺陷，可任意选择便于刻线的数值来替代，并由计算机存储其对应值。

表1和表2是将本发明的原理应用到数字水准仪条码尺上的编码实例。

黑A码1编码方案(第一个周期，3.6m距离共有9个周期)       表1

黑B码2编码方案(第一个周期，3.6m距离共有10个周期)      表2

解码原理1.有效条码的定义

CCD传感器接收到信息源的图像后，需要完整获取有效的条码。一个有效黑条码的定义为：起始边界由白(黄)→黑；结束边界由黑→白(黄)。2.物像比

依据前述的编码规则，一个标准码4即两相邻有效黑码的中心线间距D，经过传输后在CCD传感器上获得两像中心的间距为g_i，则物像比为：

$d_i=\frac{D}{g_i}---\left(8\right)$

如果在CCD传感器上获取了(n+1)个连续有效黑条码，则可求得n个物像比，取其平均值作为最后结果：

$d=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i---\left(9\right)$ 3.粗差的剔除

在信息的传输过程中，由于外部噪声、条码部分被遮挡和条码部分不清晰等将引起粗差，剔除粗差对于获得准确的测量结果具有十分重要的意义。由(8)、(9)两式可得物像比的残差：

            v_i＝d_i-d(i＝1，2，...，n)            (10)求其标准差：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^2}{n-1}}---\left(11\right)$ 当v_i≥3·σ时，可以认为第i个物像比中包含粗差，同时需要计算v_i-1和v_i+1，以确定应该剔除第i个条码还是第(i+1)个条码。如果v_i≥3·σ和v_i-1≥3·σ，则需要剔除第i个条码；如果v_i≥3·σ和v_i+1≥3·σ，则需要剔除第(i+1)个条码。剔除粗差后，应重新计算物象比d。4.由位置信息计算参考线的位置

根据物像比d，将条码影像的宽度回放到信息源上条码的宽度，依据编码的顺序在存储器中寻找与该编码顺序一致的编码，得到第i条码对应的读数T_i。对于精读数，按下述方法得到：假定第一个有效条码在CCD传感器上所对应的读数为p₁，则第一个有效条码至参考线(p＝0.0)读数为：

        x_i＝p_i·d+T₁                  (12)

同理假定第i个有效条码在CCD传感器上所对应的读数为p_i，则第i个有效条码至参考线(p＝0.0)读数为：

        x_i＝p_i·d+T_i                  (13)

依(13)式得到n+1个有效条码至参考线读数，取其平均值即为由条码的位置信息获得的测量结果：

$X_1=\underset{l=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_l---\left(14\right)$

需要注意p_i的正负值与信息源条码间的对应关系。5.由相位信息计算参考线的位置

根据物像比d，将条码影像的宽度回放到信息源上条码的宽度，依据编码规则，可求得各有效条码的理论码宽，以黑A码1为例分别为：A₁，A₂，ΛΛ，A_n。由此可得残差方程式：

(15)式中：

   Δ——两相邻黑A码1间的相位差，

A_i——码宽的测量值；

h，C——与(1)式中的意义相同；

——第一个有效条码的相位角。令： $x=C\·\cos w_{A_1};y=C\·\sin w_{A_1};$ f_i＝h-A_i；a_i＝cos((i-1)·Δ)：b_i＝sin((i-1)·Δ)。则可以将(15)式转化成线性形式：

依据最小二乘原理，按(16)式组成方程式：

解(17)式可以求得x，y，则：

$w_{A_1}=\mathrm{arctg}\frac{y}{x}---\left(18\right)$

象限的判别：x＞0，y＞0时，

在第一象限；x＞0，y＜0时，

在第二象限；x＜0，y＜0时， 在第三象限；x＜0，y＞0时，

在第四象限。几个特殊值的判别：x＞0，y＝0时，

x＜0，y＝0时，

x＝0，y＞0时， x＝0，y＜0时， 根据Δ所对应的像素和参考线到第一个有效条码的像素，可以求得黑码A在参考线X处的相位

。同理可求得黑码B在参考线X处的相位

，依据正弦函数的特点得：

则：

(19)式为由条码的相位信息获得的测量结果。将(14)式和(19)式取平均值作为参考线的最后测量结果：

$X=\frac{X_1+X_2}{2}---\left(20\right)$

Claims (3)

1.一种用于距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码方法，其特征在于一个码宽为D的标准码由“半个黑A码1+白(黄)码3+半个黑B码2”或由“半个黑B码2+白(黄)码3+半个黑A码1”组成。A码1和B码2的周期分别为T_A、T_B，同时A码1和B码2包含位置信息和相位信息。

2.如权利要求1所述的用于距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码方法，其特征是：可以选择便于刻线的码宽来替代理论码宽，由计算机存储理论码宽和实际刻线码宽间的对应关系。

3.如权利要求1所述的用于距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码方法，其特征是：CCD传感器只需采集4或4个以上连续有效黑条码的图像后，依条码所包含的位置信息和相位信息分别计算出参考线的测量值，取其平均值作为最后结果。