CN114885085B - 一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于控制技术领域，具体涉及一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法，所述定位方法基于调焦装置来实施，所述调焦装置包括：调焦控制单元、调焦执行机构、调焦位置反馈单元、限位反馈单元；与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：(1)基于该方法的直线运动调焦机构，相对于传统的凸轮调焦***，采用音圈电机，结构简单，响应速度快。能有效的保证寻零速度。(2)基于该方法的直线运动调焦机构，相对于传统的凸轮调焦***，采用磁栅尺和增量式编码器作为位置反馈装置代替传统的位置电位器和模数转换的测量***，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于控制技术领域，具体涉及一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法，尤其涉及一种高速摄像调焦***中在开机后基于磁栅尺的寻零精确定位方法。
背景技术
机载光电***吊舱是一种安装在运动载体上具有稳定平台并能为载机提供稳定图像输出的光电设备。它一般包含电视摄像机、红外热像仪、激光测距机等多种传感器、及控制计算机和伺服***等多个控制单元。电视摄像机用来对外界图像进行获取和观察。为***提供清晰的电视图像，用于白天对目标的观察、探测与识别。但对于高速运动目标，要想获取图像并清晰成像，必须采用高速摄影***，高速摄影***中的调焦机构具有快速响应、结构简单、无空回的特点。在目标全程运动过程中，调焦***根据距离信息的变化不断的进行调焦，使图像呈现清晰状态。调焦机构按照预先标定的曲线，将目标的距离值和调焦位置对应起来，然而要精确的标定位置，并且在目标运动的过程中保持图像稳定清晰的成像。精确的确定零位是关键。
现有的电视摄像机的调焦机构一般采用凸轮结构，由凸轮、从动件、机架三个基本构件组成，用位置电位器做为反馈***，通过控制板控制直流驱动电机执行调焦功能和调焦零位的确定，存在以下问题：
(1)空回大且不确定的问题，凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的的构件，由于加工精度的原因，销钉在凹槽运动过程中会带来空回，且在不同的位置所带来的空回大小也不一样。齿轮传动机构件多，作为整个调焦***的直流驱动电机，为了增大力矩，在电机后端会加一定齿轮比的减速箱，齿隙啮合依然会带了空回。很难消除空回对寻零精度带来的影响。
(2)精度低，作为位置反馈的电位器的精度较低，无法满足高速摄像***中对寻零精度高的要求。
(3)重复性差，现有的设计方案中采用限位开关或一个机械限位实现这些参考点，由于参考开关的行程和控制速度不一致会导致寻零位置重复性不好的问题。
(4)响应速度慢，整个***中齿轮传动较多，结构复杂，导致在运动过程中寻零响应速度慢。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种寻零精确定位方法，要求在高速摄像调焦***中具备响应速度快、精度高、结构简单等优点。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法，所述定位方法基于调焦装置来实施，所述调焦装置包括：调焦控制单元、调焦执行机构、调焦位置反馈单元、限位反馈单元；
所述调焦执行机构包括：装有调焦补偿镜片的调焦滑块、光杆、音圈电机、主镜筒；
所述调焦位置反馈单元包括：磁栅尺和读数头，其中，磁栅尺装在调焦滑块上，读数头固定在主镜筒上；
所述限位反馈单元包括两个霍尔开关和磁铁；
所述调焦控制单元分别连接霍尔开关、音圈电机和读数头；
所述音圈电机由磁体部分及中间的线圈部分两部分组成，磁体部分和主镜筒固连，线圈部分和调焦滑块固连；
其中，所述两个霍尔开关用作限位开关，为寻零控制提供参考位置；定义一端的霍尔开关为正向开关，也叫零位参考开关，另一端的霍尔开关为负向开关，两个霍尔开关设置为间隔一定距离，该距离用作调焦补偿镜片运动的极限位置，两个霍尔开关之间通过水平设置的光杆连接；在所述光杆上设置所述装有调焦补偿镜片的调焦滑块；所述磁铁及磁栅尺均安装在所述调焦滑块上；所述调焦滑块连接所述音圈电机中间可运动的线圈部分，受音圈电机驱动，可沿着光杆，在两个霍尔开关之间滑动；
在设置过程中，所述读数头的感应面与磁栅尺的长度方向平行；磁栅尺上相邻磁波的间隔距离一定，并在固定位置设置有零位磁波信息，当磁栅尺随调焦滑块运动过程中，读数头读取到磁栅尺上的零位磁波信息后，读数头将输出一个Z索引脉冲信号；
同时在运动过程中读数头读取磁栅尺上的等间隔磁波，并输出A相和B相两路相差90°的脉冲信号，A相脉冲信号、B相脉冲信号和Z索引脉冲信号输入到调焦控制单元，调焦控制单元采集到A相脉冲信号、B相脉冲信号后，通过计数的方法将其转化为数字量作为调焦控制的位置反馈量；
基于上述调焦装置，所述寻零精确定位方法包括如下步骤：
步骤1：调焦控制单元生成脉宽调制信号形式的第一驱动信号，控制音圈电机驱动装有调焦镜片的调焦滑块，沿着光杆，向一端的正向开关作直线运动；该过程中，调焦镜片进行调焦操作；
步骤2：调焦滑块在靠近正向开关的过程中，两者距离接近至一定程度时，调焦滑块上的磁铁与正向开关产生磁场效应，即正向开关感应到磁铁时，其输出信号状态发生变化，产生变化后的输出信号通过I/O口送给调焦控制单元；
步骤3：调焦控制单元读取I/O口检测到正向开关输出的变化后的输出信号时，生成脉宽调制信号形式的第二驱动信号，控制音圈电机驱动装有调焦镜片的调焦滑块，沿着光杆，反向向另一端的负向开关作直线运动；
步骤4：磁栅尺安装在调焦滑块上，随装有调焦镜片的调焦滑块沿光杆做直线运动的过程中，处于平行位置的读数头实时地读取磁栅尺上的磁波信息，读数头输出Z索引脉冲信号，当调焦控制单元采集到Z索引脉冲信号，控制装有调焦镜片的调焦滑块停止运动；
步骤5：调焦控制单元检测到读数头输出的Z索引脉冲信号的上升沿时，调焦控制单元将采集到A相脉冲信号、B相脉冲信号计数后的位置反馈量清0，此时调焦镜片所处的位置作为高速摄像调焦***的起始位置，即零位。
其中，所述读数头的感应面与磁栅尺之间的间隔距离不大于0.5mm。
其中，所述磁栅尺上相邻磁波的间隔距离为0.001mm。
其中，所述磁栅尺是磁栅数显***的基准元件；波长就是磁栅尺的长度计量单位。
其中，所述读数头为相对位置类型的读数头，其读取录制在磁栅尺上的等间隔磁波，对应相应的长度和位置，输出A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z索引脉冲信号送给调焦控制单元。
其中，所述A相脉冲信号、B相脉冲信号为方波信号，彼此相差四分之一信号周期长度。
其中，所述Z索引脉冲信号为索引脉冲，每相隔2mm可检测到一个Z索引脉冲信号。
其中，所述音圈电机为一种直线驱动电机，具有结构简单体积小、高速、高加速度、响应速度快的特性，为寻零控制提供动力。
其中，所述方法适用于高速摄像调焦***。
其中，所述方法能有效的保证寻零精度，确保在高速运动目标的调焦***中，能稳定、清晰的成像，且重复性好，调焦精度可达0.02mm，运动精度可达0.005mm。
(三)有益效果
本发明提出了一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其在高速摄像调焦***中具备响应速度快、精度高、结构简单等优点。
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)基于该方法的直线运动调焦机构，相对于传统的凸轮调焦***，采用音圈电机，结构简单，响应速度快。能有效的保证寻零速度。
(2)基于该方法的直线运动调焦机构，相对于传统的凸轮调焦***，采用磁栅尺和增量式编码器作为位置反馈装置代替传统的位置电位器和模数转换的测量***，测量精度高。
(3)基于该方法的直线运动调焦机构，相对于传统的凸轮调焦***，采用检测限位参考开关和增量式编码器输出的Z信号沿确定零位位置，重复性好。
(4)基于该方法的直线运动调焦机构，相对于传统的凸轮调焦***，由于结构简单，不存在齿轮传动，所以不会引入空回，能保证寻零的快速性。
本发明能有效的保证寻零精度，确保在高速运动目标的调焦***中，能稳定、清晰的成像，且重复性好，调焦精度可达0.02mm，运动精度可达0.005mm。而且控制程序逻辑简单，控制电路体积小。
附图说明
图1为调焦***控制组成图；
图2为调焦***寻零控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法，所述定位方法基于调焦装置来实施，如图1所示，所述调焦装置包括：调焦控制单元、调焦执行机构、调焦位置反馈单元、限位反馈单元；
所述调焦执行机构包括：装有调焦补偿镜片的调焦滑块、光杆、音圈电机、主镜筒；
所述调焦位置反馈单元包括：磁栅尺和读数头，其中，磁栅尺装在调焦滑块上，读数头固定在主镜筒上；
所述限位反馈单元包括两个霍尔开关和磁铁；
所述调焦控制单元分别连接霍尔开关、音圈电机和读数头；
所述音圈电机由磁体部分及中间的线圈部分两部分组成，磁体部分和主镜筒固连，线圈部分和调焦滑块固连；
其中，所述两个霍尔开关用作限位开关，为寻零控制提供参考位置；定义一端的霍尔开关为正向开关，也叫零位参考开关，另一端的霍尔开关为负向开关，两个霍尔开关设置为间隔一定距离，该距离用作调焦补偿镜片运动的极限位置，两个霍尔开关之间通过水平设置的光杆连接；在所述光杆上设置所述装有调焦补偿镜片的调焦滑块；所述磁铁及磁栅尺均安装在所述调焦滑块上；所述调焦滑块连接所述音圈电机中间可运动的线圈部分，受音圈电机驱动，可沿着光杆，在两个霍尔开关之间滑动；
在设置过程中，所述读数头的感应面与磁栅尺的长度方向平行；磁栅尺上相邻磁波的间隔距离一定，并在固定位置设置有零位磁波信息，当磁栅尺随调焦滑块运动过程中，读数头读取到磁栅尺上的零位磁波信息后，读数头将输出一个Z索引脉冲信号；
同时在运动过程中读数头读取磁栅尺上的等间隔磁波，并输出A相和B相两路相差90°的脉冲信号，A相脉冲信号、B相脉冲信号和Z索引脉冲信号输入到调焦控制单元，调焦控制单元采集到A相脉冲信号、B相脉冲信号后，通过计数的方法将其转化为数字量作为调焦控制的位置反馈量；
如图2所示，基于上述调焦装置，所述寻零精确定位方法包括如下步骤：
步骤1：调焦控制单元生成脉宽调制信号形式的第一驱动信号，控制音圈电机驱动装有调焦镜片的调焦滑块，沿着光杆，向一端的正向开关作直线运动；该过程中，调焦镜片进行调焦操作；
步骤2：调焦滑块在靠近正向开关的过程中，两者距离接近至一定程度时，调焦滑块上的磁铁与正向开关产生磁场效应，即正向开关感应到磁铁时，其输出信号状态发生变化，产生变化后的输出信号通过I/O口送给调焦控制单元；
步骤3：调焦控制单元读取I/O口检测到正向开关输出的变化后的输出信号时，生成脉宽调制信号形式的第二驱动信号，控制音圈电机驱动装有调焦镜片的调焦滑块，沿着光杆，反向向另一端的负向开关作直线运动；
步骤4：磁栅尺安装在调焦滑块上，随装有调焦镜片的调焦滑块沿光杆做直线运动的过程中，处于平行位置的读数头实时地读取磁栅尺上的磁波信息，读数头输出Z索引脉冲信号，当调焦控制单元采集到Z索引脉冲信号，控制装有调焦镜片的调焦滑块停止运动；
步骤5：调焦控制单元检测到读数头输出的Z索引脉冲信号的上升沿时，调焦控制单元将采集到A相脉冲信号、B相脉冲信号计数后的位置反馈量清0，此时调焦镜片所处的位置作为高速摄像调焦***的起始位置，即零位。
其中，所述读数头的感应面与磁栅尺之间的间隔距离不大于0.5mm。
其中，所述磁栅尺上相邻磁波的间隔距离为0.001mm。
其中，所述磁栅尺是磁栅数显***的基准元件；波长就是磁栅尺的长度计量单位。
其中，所述读数头为相对位置类型的读数头，其读取录制在磁栅尺上的等间隔磁波，对应相应的长度和位置，输出A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z索引脉冲信号送给调焦控制单元。
其中，所述A相脉冲信号、B相脉冲信号为方波信号，彼此相差四分之一信号周期长度。
其中，所述Z索引脉冲信号为索引脉冲，每相隔2mm可检测到一个Z索引脉冲信号。
其中，所述音圈电机为一种直线驱动电机，具有结构简单体积小、高速、高加速度、响应速度快的特性，为寻零控制提供动力。
其中，所述方法适用于高速摄像调焦***。
其中，所述方法能有效的保证寻零精度，确保在高速运动目标的调焦***中，能稳定、清晰的成像，且重复性好，调焦精度可达0.02mm，运动精度可达0.005mm。
实施例1
如图1所示，本实施例中基于磁栅尺的寻零精确控制装置包括，高帧频相机，音圈电机、磁栅尺、读数头，霍尔开关，调焦控制板，调焦镜头。
步骤1：基于单片机的控制处理单元控制音圈电机驱动装有调焦镜片的滑块向A1霍尔开关的方向做直线运动；
步骤2：当控制板通过I/O口检测到霍尔开关输出的信号由高变低时，控制调焦机构向另一个方向运动；
步骤3：读数头同时不停地读取录制在磁栅尺上的等间隔磁波，当控制板检测到读数头输出的第一个Z信号脉冲时，控制调焦机构停止运动；
步骤4：此时Z信号脉冲上升沿对应的位置作为调焦***的起始位置，即零位，***的标定曲线就以此位置作为参考点。
使用这种零位定位方法，参考开关的行程不确定或控制速度引入的误差都不会影响寻零精度，由读数头输出的Z信号边沿定义的零位位置非常准确，且本发明是一种基于磁栅尺的位置反馈，磁栅尺和读数头形成一个高精度的线性测量***，电视***有了一个高精度，高可靠性的寻零***，可有效保证调焦***在自动调焦过程中调焦的准确性和重复性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述定位方法基于调焦装置来实施，所述调焦装置包括：调焦控制单元、调焦执行机构、调焦位置反馈单元、限位反馈单元；
所述调焦执行机构包括：装有调焦补偿镜片的调焦滑块、光杆、音圈电机、主镜筒；
所述调焦位置反馈单元包括：磁栅尺和读数头，其中，磁栅尺装在调焦滑块上，读数头固定在主镜筒上；
所述限位反馈单元包括两个霍尔开关和磁铁；
所述调焦控制单元分别连接霍尔开关、音圈电机和读数头；
所述音圈电机由磁体部分及中间的线圈部分两部分组成，磁体部分和主镜筒固连，线圈部分和调焦滑块固连；
其中，所述两个霍尔开关用作限位开关，为寻零控制提供参考位置；定义一端的霍尔开关为正向开关，也叫零位参考开关，另一端的霍尔开关为负向开关，两个霍尔开关设置为间隔一定距离，该距离用作调焦补偿镜片运动的极限位置，两个霍尔开关之间通过水平设置的光杆连接；在所述光杆上设置所述装有调焦补偿镜片的调焦滑块；所述磁铁及磁栅尺均安装在所述调焦滑块上；所述调焦滑块连接所述音圈电机中间可运动的线圈部分，受音圈电机驱动，可沿着光杆，在两个霍尔开关之间滑动；
在设置过程中，所述读数头的感应面与磁栅尺的长度方向平行；磁栅尺上相邻磁波的间隔距离一定，并在固定位置设置有零位磁波信息，当磁栅尺随调焦滑块运动过程中，读数头读取到磁栅尺上的零位磁波信息后，读数头将输出一个Z索引脉冲信号；
同时在运动过程中读数头读取磁栅尺上的等间隔磁波，并输出A相和B相两路相差90°的脉冲信号，A相脉冲信号、B相脉冲信号和Z索引脉冲信号输入到调焦控制单元，调焦控制单元采集到A相脉冲信号、B相脉冲信号后，通过计数的方法将其转化为数字量作为调焦控制的位置反馈量；
基于上述调焦装置，所述寻零精确定位方法包括如下步骤：
步骤1：调焦控制单元生成脉宽调制信号形式的第一驱动信号，控制音圈电机驱动装有调焦镜片的调焦滑块，沿着光杆，向一端的正向开关作直线运动；该过程中，调焦镜片进行调焦操作；
步骤2：调焦滑块在靠近正向开关的过程中，两者距离接近至一定程度时，调焦滑块上的磁铁与正向开关产生磁场效应，即正向开关感应到磁铁时，其输出信号状态发生变化，产生变化后的输出信号通过I/O口送给调焦控制单元；
步骤3：调焦控制单元读取I/O口检测到正向开关输出的变化后的输出信号时，生成脉宽调制信号形式的第二驱动信号，控制音圈电机驱动装有调焦镜片的调焦滑块，沿着光杆，反向向另一端的负向开关作直线运动；
步骤4：磁栅尺安装在调焦滑块上，随装有调焦镜片的调焦滑块沿光杆做直线运动的过程中，处于平行位置的读数头实时地读取磁栅尺上的磁波信息，读数头输出Z索引脉冲信号，当调焦控制单元采集到Z索引脉冲信号，控制装有调焦镜片的调焦滑块停止运动；
步骤5：调焦控制单元检测到读数头输出的Z索引脉冲信号的上升沿时，调焦控制单元将采集到A相脉冲信号、B相脉冲信号计数后的位置反馈量清0，此时调焦镜片所处的位置作为高速摄像调焦***的起始位置，即零位。
2.如权利要求1所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述读数头的感应面与磁栅尺之间的间隔距离不大于0.5mm。
3.如权利要求1所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述磁栅尺上相邻磁波的间隔距离为0.001mm。
4.如权利要求1所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述磁栅尺是磁栅数显***的基准元件；波长就是磁栅尺的长度计量单位。
5.如权利要求1所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述读数头为相对位置类型的读数头，其读取录制在磁栅尺上的等间隔磁波，对应相应的长度和位置，输出A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z索引脉冲信号送给调焦控制单元。
6.如权利要求5所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述A相脉冲信号、B相脉冲信号为方波信号，彼此相差四分之一信号周期长度。
7.如权利要求5所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述Z索引脉冲信号为索引脉冲，每相隔2mm可检测到一个Z索引脉冲信号。
8.如权利要求1所述的基于磁栅尺的寻零精确定位方法，其特征在于，所述方法适用于高速摄像调焦***。
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