TW201346225A - 位置判定方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

藉由感測訊號來判定位置，該訊號係對應至刻度尺上的標記的非週期序列中的標記的子序列。藉由將該子序列匹配於該非週期序列的所有可能子序列來判定粗略位置PA。偵測對應至該訊號的上升邊緣的零交叉與對應至該訊號的下降邊緣的零交叉。使用該零交叉來判定增量位置Pi。計算該粗略位置與增量位置的總和以獲得該位置。

Description

位置判定方法及裝置
本發明係大致關於位置測量設備，且尤指以絕對編碼器(absolute encoder)測量位置。
位置估計在工業自動化與相似的應用上是重要的任務。例如數值控制(CNC)機器、鑽頭(drill bit)、機械手臂(robot arm)或雷射切割器及組裝線的設備係需要位置測量。通常將回饋控制用於精確位置測量。需要以高取樣速率判定位置以實現精確回饋控制。
典型上係使用光學編碼器以測量增量或相對位置。具有規律間隔標記(regularly spaced mark)的刻度尺(scale)係連同包含感測器的讀取頭來使用，以估計在該等標記之間的相對位置。增量線性編碼器僅可在該刻度尺的週期內測量該相對位置。相對位置編碼器係感測所橫越的許多刻度尺週期以判定絕對位置。
絕對位置編碼器可直接判定絕對位置。因為絕對位置編碼器不需要用以儲存現在位置的記憶體與電力，所以選擇絕對位置編碼器為較佳方式。此外，絕對編 碼器提供開始時的絕對位置，而相對位置編碼器通常需要定位起始點以判定開始時的現在位置，這將耗時且可能無法用於一些應用上。
已知有許多線性編碼器。最簡單形式的相對線性編碼器可藉由光學偵測在該刻度尺上平行該讀取頭地固定的標記來測量線性位置。然而，該相對位置的解析度是被該刻度尺上的標記的解析度所限制。舉例來說，具有40微米解析度的刻度尺不能獲得0.5微米的解析度。
在習知的絕對編碼器中，對每個位置使用代表()1與0位元之編碼(code)的獨特標記圖案。以一個刻度尺的情況下，當感測的編碼中的位元圖案改變時，判定位置改變。在此情況下，位置估計的解析度係與刻度尺上的圖案的解析度相同，並且可能是不足的。
為了改善解析度，有一種方法是使用在偵測方向上與包含不透明與透明標記的週期刻度尺圖案對齊的多個刻度尺。從一側照亮該等刻度尺，且光二極體感測穿過該等刻度尺至另一側的光。隨著該等刻度尺相對彼此與該讀取頭而移動，該光二極體上的訊號在最大值與最小值之間變化。解調(demodulation)程序可接著判定該訊號的相位θ，其轉換成相對位置估計。可以高於該刻度尺的解析度來恢復該相對位置。在一些編碼器中，可以該讀取頭內的光柵(grating)取代該等刻度尺之一者。
然而，此種編碼器僅提供相對位置。對於絕對位置定位，線性編碼器需要額外刻度尺，其增加系統 的成本。此種混合編碼器使用個別的刻度尺來推論增量與絕對位置。在此種設計中，讀取頭的偏搖(yawing)可能導致錯誤。此外，此種編碼器需要二個讀取頭，一個用來感測增量位置，另一個用來感測絕對位置。
線性編碼器的讀取頭中的少量光二極體需要已感測訊號的精確的輻射校準(radiometric calibration)。該訊號中的非線性經常在相位估計期間導致偏置(bias)與細分(subdivision)漣波(ripple)錯誤。
一個絕對線性編碼器使用一個刻度尺與單一讀取頭。對於讀取增量與絕對位置有二個個別機制。使用濾波讀取頭技術來獲得增量位置，該技術係利用讀取頭內的光柵，其係用以產生在光二極體陣列中所感測到的干涉條紋(fringe)。使用不同機制來感測絕對位置，該機制係使用成像透鏡與偵測器(即線性影像感測器)。
為了減低絕對線性編碼器的成本，一些系統使用具有單一感測機制的僅有的一個刻度尺與僅有的一個讀取頭。在相關應用中有描述此一系統。該系統避開用以讀取增量與絕對位置的二個感測機制。對於即時實行而言，需要快的程序以從已感測資料解碼該位置。該相關應用描述用以測量位置的系統與方法，其係使用基於使用基本絕對碼而產生的已感測訊號與參考訊號的相關性(correlation)的程序。那需要產生每個位置的參考訊號。然而，以相關性為基礎的程序是慢的，且不能以現成低成本數位訊號處理器(DSP)達到數KHz的速率。
一些程序將來自相對光學編碼器的正弦或餘弦訊號***至高解析度位置訊號中。然而，那些程序僅能在以正弦或餘弦訊號為基礎的相對編碼器上運作，而不可直接應用至已感測訊號是非週期性的絕對編碼器。
可使用特別設計的硬體，(例如現場可程式化閘陣列(field programmable gate array，FPGA)與特定應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)，)來從已感測訊號判定位置資訊，然而，會增加成本。
期望只使用現成的DSP。因此，需要可以高速度產生高精確位置資訊且可在現成的數位DSP上實現的方法。
本發明的實施例提供用以判定用於絕對單軌編碼器的高精準位置估計的方法。該方法的高精準係達到1微米內的絕對準確度。該方法的高速度係使用習知數位訊號處理器(DSP)達到若干KHz的速率。
100‧‧‧刻度尺
101‧‧‧反射
102‧‧‧非反射
103、301‧‧‧de Bruijn序列
110‧‧‧讀取頭
111‧‧‧感測器
112‧‧‧光源
115‧‧‧數位訊號處理器
120‧‧‧高解析度位置
201、502‧‧‧訊號
202‧‧‧已解碼序列
300‧‧‧起點
501‧‧‧參考零交叉距離D
701、801‧‧‧直線
702、802‧‧‧零交叉z
第1圖係根據本發明的實施例的刻度尺的示意圖；第2圖係使用第1圖的刻度尺的已感測訊號與編碼的示意圖；第3圖係根據本發明的實施例將位元序列的解碼以獲得位置的示意圖；第4圖(A)及(B)係顯示理想的相對與絕對波形； 第5圖係根據本發明的實施例所偵測之零交叉點的示意圖；第6圖係在每二個零交叉之間的位元數量的示意圖；第7圖係根據本發明的實施例將線相稱於波形的上升與下降邊緣的示意圖；以及第8圖係根據本發明的實施例將線相稱於波形的上升與下降邊緣的示意圖。
本發明的實施例提供用以判定用於絕對單一軌線性編碼器的高精確位置估計的方法。
絕對刻度尺
第1圖顯示用於本發明的一個實施例的絕對編碼器的刻度尺100。刻度尺的細節係描述在相關第13/100092號美國專利申請案，其係在此併入作為參考。使用該刻度尺以判定高解析度位置P=PA+Pi 120。
該刻度尺可包含交替的光反射101與非反射102標記。各標記是B微米寬，也是其刻度尺解析度。
各標記的寬度B是一半的間距。在一個實施例中，B是20微米。讀取頭110係安裝在平行於該刻度尺一些距離之處。該讀取頭包含感測器111、(LED)光源112與視需要的透鏡。該感測器可為N個感測器的偵測器陣列，N例如為2048。該陣列可為互補式金氧半導體(CMOS)或電荷耦合元件(CCD)。該讀取頭也包含連接至感測器的習知數位訊號處理器115。
該標記也可依據光源相對於該讀取頭的相對位置而在不透明與透明之間交替。
為了在刻度尺上達到100%資訊密度，使用位元序列(bit sequence)。每個子序列具有有限長度且是唯一的，例如de Bruijn序列103。階層(order)n的k元(k-ary)de Bruijn序列B(k,n)係具有尺寸k的給定字母(alphabet)的週期序列，其中，該字母中的長度n的每個可能子序列係顯露如同恰好一次的連續字元(character)的序列。如果各B(k,n)具有長度kn，則有(k！k(n-1))/kn個相異的de Bruijn序列B(k,n)。當從前方或後方截斷該序列時，所產生的序列也有具有相同n的獨特特性。
對於半間距B=20微米的具有一公尺長的刻度尺而言，需要50000位元長的序列。也可使用具有16階層的長度216=65536的較長序列。可從前方或後方截斷此序列以獲得50000位元序列。應注意的是，可使用具有非重複子序列的任何非週期性序列。
該偵測器陣列需要用以使解碼成為可能的至少n位元的視野(field of view；FOV)。對於半間距B=20微米並且使用階層16的de Bruijn序列係需要該FOV在該刻度尺上是16x20=320微米。在一個實施例中，該視野係設計成1至2毫米以具有所需精確度。
對於Nyquist取樣，該序列的各位元(即該刻度尺的各半間距)映射(map)至該線性偵測器陣列中的至少二個像素。這需要至少16x2=32像素，這遠低於習知感測 器中的像素數量。為了處理光像差(aberration)(例如散焦模糊(defocus blur))，可增加每半間距的像素的數量。
在範例刻度尺上的標記係以線性配置。在該刻度尺上的標記也可能是其他組構，例如圓、橢圓、蜿蜒(serpentine)者等。唯一需求是針對特定編碼或非週期序列連續配置標記。
第2圖顯示1位元(半間距)以內的已感測的訊號201與對應的已解碼序列202。可使用長度2n的查找表(look-up table)以在整個de Bruijn序列內判定位置已解碼序列。
第3圖顯示de Bruijn序列301、解碼序列、匹配查找表的編碼結果、及對應該序列中的一位元的粗略位置PA310。該查找表儲存非週期序列的所有可能子序列、及它們從刻度尺的起點300的距離PA。
為了處理位元錯誤，可將編碼方案(例如Manchester編碼)應用至該de Bruijn序列。這會使用以解碼的所需位元加倍。在其他實施例中，可將該de Bruijn序列設計成用較小查找表實現快速位置解碼。
在一些應用中，位置的已恢復解析度應該實質高於半間距刻度尺解析度B。舉例來說，精確需求可能為0.5微米，其小於B(20微米)40倍。因此，我們需要可解析該刻度尺上的各標記內的位置的超解析度方法。此稱為高精確(細微)定位。
重要的是，可以任何刻度尺圖案(例如絕對 刻度尺)實現高精確定位。這使得該編碼器能夠在各種應用中是有用的。
方法描述
給定具有N像素的1D感測器，取得刻度尺的1D代表訊號。對應至該刻度尺上的各黑或白標記的像素區的長度是F，其中，F視需要地取決於透鏡倍率。每半間距的頻率或像素是F。
理想上，刻度尺的反射(或透明)區的強度(振幅)是大的，例如對於8像素感測器是255階灰階的200，且該刻度尺的非反射區的強度是小的，例如灰階為零。
如第4(A)圖所理想地顯示者，對應至感測器處的方波的相對刻度尺的訊號對於F像素是高的，然後對於F像素是低的等等。
如第4(B)圖所示，針對絕對刻度尺，已感測訊號對於某些整數倍數的F是高的、對於某些整數倍數的F是低的，諸如此類。該整數倍數取決於基本絕對編碼、或對於相對刻度尺總是1。
在實踐上，許多因素導致刻度尺影像的偏差。這些包含但不限於：(a)感測器的隨機雜訊；(b)伽瑪(gamma)與其他非線性；(c)該感測器的固定圖案雜訊；(d)光散焦；(e)對於該感測器的刻度尺定位的相對角錯誤； (f)由於熱所致的刻度尺放大；(g)由於該刻度尺與感測器之間的相對移動所致的移動模糊；以及(h)由於透鏡所致的光扭曲(distortion)。
對於精確定位而言，重要的是本方法對於這些因素有彈性。
使用增量刻度尺來定位估計的一個已知方法係基於使用解調(demodulation)技術(例如反正切(arctangent)方法)的訊號的相位θ估計。已感測訊號係乘以相同頻率的正弦波與餘弦波。結果是低通濾波與平均化。然後，使用二數值的比例的反正切以判定已感測訊號的相 位。可根據來使用刻度尺解析度B以將該相位轉換 成位置。
然而，那方法僅在增量(週期)刻度尺上可行，而不可應用至使用非週期序列的絕對刻度尺。相較於週期序列，該非週期序列修改相位，並在額外頻率處引入訊號。這導致錯誤。
因此，需要能夠用於具有非週期Bruijn序列的絕對刻度尺的高精確定位方法。
用於絕對刻度尺的相位清晰度(definition)
對於絕對刻度尺，可使用相對於該訊號502之起始的訊號的參考零交叉距離D 501來定義相位，如第5圖所示。該增量相位，且該增量位置Pi是
藉由匹配基本編碼序列與已知非週期序列來獲得粗略位置PA。可使用預定查找表來獲得粗略位置。最終絕對位置P是粗略位置PA與增量位置Pi的總和，P=(PA+Pi)。
為了估計絕對位置，我們從已感測1D訊號S估計D、F與基本序列。
零交叉的偵測
可將S減去閾值m且所產生訊號的零交叉係對應至原始刻度尺中的邊緣。可預定該閾值，例如對於灰階的128、或從已感測訊號S估計，例如S的平均灰值(gray value)。該閾值可為固定或與相位和頻率一起細分。如同習知邊緣偵測技術，在偵測零交叉之前可濾波訊號以減低雜訊的影響。
首先，我們描述一般情況，其中，m是從訊號S獲得且是與D和F一起細分成較高解析度。
從訊號S估計m的初始值。因為訊號S的增益(gain)是未知的，故例如128的預定值是不正確的。因此，m的初始值係選擇為訊號S的平均強度(振幅) 其中，N是訊號S的取樣數量。
上升邊緣的偵測
判定像素強度以使得訊號值S小於用於目前像素的m，且大於用於下一像素的m。令p為一像素使得S(p)<m，且S(p+1)>m。
之後，像素p對應至訊號的上升邊緣。
如第7圖所示，直線701係與上升邊緣適配，且判定該線的斜率a與截距(intercept)b。第一零交叉z 702係對應至該直線上的m的強度的空間位置，z=a×m+b
斜率a與截距b分別是 在子像素解析度處使用上述方程式來判定z。
下降邊緣的偵測
如第8圖所示，藉由定位像素來判定針對下降邊緣的零交叉，使得訊號值大於用於目前像素的m，且小於用於下一像素的m。令p為一像素使得S(p)>m，且S(p+1)<m。
像素p對應至訊號的下降邊緣。
使用該二像素值S(p)與S(p+1)，直線801係適配於該下降邊緣，且判定該線的斜率a與截距b。零交叉z 802係對應至該直線上的m的強度值的空間位置，z=a×m+b。
下降邊緣的斜率a與截距b與上述相同。
如果有K零交叉，則z(i)代表第i個零交叉。同樣地，a(i)與b(i)代表第i個零交叉的斜率與截距z(i)=a(i)×m+b(i)，i=1至K。
令dz(i)=z(i+1)-z(i)(i=1至K-1)成為後續零交叉的差距。使用零交叉的差距，藉由dz(i)的最小值來給定F的粗略值。同樣地，獲得如第一零交叉的D的粗略值，第一零交叉D=z(1)=a(1)m+b(1)。
D、F與m的接點細分(joint refinement)
在估計D與F的粗略值之後，使用來自所有零交叉的資訊以細分該粗略值為較高解析度。
相位θ係取決於第一零交叉D的位置。進行D、F與m的接點估計以細分這些變數的值。此估計係利用在連續零交叉dz(i)之間的差距是F的整數倍數的概念dz(i)=k(i)F，其中，k(i)是整數。
對於相對刻度尺，因為各零交叉在每個F像素後發生，所以k(i)總是1。然而，對於絕對刻度尺，k(i)的值取決於非週期序列，且如第6圖所示地隨讀取頭的每個位置而改變。在每二個零交叉之間的位元的數量是以k(i)來代表。
為了執行D、F與m的接點細分，k(i)係使用F與零交叉的粗略值來判定
形成線性系統以細分D、F與m。理想上，各零交叉係遠離該第一零交叉D的F的整數倍數。
可以D、F與m將各零交叉寫成
由於，在第i個與第一零交叉之間的位元 數量是c(i)。因此，第i零交叉係從該第一零交叉起的F的c(i)倍z(i)=D+Fc(i)。
以a(i)與b(i)來表示z(i)，我們得到a(i)m+b(i)=D+Fc(i)，以及D+Fc(i)-a(i)m=b(i)。
寫下針對所有K零交叉的上述方程式，我們可得到三線性系統的K
解答該線性系統係提供D、F與m的已細分值。可使用習知技術來解答該線性系統。
使用D與F的已細分值，可判定增量位置Pi。序列k(i)提供目前訊號中的基本編碼，且可被使用來使用該非週期序列的查找表以判定絕對位置PA。該最終位置P是PA+Pi。
變量(variation)
本方法可反覆零交叉偵測的步驟，並解答該線性系統。已細分的m可再判定相稱線的零交叉、斜率a(i)與截距b(i)，然後是D、F與m的細分等。
不將m初始化成訊號S的平均值，可藉由分別平均高強度像素與低強度像素來判定m，接著取其平均。使用訊號S來判定m的任何其他方式係在本發明的範疇內。
可使用其他邊緣偵測方法(例如索貝爾運算子(Sobel operator)、坎尼運算子(Canny operator)或任何其他邊緣偵測方法)來判定訊號的零交叉，而不需要判定m。可藉由二線性系統求解出K來使用已判定零交叉以細分D與F
在此案例中，只細分D與F。
雖然上述實施例描述將D、F與m細分成較高解析度，但是另一實施例將m固定在初始值，且只細分D與F。在此情況中，使用初始值m的a(i)m+b(i)來判定零交叉z(i)。D、F的細分需要二線性系統求解出K，如前所述。當m的初始值足夠或期望較少計算時，這是有用的。
在上述實施例中，定義相對該第一零交叉的相位。然而，可相對任何零交叉定義相位。具體來說，可使用最接近訊號中心的零交叉來描述該相位並解答該線性系統。一般來說，用來定義相位的零交叉可隨各個新位置而改變。
在一些情況中，可相對該讀取頭而旋轉刻度尺的平面。在此種情況中，從該刻度尺感測到的訊號可具有從該感測器之一端至另一端的均勻或非均勻刻度因數。可藉由適當補償已判定的零交叉來將此刻度因數併入至上述方法中。
光扭曲(例如由於透鏡所致的徑向扭曲)導致零交叉的移位。可藉由校準步驟來處理此種扭曲，其中，在解答該線性系統之前適當移位已估計零交叉以補償徑向扭曲。
也可藉由擴大線性系統來處理光扭曲以具有額外參數。舉例來說，可擴大該方程式以具有取決於c(i)的平方的項a(i)m+b(i)=D+Fc(i)+α1c(i)2+α2c(i)3。
使用此方程式，可構成具有五變數(m、D、 F、α1與α2)的線性系統。參數α1與α2做為來自初始線性模型的零交叉的偏差的模型且可在已擷取影像中處理光扭曲。可依據特定應用來增加取決於c(i)或a(i)的次方的額外參數。
刻度尺的熱膨脹導致每半間距F的像素的改變。橫越視野的變化擴展係依據膨脹係數來移位零交叉。在校準期間可判定零交叉中的移位。在運轉時間期間，在解答線性系統前可適當移位零交叉以做為補償。
應該瞭解的是，其他實際感測問題可藉由上述方法的適當修改來處理，且是在本發明範疇之內。舉例來說，訊號中的其他非線性可導致零交叉移位，且可適當地補償。
本發明的實施例也應用至相對刻度尺以獲得增量位置Pi。在相對編碼器的情況中，可使用該方法以獲得Pi且可使用其他已知方法(例如使用第二個刻度尺)來獲得粗略位置PA。
本發明也可應用至單軌旋轉編碼器。如果使用非週期de Bruijn序列，則可使用其他組構的刻度尺，例如圓形、蜿蜒或符合待判定位置的其他任意形狀。
本發明的效果
習知技術方法典型上以解調技術為基礎，且需要用於相對編碼器中的解調的參考正弦與餘弦訊號、或如同在該相關應用中的用於絕對編碼器的取決於基本編碼的參考波形。本發明不需產生此種參考訊號。
一些習知技術方法使用二步驟製程。在第一步驟中，估計基礎頻率。在第二步驟中，使用該基礎頻率來產生參考訊號。使用該參考訊號來解調或位置解碼。然而，第一步驟中的錯誤導致在已感測訊號與參考訊號之間的頻率不匹配。這可導致顯著的相位錯誤。
本發明不需要參考訊號。此外，共同估計基礎頻率與相位，因此顯著減低相位錯誤。
本發明的實行不依賴已感測訊號的增益且可不用知道已感測訊號的增益就能恢復位置估計。
100‧‧‧刻度尺
101‧‧‧反射
102‧‧‧非反射
103‧‧‧de Bruijn序列
110‧‧‧讀取頭
111‧‧‧感測器
112‧‧‧光源
115‧‧‧數位訊號處理器
120‧‧‧高解析度位置

Claims (21)

  1. 一種用以判定位置的方法，包括下列步驟：感測訊號，該訊號係對應至刻度尺上的標記的非週期序列中的標記的子序列；藉由匹配該子序列與該非週期序列的所有可能子序列來判定粗略位置PA；偵測對應至該訊號的上升邊緣的零交叉與對應至該訊號的下降邊緣的零交叉；使用偵測到之零交叉來計算增量位置Pi；以及總和該粗略與增量位置以獲得該位置，其中，該等步驟係在數位訊號處理器中進行。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該粗略位置係在離所選之參考零交叉達一距離D處，且該增量位置Pi係D/F，其中，F係半間距的頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，各標記的寬度B係半間距。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該訊號係藉由讀取頭來感測，該讀取頭包含具有像素陣列的互補式金氧半導體(CMOS)或電荷耦合元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該非週期序列係de Bruijn序列。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該標記係連續地與線性地配置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該標記係 以任意組構連續地配置。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該位置的解析度係實質上高於該半間距。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該位置的精確度係實質上高於該半間距。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該半間距的頻率係F。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該粗略位置係在離該刻度尺的起點達一距離PA處，各標記的寬度B係半間距，及該半間距的頻率係F，且該增量位置 Pi為
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該零交叉係相對於閾值m。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，該閾值係固定者。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，該閾值係與該訊號的相位和頻率一起被細分。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，m的初始值係從該訊號S估計出來，而作為該訊號S的平均強度 其中，p係該訊號S的取樣N的數量。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，該偵測係將直線適配至各上升邊緣與該下降邊緣，其中，各直線具有斜率ap與截距bp。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，該斜率與截距分別係 ，且對應至 該直線上的m的強度的空間位置係z=a×m+b。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，該斜率ap與截距bp對於所有上升邊緣係相同，且該斜率-ap係由所有下降邊緣所共用。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中，z的解析度係實質上高於該感測器的像素解析度。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該零交叉係相對於閾值m，且D、F與m係使用線性系統來細分。
  21. 一種用以判定位置的裝置，包括：讀取頭，係組構成感測訊號，該訊號係對應至刻度尺上的標記的非週期序列中的標記的子序列；以及數位訊號處理器(DSP)，係組構成藉由將該子序列匹配於該非週期序列的所有可能子序列來判定粗略位置PA、並組構成偵測對應至該訊號的上升邊緣的零交叉與對應至該訊號的下降邊緣的零交叉，且該DSP使 用該零交叉來計算增量位置Pi，其中，該粗略位置與增量位置的總和係為該位置。
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