一種絕對式光電編碼器編碼方法及實施該方法的編碼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種絕對式光電編碼器編碼方法及實施該方法的編碼器，其中編碼盤上劃分有N個等角的扇形區(qū)間，每一所述扇形區(qū)間進一步沿徑向劃分為用于指示該扇形區(qū)間在N個扇形區(qū)間中排列次序n的位置標(biāo)定區(qū)間以及用于進一步指示精確角度的葛萊碼道區(qū)間；所述葛萊碼道區(qū)間內(nèi)具有M組沿周向排列的葛萊碼道，每一葛萊碼道均編碼該葛萊碼道在M組葛萊碼道中的排列次序m；所述CMOS圖像傳感器配置為開窗模式并且每次僅采用一組葛萊碼道以及與該組葛萊碼道位于同一半徑連線上的位置標(biāo)定區(qū)間的圖像信息，圖像信息經(jīng)解碼后獲得n和m的數(shù)據(jù)，然后通過公式(n?1)*(360/N)+m*(360/N)/M計算出當(dāng)前的角度。
【專利說明】
一種絕對式光電編碼器編碼方法及實施該方法的編碼器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光電編碼器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種絕對式光電編碼器編碼方法及實施該方法的編碼器。
【背景技術(shù)】
[0002]光電編碼器是采用光電技術(shù)，通過光電轉(zhuǎn)換將機械運動輸出軸上的幾何位移量、旋轉(zhuǎn)角位置以及角速度等物理量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量或者脈沖的新型傳感器。根據(jù)信號的輸出形式以及刻劃方法，可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式光電編碼器只能提供位置相對于前一位置的信息，所以電源中斷后，位置的信息變化必須重新歸零才可確認。在斷電后再重新上電的瞬間，增量式光電編碼器無法立即知道目前機構(gòu)所在位置。絕對式光電編碼器能隨時輸出位置的絕對值且不會因為電源中斷而喪失位置的信息，因此斷電再上電后無需進行歸零程序，簡化了控制系統(tǒng)的運作。絕對式光電編碼器在數(shù)控行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。主要缺點是在高精度測量速度較慢，解碼時錯碼率高，抗污染能力較弱。
[0003]但是不論是增量式光電編碼器還是絕對式光電編碼器，由于現(xiàn)有的光柵碼道都刻劃在玻璃等材料上，而電機在運行過程中，不可避免地會產(chǎn)生一定的徑向跳動，從而可能造成碼道出現(xiàn)微小位移，當(dāng)振動造成的徑向位移達到一定幅值時，甚至可能出現(xiàn)讀數(shù)錯誤。另一方面，傳統(tǒng)的絕對式編碼器碼道過多、制造工藝復(fù)雜從而造成體積大、重量較重，限制了絕對式編碼器的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種絕對式光電編碼器編碼方法及實施該方法的編碼器。
[0005]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種絕對式光電編碼器編碼方法，包括編碼盤以及用于采集編碼盤圖像信息的CMOS圖像傳感器，其中編碼盤上劃分有N個等角的扇形區(qū)間，每一所述扇形區(qū)間進一步沿徑向劃分為用于指示該扇形區(qū)間在N個扇形區(qū)間中排列次序η的位置標(biāo)定區(qū)間以及用于進一步指示精確角度的葛萊碼道區(qū)間；其中各所述位置標(biāo)定區(qū)間內(nèi)均具有光柵圖像為黑色或白色的扇形圖形，并且各扇形區(qū)間之間的位置標(biāo)定區(qū)間內(nèi)的扇形圖形均具有不同的高度;所述葛萊碼道區(qū)間內(nèi)具有M組沿周向排列的葛萊碼道，每一葛萊碼道均編碼該葛萊碼道在M組葛萊碼道中的排列次序m，并且各扇形區(qū)間之間的葛萊碼道區(qū)間具有相同編碼;所述CMOS圖像傳感器配置為開窗模式并且每次僅采用一組葛萊碼道以及與該組葛萊碼道位于同一半徑連線上的位置標(biāo)定區(qū)間的圖像信息，圖像信息經(jīng)解碼后獲得η和m的數(shù)據(jù)，然后通過公式(n-l)*(360/N)+m*(360/N)/M 計算出當(dāng)前的角度。
[0007]進一步，圖像信息被CMOS圖像傳感器采集后，圖像采集卡將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，處理數(shù)據(jù)單元對圖像進行二值化處理獲得清晰圖像，最后通過比對圖像數(shù)據(jù)庫解碼出η和m的數(shù)據(jù)。
[0008]優(yōu)選地，當(dāng)CMOS圖像傳感器同時采集到兩組相鄰的葛萊碼道時，采用圖像信息較多的一組。
[0009]本發(fā)明同時還配套提供一種編碼器，包括有用于采集圖像信息的CMOS圖像傳感器、光學(xué)放大系統(tǒng)、編碼盤、用于將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的圖像采集卡、用于處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理單元;其中所述CMOS圖像傳感器對準(zhǔn)編碼盤，所述光學(xué)放大系統(tǒng)包括照射編碼盤的光源以及設(shè)置于CMOS圖像傳感器和編碼盤之間用于放大編碼盤圖像的透鏡，所述CMOS圖像傳感器、圖像采集卡和數(shù)據(jù)處理單元相互連接。
[00?0]進一步，還包括用于補償CMOS圖像傳感器的校正補償單元，所述校正補償單元6與CMOS圖像傳感器連接。
[0011]優(yōu)選地，所述CMOS圖像傳感器采用光柵型APS圖像傳感器;所述數(shù)據(jù)處理單元采用STM32數(shù)據(jù)處理單元;所述圖像采集卡采用FPGA圖像采集卡。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用的編碼盤能有效降低二進制絕對碼道的數(shù)目，降低了光柵刻蝕難度，能有效降低光柵編碼盤刻蝕出錯率，還降低了制造成本。另外二進制碼道采用葛萊碼編碼方法，能降低出錯率，合成結(jié)果基本上接近真實位置，提高了測量系統(tǒng)的可靠性
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的編碼盤的示意圖。
[0015]圖3為圖2中區(qū)域A的局部放大圖。
[0016]其中，1-編碼盤，11-扇形區(qū)間，111-位置標(biāo)定區(qū)間，112-葛萊碼道區(qū)間，2-CM0S圖像傳感器，3-光學(xué)放大系統(tǒng)，31-光源，32-透鏡，4-圖像采集卡，5-數(shù)據(jù)處理單元，6-校正補償單元。
【具體實施方式】
[0017]現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明所要求保護的技術(shù)方案作進一步詳細說明。
[0018]參見附圖1所示，本實施例中所采用的編碼器包括有用于采集圖像信息的CMOS圖像傳感器2、光學(xué)放大系統(tǒng)3、編碼盤1、用于將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的圖像采集卡4、用于補償CMOS圖像傳感器2的校正補償單元6、用于處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理單元5;其中所述CMOS圖像傳感器2對準(zhǔn)編碼盤I，所述光學(xué)放大系統(tǒng)3包括照射編碼盤I的光源31以及設(shè)置于CMOS圖像傳感器2和編碼盤I之間用于放大編碼盤I圖像的透鏡32，所述CMOS圖像傳感器2、圖像采集卡4和數(shù)據(jù)處理單元5相互連接，所述校正補償單元6與CMOS圖像傳感器2連接。在本實施例中CMOS圖像傳感器2采用光柵型APS圖像傳感器;所述數(shù)據(jù)處理單元5采用STM32數(shù)據(jù)處理單元5;所述圖像采集卡4采用FPGA圖像采集卡4。
[0019]參見附圖2和附圖3所示，編碼盤I上劃分有N個等角的扇形區(qū)間11，每一所述扇形區(qū)間11進一步沿徑向劃分為用于指示該扇形區(qū)間11在N個扇形區(qū)間11中排列次序η的位置標(biāo)定區(qū)間111以及用于進一步指示精確角度的葛萊碼道區(qū)間112;其中各所述位置標(biāo)定區(qū)間111內(nèi)均具有光柵圖像為黑色或白色的扇形圖形，并且各扇形區(qū)間11之間的位置標(biāo)定區(qū)間Ill內(nèi)的扇形圖形均具有不同的高度;所述葛萊碼道區(qū)間112內(nèi)具有M組沿周向排列的葛萊碼道，每一葛萊碼道均編碼該葛萊碼道在M組葛萊碼道中的排列次序m，并且各扇形區(qū)間11之間的葛萊碼道區(qū)間112具有相同編碼。
[0020]所述CMOS圖像傳感器2配置為開窗模式并且每次僅采用一組葛萊碼道以及與該組葛萊碼道位于同一半徑連線上的位置標(biāo)定區(qū)間111的圖像信息，圖像信息被CMOS圖像傳感器2采集后，圖像采集卡4將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，
[0021]處理數(shù)據(jù)單元將CMOS圖像傳感器2獲得的圖像進行二值化處理，二值化的目的是使獲得的圖像更加清晰，便于后期進行算法比對。基于所拍攝圖像的幾何輪廓邊界比較簡單，因而采用“雙峰法”來確定灰度閡值，然后將獲得圖像的處理成只有黑白信息的圖像。其中對應(yīng)位置標(biāo)定區(qū)間111的部分為一條形成扇形圖形的黑色或白色線，其對應(yīng)葛萊碼道區(qū)間112部分的經(jīng)處理后為黑白方格交替的較清晰的圖像。將上述兩者與圖像數(shù)據(jù)庫進行比對，其中位置標(biāo)定區(qū)間111部分可測量該形成扇形圖形的黑色或白色線的像素數(shù)，即其扇形圖形的高度獲得數(shù)值η;其對應(yīng)葛萊碼道區(qū)間112部分將其黑白方格圖像轉(zhuǎn)換為二進制的葛同萊碼道，同時比對數(shù)據(jù)庫獲得數(shù)值m。
[0022]處理數(shù)據(jù)單元對圖像進行二值化處理獲得清晰圖像，最后通過比對圖像數(shù)據(jù)庫解碼出η和m的數(shù)據(jù)，圖像信息經(jīng)解碼后獲得η和m的數(shù)據(jù)，最后通過公式(n-l)*(360/N)+m*(360/N)/M計算出當(dāng)前的角度。
[0023]由于光柵尺刻蝕技術(shù)的限制，不能保證同個位置標(biāo)定區(qū)間111內(nèi)扇形圖形下每個位置的像素數(shù)相同，可能存在像素數(shù)的差異，因此應(yīng)該為讀數(shù)頭在某個位置拍攝信息中的每個扇形的高度像素數(shù)設(shè)置誤差范圍，以保證讀取的精確性，另一方面，CMOS傳感器可采用光柵型APS圖像傳感器，采用0.25微米工藝將允許達到5微米的像元間距，便可拍攝出不同位置下的碼道信息，也就是說在光柵編碼盤I可以分割成很多扇形區(qū)域的角度區(qū)間，只要保證相鄰扇形的高度存在5微米或稍微大一點的差值即可，如今光柵的刻蝕工藝是能到達這種要求的，按照這種方式編碼，此時編碼器的分辨力可以很高。
[0024]另外，在圖像拍攝過程中，當(dāng)CMOS圖像傳感器2同時采集到兩組相鄰的葛萊碼道時，采用圖像信息較多的一組。
[0025]在本實施例中扇形區(qū)間11的數(shù)量N具體為180個，即每個扇形區(qū)間11的角度為360/180 = 2%若其次序η為I，則該扇形區(qū)間11內(nèi)的角度為0°至2°，依次類推;在本實施例中葛萊碼道的數(shù)量M具體為250組，即每組葛萊碼道的角度為2°/250 = 0.008°，為了避免該250組葛萊碼道的編碼重復(fù)，在設(shè)置葛萊碼道的位數(shù)時還應(yīng)該注意2Χ>Μ，其中X為每組葛萊碼道的位數(shù);通過對葛萊碼道進行解碼可進一步獲得當(dāng)前角度更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，若葛萊碼道在同一扇形區(qū)間11內(nèi)的次序m為I，且η為1，則當(dāng)前角度為0.008°，依次類推。若采用更多碼道，細分效果更好，分辨率也越高。采用這種方案能明顯減少碼道數(shù)量，縮小了碼盤大小。
[0026]以上所述之實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出更多可能的變動和潤飾，或修改為等同變化的等效實施例。故凡未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明之思路所作的等同等效變化，均應(yīng)涵蓋于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種絕對式光電編碼器編碼方法，其特征在于:包括編碼盤(I)以及用于采集編碼盤(1)圖像信息的CMOS圖像傳感器(2)，其中編碼盤(I)上劃分有N個等角的扇形區(qū)間(11)，每一所述扇形區(qū)間(11)進一步沿徑向劃分為用于指示該扇形區(qū)間(11)在N個扇形區(qū)間(11)中排列次序η的位置標(biāo)定區(qū)間(111)以及用于進一步指示精確角度的葛萊碼道區(qū)間(112);其中各所述位置標(biāo)定區(qū)間(111)內(nèi)均具有光柵圖像為黑色或白色的扇形圖形，并且各扇形區(qū)間(11)之間的位置標(biāo)定區(qū)間(111)內(nèi)的扇形圖形均具有不同的高度；所述葛萊碼道區(qū)間(112)內(nèi)具有M組沿周向排列的葛萊碼道，每一葛萊碼道均編碼該葛萊碼道在M組葛萊碼道中的排列次序m，并且各扇形區(qū)間(11)之間的葛萊碼道區(qū)間(112)具有相同編碼;所述CMOS圖像傳感器(2)配置為開窗模式并且每次僅采用一組葛萊碼道以及與該組葛萊碼道位于同一半徑連線上的位置標(biāo)定區(qū)間(111)的圖像信息，圖像信息經(jīng)解碼后獲得η和m的數(shù)據(jù)，最后通過公式(n-l)*(360/N)+m*(360/N)/M計算出當(dāng)前的角度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕對式光電編碼器編碼方法，其特征在于:圖像信息被CMOS圖像傳感器(2)采集后，圖像采集卡(4)將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，處理數(shù)據(jù)單元對圖像進行二值化處理獲得清晰圖像，最后通過比對圖像數(shù)據(jù)庫解碼出η和m的數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕對式光電編碼器編碼方法，其特征在于:當(dāng)CMOS圖像傳感器(2)同時采集到兩組相鄰的葛萊碼道時，采用圖像信息較多的一組。4.一種可實施如權(quán)利要求1所述的絕對式光電編碼器編碼方法的編碼器，其特征在于:包括有用于采集圖像信息的CMOS圖像傳感器(2)、光學(xué)放大系統(tǒng)(3)、編碼盤(I)、用于將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的圖像采集卡(4)、用于處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理單元(5);其中所述CMOS圖像傳感器(2)對準(zhǔn)編碼盤(I)，所述光學(xué)放大系統(tǒng)(3)包括照射編碼盤(I)的光源(31)以及設(shè)置于CMOS圖像傳感器(2)和編碼盤(I)之間用于放大編碼盤(I)圖像的透鏡(32)，所述CMOS圖像傳感器(2)、圖像采集卡(4)和數(shù)據(jù)處理單元(5)相互連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種編碼器，其特征在于:還包括用于補償CMOS圖像傳感器(2)的校正補償單元(6)，所述校正補償單元(6)與CMOS圖像傳感器(2)連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種編碼器，其特征在于:所述CMOS圖像傳感器(2)采用光柵型APS圖像傳感器;所述數(shù)據(jù)處理單元(5)采用STM32數(shù)據(jù)處理單元;所述圖像采集卡(4)采用FPGA圖像采集卡。
【文檔編號】G01D5/347GK106017520SQ201610459625
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】韓錦, 王晗, 劉強, 黃明輝, 李彬, 廖劍祥, 柴寧, 張芳健
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)