CN102322882A

CN102322882A - 基于阵列探测器的绝对轴角编码***

Info

Publication number: CN102322882A
Application number: CN201110149465A
Authority: CN
Inventors: 谈颖皓; 袁波; 孟子博
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种基于阵列探测器的绝对轴角编码***。包括光源，转轴，编码盘，物镜，阵列探测器和数据处理电路；转轴中安装编码盘，光源置于编码盘的一侧，编码盘的另一侧依次设有成像物镜和阵列探测器，编码盘、成像物镜和阵列探测器三者安装需要满足物象位置关系，阵列探测器获取放大后的编码盘局部图像信息后，传到数据处理电路，数据处理电路对图像信息分析处理后，输出角度信息。编码盘采用单圈绝对式的编码方式，减少码道，缩小编码盘尺寸；采用阵列探测器作为接收元件，满足响应频率高的要求；采用硬件电路作为数据处理单元，具有实时性好，响应速度快，体积小等特点。加入成像物镜，用于放大编码盘局部图像，提高***分辨率。

Description

基于阵列探测器的绝对轴角编码***

技术领域

本发明涉及一种精密角度测量***，尤其是涉及一种基于阵列探测器的绝对轴角编码***。

背景技术

根据编码方式的不同，传统的轴角编码器可以分为增量式和绝对式两种，增量式编码器的优点是响应速度快，结构简单，尺寸小，其缺点是受环境影响大，掉电后容易造成数据损失，而且有误差累积。与增量式编码器相比，绝对式轴角编码器具有抗干扰能力强，掉电后无须重新标定，无累积误差等优点。

目前，世界上研制开发轴角编码器的公司和研究机构很多，主要有德国Heidenhain公司，Opton公司等；日本的Tamagawa公司、尼康公司、佳能公司等；美国的Itek公司，Renco公司等，以及英国、瑞士和俄罗斯等国家的研究机构和厂家。美国NASA的Goddard宇航中心为车辆Cartesian坐标研制的27位超高分辨率的绝对式轴角编码器，它采用了全新的编码方式和图像识别技术，满足航天技术的需要。我国的编码器研究大概起步于上个世纪六十年代，中科院长春光机所于1964年研制了第一块编码盘和圆光栅，并成功应用于光电经纬仪和测量雷达上，随后，多家科研单位也先后进行了光电编码器的开发和研究，并取得了一定成果，80年代末，成都光机所研制出26位绝对式轴角编码器＜±10″；2001年，长春光机所研制出15位超小型绝对式光电编码器，直径为40mm。

对于目前已有的绝对式轴角编码器而言，分辨率与***尺寸之间存在着矛盾，高分辨率的编码器往往***尺寸较大，而小型化的编码器往往角分辨率不高，另外，响应频率不高也是现有的轴角编码器存在的一大问题。

实用新型专利“绝对位置轴角编码器”(专利申请号：200620115789.6)中所述的绝对轴角编码器，与本发明有相似之处，下面介绍其主要特点：

1、所提出的***，利用线阵CCD采集码盘局部信息，进而利用电子细分技术，提高角分辨率，在一定程度上克服了编码器尺寸与角分辨率之间的矛盾。

2、所提出的***，为了缩小码盘的同时提高粗码分辨率，在衍射极限范围内，需要缩小编码盘刻线的尺寸，由于阵列探测器像元的大小存在极限最小尺寸，编码盘刻线的尺寸过小不利于电子细分获取细码，故提高粗码分辨率和提高细码分辨率之间存在矛盾，也就是在缩小编码器尺寸的同时提高分辨率这方面仍然存在一定问题。

3、所提出的编码盘，采用的伪随机编码方式，为了进行电子细分，其阵列CCD所成编码盘局部图像需要包含至少

组完整编码，其中N为码道的等分数，n组完整编码对应的码道宽度为

为了提高粗码分辨率，需要增大N，而N越大，

越大，细分能够提高的分辨率越小，这形成一对矛盾。

4、所提出的编码盘，采用伪随机编码方式编码，从图像信息中解码角度信息较为复杂。

随着国防、自动化等行业和领域的发展，对轴角编码器的小型化、智能化、集成化的要求越来越高，制约轴角编码器发展的因素有很多，其中编码方式和探测器是两个关键因素，改变传统的编码方法，研制出有利于电子细分的小尺寸码盘是促进轴角编码器发展的重要途径，对于探测器的要求，一方面要配合编码盘，能够有效分辨编码盘的局部图像，便于电子细分，另外一方面要求实时性好，即响应频率高，这样能更有利于实时处理。缩小***尺寸，提高分辨率、减小响应时间，这是光电轴角编码器的发展趋势。

发明内容

为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于阵列探测器的绝对轴角编码***。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明包括光源，转轴，编码盘，物镜，阵列探测器和数据处理电路；转轴中安装编码盘，光源置于编码盘的一侧，编码盘的另一侧依次设有成像物镜和阵列探测器，编码盘、成像物镜和阵列探测器三者安装需要满足物象位置关系，阵列探测器获取放大后的编码盘局部图像信息后，传到数据处理电路，数据处理电路对图像信息分析处理后，输出角度信息。

所述的编码盘，以二进制码为基础，用透光和遮光的窗口分别代表二进制码中的“1和“0”，其编码方式采用单圈绝对式编码，整个码盘只有一圈码道，沿圆周方向等分成2ⁿ个区域，即2ⁿ组编码。每组编码的角宽度为

它由n位编码刻线和1位分隔刻线组成。分隔刻线是角宽度为θ₁的透光窗口，它作为标志，用来区分相邻两组编码，分隔刻线与左右两边的编码刻线均相距角宽度为θ₂的角间隔，编码刻线由n个窗口组成，每个窗口有两种可能的状态：透光和遮光，分别代表二进制“1”和“0”，每个窗口的角宽度为θ₃，整个码道2ⁿ组编码刻线采用n位自然二进制码进行编码。每组编码的角度关系满足

θ₁、θ₂和θ₃三者均不相等。

所述的数据处理电路包括阵列探测器控制模块，数据接收模块，解粗码模块，解细码模块，获取角度信息模块和数据输出模块；用于输出控制信号的阵列探测器控制模块和用于接收阵列探测器数据的数据接收模块两者分别与阵列探测器相连接，数据接收模块分别经过解粗码模块和解细码模块后与获取角度信息模块相连接，获取角度信息模块与数据输出模块相连接。

本发明具有的有益效果是：

1、采用一种单圈绝对式的编码方式，它能够达到减少码道，缩小编码盘尺寸的目的。

2、采用阵列探测器作为接收元件，一方面，能够对所接收的粗码信息进行细分，另外一方面，其响应频率较高，可很好的满足响应频率高的要求。

3、采用硬件电路作为数据处理单元，它具有实时性好，响应速度快，体积小等特点。

4、在编码盘与阵列探测器之间加入一个成像物镜，用于放大编码盘局部图像，一方面在相同***尺寸情况下，可有效提高***分辨率，另外一方面，解决了提高粗码分辨率和提高细码分辨率之间的矛盾。

附图说明

图1是本发明的总体结构原理示意图；

图2是编码盘整体示意图；

图3是编码盘局部放大示意图；

图4是编码盘局部尺寸；

图5是细分码的读取原理；

图6是数据处理电路框图。

图中：1、光源，2、转轴，3、编码盘，31、每组编码，32、分隔刻线，33、n位编码刻线，34、角间隔，35、像素标尺，36、参考线，4、物镜，5、阵列探测器，6、数据处理电路，61、阵列探测器控制模块，62、数据接收模块，63、解粗码模块，64、解细码模块，65、获取角度信息模块，66、数据输出模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明包括光源1，转轴2，编码盘3，物镜4，阵列探测器5和数据处理电路6；转轴2中安装编码盘3，光源1置于编码盘3的一侧，编码盘3的另一侧依次设有成像物镜4和阵列探测器5，编码盘3、成像物镜4和阵列探测器5三者安装需要满足物象位置关系，阵列探测器5获取放大后的编码盘局部图像信息后，传到数据处理电路6，数据处理电路6对图像信息分析处理后，输出角度信息。

光源1选用LED作为照明光源，对编码盘3的局部进行照明，确保编码盘3清晰成像于阵列探测器5上，编码盘3采用单圈绝对式编码方式进行编码，成像物镜4位于阵列探测器5和编码盘3之间，它的作用是放大编码盘图像，使阵列探测器5能够接收到合适的编码盘3图像，保证后续译码的准确性。数据处理电路6接收到图像信息，然后对其进行解码，最终由U S B接口输出角度结果。下面就本***中的几个重要部分做进一步的详细介绍。

一、编码盘

如图2、图3、图4所示，整个码盘只有一圈码道，沿圆周方向等分成128个区域，即128组编码，每组编码31的角宽度为168′45″，由7位的编码刻线33和1位分隔刻线32组成，分隔刻线32是角宽度为8′的透光窗口，它用来区分相邻两个编码，分隔刻线32与左右两边的编码刻线33均相距角宽度为20′的角间隔34，编码刻线33由7个窗口组成，每个窗口有两种可能的状态：透光和遮光，分别代表二进制“1”和“0”，每个窗口的角宽度为17′15″，128组7位编码刻线采用自然二进制码进行编码。

二、测角原理

编码盘3通过物镜4放大，将其局部图像成像在阵列探测器5上，为保证至少有两个分隔刻线出现在阵列探测器中，同时又有利于后续的像素细分，选定大小为两个区域(整个圆周被分为128个区域)成像在探测器上。

首先，从阵列探测器5所获取的信息，进行A/D转换获得二值化数据。

然后根据分隔线与编码刻线的线宽不同找出两个相邻的分隔刻线32，然后得到两相邻分隔刻线之间的7位编码数据33，即可获得角度的绝对信息的粗码，假设所获得的自然二进制码所对应的十进制值为N，则粗码读数为

如图5所示，细码的获取方式如下，假设检出的两相邻分隔线在阵列探测器上覆盖了m个像素，分别按0，1，2，……，m-1编号，如果检测线36所在位置的像素序号为m′，那么细分码的读数为

从而，最终的测量角度可表示为：

三、数据处理电路

数据处理电路6选用Altera公司EP2C5T144型号FPGA作为主控处理芯片，实现数据采集和数据处理功能。硬件***的基本框架如下：

如图6所示，所述的数据处理电路6包括阵列探测器控制模块61，数据接收模块62，解粗码模块63，解细码模块64，获取角度信息模块65和数据输出模块66；用于输出控制信号的阵列探测器控制模块61和用于接收阵列探测器数据的数据接收模块62两者分别与阵列探测器5相连接，数据接收模块62分别经过解粗码模块63和解细码模块64后与获取角度信息模块65相连接，获取角度信息模块65与数据输出模块66相连接。

硬件***采用可编程逻辑器件FPGA作为主要芯片，根据阵列探测器5要求，FPGA的阵列探测器控制模块61产生控制信号，驱动阵列探测器5工作，阵列探测器5所采集到的编码盘3局部放大图像信息被FPGA的数据接收模块62接收，根据权利要求2所述的编码盘3特点，FPGA对接收到的数据分别通过解粗码模块63和解细码模块64进行解码，两者所得结果相结合通过获取角度信息模块65计算出角度结果，通过数据输出模块66可输出角度结果。

Claims

1.一种基于阵列探测器的绝对轴角编码***，其特征在于：包括光源(1)，转轴(2)，编码盘(3)，物镜(4)，阵列探测器(5)和数据处理电路(6)；转轴(2)中安装编码盘(3)，光源(1)置于编码盘(3)的一侧，编码盘(3)的另一侧依次设有成像物镜(4)和阵列探测器(5)，编码盘(3)、成像物镜(4)和阵列探测器(5)三者安装需要满足物象位置关系，阵列探测器(5)获取放大后的编码盘局部图像信息后，传到数据处理电路(6)，数据处理电路(6)对图像信息分析处理后，输出角度信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列探测器的绝对轴角编码***，其特征在于：所述的编码盘(3)，以二进制码为基础，用透光和遮光的窗口分别代表二进制码中的“1和“0”，其编码方式采用单圈绝对式编码，整个码盘只有一圈码道，沿圆周方向等分成2ⁿ个区域，即2ⁿ组编码。每组编码(31)的角宽度为

它由n位编码刻线(33)和1位分隔刻线(32)组成。分隔刻线(32)是角宽度为θ₁的透光窗口，它作为标志，用来区分相邻两组编码，分隔刻线(32)与左右两边的编码刻线(33)均相距角宽度为θ₂的角间隔(34)，编码刻线(33)由n个窗口组成，每个窗口有两种可能的状态：透光和遮光，分别代表二进制“1”和“0”，每个窗口的角宽度为θ₃，整个码道2ⁿ组编码刻线(33)采用n位自然二进制码进行编码。每组编码的角度关系满足

θ₁、θ₂和θ₃三者均不相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于阵列探测器的绝对轴角编码***，其特征在于：所述的数据处理电路(6)包括阵列探测器控制模块(61)，数据接收模块(62)，解粗码模块(63)，解细码模块(64)，获取角度信息模块(65)和数据输出模块(66)；用于输出控制信号的阵列探测器控制模块(61)和用于接收阵列探测器数据的数据接收模块(62)两者分别与阵列探测器(5)相连接，数据接收模块(62)分别经过解粗码模块(63)和解细码模块(64)后与获取角度信息模块(65)相连接，获取角度信息模块(65)与数据输出模块(66)相连接。