CN1493853A - 单圈绝对式角度编码器的通用编码方法 - Google Patents

Abstract

一种用于单圈绝对式角度编码器的通用编码方法，该编码方法通过对刻划在一个码道上的N个条码进行有序排列，构成N个码区，依据码区个数N、编码器的设计精度、CCD传感器的类型等设计参数选择每个码区内条码的个数m(m≥2)和条码的种类k(k≥2)，达到N、m、k等参数间的最佳匹配。利用CCD传感器获取码道上的m个或多于m个条码，依据获取的条码之间的相互关系及CCD传感器像素所对应的角度值，精确确定参考线的位置。该编码方法克服了现有绝对式角度编码器中码道数过多、编码器精度过低、需要经过一个引导或过零位过程才能获得参考线的绝对位置及条码种类过多等缺陷，能有效地进一步减少条码的种类、提高编码器的精度、不需要任何引导或过零过程，使角度编码器更小、成本更低、使用和制造更方便。

Description

单圈绝对式角度编码器的通用编码方法

技术领域

本发明涉及一种角度编码器的编码方法，特别涉及单圈绝对式角度编码器的通用编码方法。

技术背景

角度编码器作为一种采用光电技术进行非接触角度计量和测量的仪器仪表，在位置计量和测绘仪器领域具有不可替代的作用。

传统的编码器分为增量式编码器和绝对式编码器。虽然增量式编码器的测量精度可以做得很高；但使用过程中必须多增加一路接收信号，以判别编码器的旋转方向；另外，如果想得到参考线绝对位置的测量值，则编码器启动后，必须经过引导过程后方可进行测量，而且该引导过程只能发生在绝对零位附近，因此，使用时极不方便。同时，要提高增量式编码器的角度测量精度，必须增加刻线的数量，这给编码器的小型化带来困难。

传统的绝对式编码器由一系列同心的黑白相间的编码码道组成，参考线的编码位于沿半径方向的不同编码码道上。要提高编码器的分辨率，所受限制较多。在码盘尺寸足够大的情况下，虽然可以通过增加码道的数量使精度和分辨率达到很高水平，但码盘尺寸过大又限制了编码器的使用范围；同时测量信号的接受器件也要增多，对整个编码器的光学和机械装调精度也提出了较高要求，而每个光电器件的输出都要配置相应的后置处理电路，系统电路会变得非常复杂，不利于提高检测设备的可靠性。如果编码器尺寸受限，要保证其精度就只有减小码道的宽度，而同时保证码道刻划的均匀性难度很大，但其均匀性又直接影响着编码器的分辨率；相应地，透过光学狭缝的光强也会减少，这样一来对光电变换用的读出器件性能要求很高，无疑会增加系统的成本。显然，码盘尺寸和分辨率对传统绝对编码器来说，是一对不可调和的矛盾，越来越不能适应现代仪器仪表对于编码器轻便性、小型化、高可靠性的要求。

为克服传统绝对式编码器码道数过多和结构复杂的缺点，中科院成都光电技术研究所(单圈绝对式编码器的研制，《光学精密工程》，2002年第1期)研制了一种单圈绝对式编码器。其基本原理为采用相间的黑白条纹在光栅码盘上进行编码，用宽窄不同的三种白条纹分别表示“区标记”、“1标记”和“0标记”，从而将整个光栅码盘分成128等分。然后用固体图像传感器SSPA进行光学图像采样，得到码盘上黑白条纹图像信号的空间光强分布信息，再把视频模拟信号转化为数字量，通过计算机接口送给计算机进行角度计算，进一步使用模/数转换器对每个像素的空间光强分布信息进行亚像素细分，实现每个分区的中心位置精确定位。虽然该系统最终实现的静态重复性精度可以达到3″，分辨率达到4″，但编码器的精度仅仅达到52.6″，这样的低精度远远不能够满足用户的需求。

随后，中科院西安光学精密机械研究所(一种新型光学编码器，《光学精密工程》，2003年第1期)研制了一种准绝对式编码器。该编码器由循环码道和条型码道组成的，循环码道仍然由一系列均匀交错的遮光和透光的等宽度的光栅线条组成；条型码道则由与每一对透光/遮光不等宽度的条码组成，它们共同构成对某一位置的编码，即位置编码的各有效位是沿圆周(切向)连续地分布于同一个条型码道内的。根据准绝对式编码器的特点，位置编码的各有效位沿圆周连续分布，减少了位置编码的码道数量，因此，码盘体积得以有效缩小；但位置编码有效位沿切向分布，又使得编码器上电后，不能立刻获得位置的编码，而要经过一个引导过程，即经过一个非常小的位移(不必要在零位附近)后才能获得位置编码数据。

本人曾于2003年8月14日发明了一种“用于距离(高程)和角度测量的绝对编码和解码法”(发明专利申请号：03153286.1)，虽然该编码法可以应用到角度编码器中并解决国外已有编码方法中存在的缺陷：黑码数目过多；黑码分布不均、黑码所载信息单一。但该编码方法要求黑条码按周期函数分布，这样会出现条码种类过多的缺陷。对于条码数目为N的角度编码器而言，条码种类愈多，必然导致条码间的差异愈小，这给条码的识别增加了难度，给角度编码器的小型化带来困难，将会增加制造成本。

发明内容

为进一步克服现有方法中码道数过多、编码器精度过低、需要经过一个引导或过零位过程才能获得参考线的位置及条码种类过多等缺陷，本发明提供一种通用编码方法，是一种比现有编码方法更能有效地进一步减少条码种类、提高编码器精度、不需要任何引导或过零过程的更简单的通用编码方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：通过对刻划在一个码道上的N个条码进行有序排列，达到码区内的条码个数m和条码种类k的最佳匹配。利用CCD传感器获取一个码区内的m个条码，依据这m个条码之间的相互关系及CCD传感器像素所对应的角度值之间的关系，精确确定参考线的位置。

本发明的有益效果是：用本发明所提供的单圈绝对式角度编码器的通用编码方法，能有效地进一步减少条码的种类、提高编码器的精度、不需要任何引导或过零过程，使角度编码器更小、成本更低、使用和制造更方便。

附图说明

图1是本发明的编码示意图。

图1中1.条码的黑色部分，2.条码的白色部分，3.完整条码，4.待编码区域。

图2是本发明设计的角度编码器示意图。

图2中5.光源，6.反射镜，7.码盘，8.CCD传感器。

具体实施方式

1.几个术语的定义

条码：由黑色部分和白色部分组成。一个完整的条码为：起始边界由白→黑；结束边界由白→黑，代表的角度值为D。

物像比：一个条码代表的角度D，经过传输后在CCD传感器上获得的像素个数为g，则物像比为：

$d=\frac{D}{g}---\left(1\right)$

码区：由m个顺序条码组成的一组用于标识参考线粗值的条码组。

条码种类：改变条码黑/白间的比例关系，构成易于相互区分的不同条码。本发明共设计k种条码。

2.编码方案

设在码盘上共刻划N个条码：f₁，f₂，…，f_N，这N个条码由k种不同条码组合而成。在这N个条码中，顺序选出m个条码组成一个码区，共可以组成N个独立码区如表1所示。

                                   表1

通过调整条码间的顺序，使获得的N个码区互不相同。该计算过程由计算机完成。由计算机存储这N个码区条码的顺序和第1个条码起始边界所对应的角度值，供确定参考线的粗值使用。

条码种类k、码道上条码个数N和码区内条码的个数m之间关系必须满足：

                k^m＞＝N           (2)

3.参考线位置的计算方法

跟据CCD传感器上条码的顺序在存储器中寻找与该条码顺序一致的码区，得到该码区第1个条码的起始边界所对应的粗读数T₁。对于精读数，按下述方法得到：假定该码区第一个条码的起始边界在CCD传感器上所对应的读数为p₁，则第一个条码的起始边界至参考线(p＝0.0)的读数为：

           x₁＝p₁·d+T₁                   (3)

同理假定第i个条码在CCD传感器上所对应的读数为p_i，则第i个条码的起始边界至参考线(p＝0.0)的读数为：

           x_i＝p_i·d+T_i                   (4)

依(4)式得到码区内m个条码的起始边界至参考线的读数，取其平均值即为参考线的测量结果：

$X=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i---\left(5\right)$

4.编码器的测量精度估计

这里暂不考虑条码的刻线误差。由于在360°的码道上刻划了N个条码亦有N个码区，每个码区内共有m个条码用于确定参考线的位置，则每个码区对应的角度值为：假定一个码区在CCD传感器上所对应的像素为Q，则每个像素所对应的角度值为： 现有技术可以很容易实现亚像素(0.1倍像素)细分，则一个亚像素所对应的角度值为：

τ代表编码器的理论鉴别率。由于每次测量是由m个条码取平均值得到的，则编码器的理论精度(标准差)为：

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{m}}=\sqrt{m}\·\frac{36\·{3600}^{\′\′}}{N\·Q}---\left(7\right)$

由(6)、(7)两式可以看出：要提高编码器的鉴别率和精度，必须减少码区内条码的个数m；增加编码器码道上条码的数量N；增加CCD传感器像素的数量Q。但码区内条码个数m的减少，必然导致条码种类k的增加，使得不同种类条码间差异的变小，增加条码的识别难度；编码器码道上条码的刻划数量N的增加，将增加刻线难度；而CCD传感器像素的增加，将加大编码器的制造成本。因此，依据编码器的精度要求，正确选择m，k和N间的匹配关系。表2列出了当选用2048线的CCD传感器且一个码区所对应的像素Q＝1800时，条码种类、码区内条码个数、编码器码道上条码总数、鉴别率和精度之间的对应关系。

                                                                  表2

条码种类k	码道上条码总数(N)	码道可刻划的条码总数	码区内条码个数(m)	编码器鉴别率τ	编码器理论精度δ0
						20	400	400	2	0.36″	0.25″
8	400	512	3	0.54″	0.31″
						5	400	625	4	0.72″	0.36″
4	400	1024	5	0.90″	0.40″
						3	400	729	6	1.08″	0.44″
2	400	512	9	1.62″	0.54″

5.设计实例

表3、表4和表5分别为表2中不同条码种类(k＝20，k＝8，k＝5)和不同码区内条码个数(m＝2，m＝3，m＝4)所对应的条码顺序表，其中的数字代码(0～19)分别表示条码“黑/白”间的不同比例关系，设计者可根据需要自由该比例关系。对于其它不同条码种类k和不同码区内条码个数m所对应的条码顺序表可以依据该原理推出。各码区的数据可依据表1所列关系导出，为节省说明书的篇幅，这里不再罗列。

           码道上400条码顺序表(k＝20，m＝2)                               表3

条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码
										1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344	001121314151617181911011111211311411511611711811910191918	4546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485868788	1917191619151914191319121911191019919819719619519419319219018181718161815181418	8990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132	13181218111810189188187186185184183182180171716171517141713171217111710179178	133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176	1771761751741731721701616151614161316121611161016916816716616516416316216	177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220	0151514151315121511151015915815715615515415315215014141314121411141014914814

              码道上400条码顺序表(k＝20，m＝2)                      续表3

条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码
										221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264	714614514414314214013131213111310139138137136135134133132130121211121012	265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308	91281271261251241231221201111101191181171161151141131121101010910810	309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352	71061051041031021009989796959493929088786858483828	353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396	07767574737270665646362605545352504434240332	397398399400	3022

            码道上400条码顺序表(k＝8，m＝3)                       表4

条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码
										1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344	00011122233345677767667577566657656557556477	4546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485868788	47646746645554750773772771770763762761760754	8990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132	65454474537536736636535744644527526726626525	133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176	73563553473463444374364354343327427337326426	177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220	33175174173167166165164163256255247254253307

          码道上400条码顺序表(k＝8，m＝3)                  续表4

条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码
										221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264	40730670660650640631572462451561551471541532	265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308	44243232272314614505714414313722623713630560	309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352	55047054053127126135304604570440430370362252	353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396	30270260352242361251342217216215214213360250	397398399400	3413

             码道上400条码顺序表(k＝5，m＝4)                     表5

条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码
										1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344	00001444434442444144334432443144234422442144	4546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485868788	13441244114404440344024401434342434143334332	8990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132	43314323432243214313431243114304430343024301	133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176	42424142334232423142234222422142134212421142	177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220	04420342024201414133413241314123412241214113

          码道上400条码顺序表(k＝5，m＝4)                   续表5

条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码	条码序号	数字代码
										221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264	41124111410441034102410140434042404140334032	265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308	40314023402240214013401240114004400340024001	309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352	33332333133223321331233113304330333023301323	353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396	23132223221321232113204320332023201313122312	397398399400	1311

Claims (3)

1.一种单圈绝对式角度编码器的通用编码方法，其特征在于每个条码由“黑+白”组成，变换黑/白间的比例关系，共组成k(k≥2)种不同条码；将这k种条码进行排列，组成N个条码；然后将这N个条码均匀刻划到码盘的一个码道上。

2.如权利要求1所述的单圈绝对式角度编码器的通用编码方法，其特征是：将码道上的N个条码顺序划分成N个独立码区，每个码区由m(m≥2)个条码组成，相邻码区有(m-1)个条码顺序相同和一个条码顺序相异；不同码区由这m个条码间的不同顺序进行区分。

3.如权利要求1所述的单圈绝对式角度编码器的通用编码方法，其特征是：CCD传感器采集一个码区或大于一个码区内所有条码的图像，依据设计时每个码区第一个条码起始边界所对应的粗值及这m个或大于m个条码在CCD传感器上所对应的图像、通过对该图像进行亚像素细分后，计算出参考线对应的角度值。

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