单码道绝对式角度编码度盘及采用该度盘的编码器

摘要

本发明提供一种单码道绝对式角度编码度盘及采用该度盘的编码器，该编码度盘上设置有一圈编码图形，编码图形分成N个区，区与区之间用区标志码条分隔，每个区包含k位分区码和m个细分码条，根据线型图像传感器接收的k位分区码确定参考线所在区的区号，得到线型图像传感器参考线所在位置的角度粗值，根据m个细分码条的中心位置确定参考线角度的精确值。本发明的编码度盘图形简单，制作方便，且利用该度盘的编码器可获得亚像素的测量精度，解码速度快，可广泛用于电子经纬仪、全站仪等大地测量仪器，也可应用于其他角度测量的仪器和装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单码道绝对式角度编码度盘，该编码度盘可用于绝对式角度编码器上，绝对式角度编码器应用于高精度角度测量仪器和装置，如电子经纬仪、全站仪等大地测量仪器。

背景技术

传统的光电子角度测量技术分为增量式和绝对式两种，增量式测角技术一般采用光栅(或容栅、磁栅等)计数和细分方法。测量结果不仅与测量过程有关，而且每次上电需要建立零位。在使用中，特别是经纬仪测量中带来不便。如仪器掉电后不能恢复原测量值，需要建立零位并设置原测量值。光栅增量式测角仪器需要主光栅和指示光栅一对光栅盘，光源需要准直为平行光，光栅副必须经过仔细的调整才能得到合格的莫尔条纹信号，另外，光栅盘上必须有确定零位的零位光栅。还必须有判定旋转方向的电路。总之，无论是光路、结构还是电路上都比较复杂。

传统的绝对编码度盘虽可以进行绝对测量，但高精度的绝对编码盘需要许多同心的码道，精度越高，码道越多。不仅需要增大码盘直径，而且读数头结构复杂，难以调整，显然还影响可靠性，不适用于环境条件严酷的测量仪器。

近年来，国内外发展了一些单码道的绝对式角度编码方法，成功地应用到电子经纬仪、全站仪等要求高精度、高可靠、轻量紧凑的仪器中。该种绝对式角度编码器通常包括编码度盘、相对编码度盘转动地设置的读数头，所述的读数头包括设置于所述的编码度盘一侧的LED光源、设置于所述的编码度盘另一侧的线型图像传感器，所述的编码度盘上设置有一圈编码图形，编码图形由按编码方法设置的透明码条构成，线型图像传感器采集其所在位置的编码图形，由此确定其上的参考线所在的角度值。现有技术中，编码图形一般都采用伪随机码序列或其他随机码序列，解码方法是将线型图像传感器采集到的码序列与整个随机码序列进行相关计算，由于相关计算花费时间多，所以测量数据更新时间长，不适合于讲究作业效率的场合，此外，各种随机码构成的编码图形较为复杂，不易制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种编码方法简单、制作方便、解码容易的编码度盘及采用该编码度盘的单码道绝对式角度编码器。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种单码道绝对式角度编码度盘，在编码度盘上设置有一圈编码图形，所述的编码图形包括N个区，区与区之间设置有一个透明的区标志码条，每个区至少包括k位代表该区区号的分区码和m个透明的细分码条，所述的每个区的分区码由透明的分区码条和不透明分区码条根据预设条件排列，其中，N、k、m均为整数，且N＝2^k，所述的每个区的区标志码条沿编码度盘圆周方向的宽度大于分区码条和细分码条沿编码度盘圆周方向的宽度，且每个透明码条的中心线与编码度盘刻划圆周的角等分线位置相重合。

本发明还提供了一种单码道绝对式角度编码器，包括编码度盘、光源、线型图像传感器，在所述的编码度盘上设置有一圈编码图形，所述的编码图形将全圆划分为N个区，区与区之间用一个透明的区标志码条相分隔，每个区至少包括k位代表该区区号的分区码和m个透明的细分码条，所述的每个区的分区码由透明的分区码条和不透明分区码条根据预设条件排列，其中，N、k、m均为整数，且N＝2^k，所述的每个区的区标志码条沿编码度盘圆周方向的宽度大于分区码条和细分码条沿编码度盘圆周方向的宽度，且每个透明码条的中心线与编码度盘刻划圆周的角等分线位置相重合，所述的光源将编码图形投射到所述的线型图像传感器上，线型图像传感器采集编码度盘上的编码图形，且线型图像传感器的采集范围应大于一个区的长度并且在该采集范围内至少有一个完整的区标志码条，根据区标志码条、分区码和细分码条之间的相互关系及与对应线型图像传感器的位置关系，确定线型图像传感器上的参考线角度精确值。

由于本发明的编码度盘分成N个区，每个区包括一个透明的区标志码条、k位分区码和m个透明的细分码条，分区码由透明和不透明分区码条组成，区标志码条、分区码条和细分码条的中心线等间隔地排布在编码度盘的圆周上，其中，区标志码条的宽度大于其他码条，该种码条的编码度盘图形较简单，故制作极其方便。利用该种编码度盘的编码器在解码的时候，线型图像传感器采集大于一个区的编码图形得到相应的码条序列，其中较宽的码条就是区标志码条，其区号由随后的k位分区码来确定，线型图像传感器上的参考线与区标志码条中心的距离决定所测的角度值，然后再根据m个细分码条的中心值计算参考线的角度精确值，这种解码方法简单而且快捷。

附图说明

附图1为绝对式角度编码器的剖视图；

附图2为本发明编码度盘的主视图；

附图3为附图2中A处编码图像放大图(N＝64)；

附图4为附图2中A处编码图像放大图(N＝32)；

附图5为附图2中A处编码图像放大图(N＝16)，该实例中还画出了校验码；

附图6为本发明线型图像传感器接收到的码盘图像及解码原理示意图；

其中：1、编码度盘；2、读数头；21、LED光源；22、线型图像传感器；10、编码图形；11、区标志码条；12、分区码；121、分区码条；122、分区码条；13、细分码条；30、参考线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细的介绍：

图1所示的为绝对式角度编码器结构剖视图，包括编码度盘1、可转动地设置在所述的编码度盘1上的读数头2，所述的读数头2包括设置于所述的编码度盘1一侧的LED光源21、设置于所述的编码度盘1另一侧的线性图像传感器22，在编码度盘1上设置有一圈编码图形10，当读数头转动到编码度盘1的一定角度时，LED光源21直接照明该编码度盘1，编码图形10将被线型图像传感器读取，将线型图像传感器读取的数据进行解码，解出线型图像传感器上参考线所在的角度。

图2所示的为本发明的编码度盘1，沿其圆周方向设置有N个区，区与区之间用一个透明的区标志码条11相分隔，每个区包括k位代表该区的区号的分区码12和m个透明的细分码条13，所述的每个区的分区码12由透明的分区码条121和不透明的分区码条122根据预设条件排列，其中，N、k、m均为整数，且在本实施例中N＝2^k，为了识别和读取，所述的每个区的区标志码条11沿圆周方向的宽度大于分区码条121、122或细分码条13沿圆周方向的宽度，且所述的分区码条121、122的宽度与细分码条13的宽度相同，在本实施例中，区标志码条11的宽度为分区码条和细分码条13宽度的二倍。

区标志码条11、分区码12、细分码条13的设置方法如下：

为使编码度盘可以用传统的光刻圆刻机制造并方便检验其精度，将全圆优选720，960，1080，1296等60进制分度，需要说明的是以上为优选数值，凡符合本发明基本原理的选择都是可行的，当然也可以使用二进制数来进行分度，在此不再赘述。

N、k、m的值有多种选择，如下表1所示的为全圆分度总数L为960时所设定的值：

表1

  N  k  m  64  6  8  32  5  24  16  4  55

表1中三种情况是本发明的优选实例，但不仅限于此，可以根据实际使用场合有所变动，由此可得出L＝(k+m+1)×N，且在设置各码条的时候，使得每个码条的中心线分布在码盘刻划圆周的角等分位置上。

先具体介绍表1中三种分区方式：第一种方式将整个编码度盘分为64个区，每个区设置一个区标志码条、六位分区码、八个细分码条，每个区的六位分区码由分区码条按照二进制方式进行设置，其所代表的十进制值为相应区的区号；第二种方式将编码度盘分为32个区，每个区设置一个区标志码条、五位分区码、二十四个细分码条；第三种方式将编码度盘分为16个区，每个区设置一位区标志码条、四位分区码、五十五个细分码条，当然本发明分区方法并不限于上述三种方式，可以根据实际使用场合进行适当设置。

其中，对k位分区码的设置结合表1和图3至图5详细介绍如下：

当N＝64时，k＝6，即在区标志码后设置有6位分区码，如图3中出现的第一个区标志码11之后紧接着六位为本区的分区码，该分区码包括前两个透明码条和后两个透明码条以及位于透明码条间的两个不透明码条，在线型图像传感器进行解码的时候，分区码可用二进制表示，即透明码条可代表“1”，不透明码条代表“0”，也可以反过来表示，即透明码条代表“0”，不透明码条代表“1”，在本实施例中，透明码条用“1”表示，不透明码条用“0”表示，因此，图3中第一个区标志码后的分区码表示为“110011”，转换成十进制为51，由此用51来代表该区的区号P，且采用递增的方式来设置下一区的区号，即下一区的区号应为52，那么用二进制表示应为“110100”，如图3所示，在第二个区标志码之后的分区码条设置方式与该区对应的二进制码相同；图4和图5的编码方式按照同样的构思，在此不再赘述。

且为了提高识别区号的可靠性，可以采取如下几种校验方法：

(1)在每一区的k位分区码后，增加1位奇偶校验码；

(2)在每个区的首尾各设置k位分区码；

(3)在编码盘直径相对位置设置第二个线型图像传感器，它接收到的区号p2应满足条件p2＝p1±N/2。

按照上述方法对编码度盘设置后，解码方法如下：

首先应使得线型图像传感器的长度至少覆盖一个区加上k位分区码的长度，所以区数N越小，要求线型图像传感器长度越长。以刻划直径Φ70为例，线型图像传感器最小长度如下表所示：

表2三种优选实例中对线型图像传感器长度的要求

  序号  N  CCD传感器长度(mm)  1  64  4.95  2  32  8.16  3  16  14.80

由于线型图像传感器的技术发展，其长度和象元宽度选择余地很大，所以我们选择小区数的方案，因为分区越少，每个区的细分码越多，测量精度越高。

本实施例设置16个区，因此线型图像传感器只需识别16个区号，所以粗定位时间很短，测量过程中数据更新很快，几乎不易觉察。

以附图6为例，解释解码过程如下：

(1)、线型图像传感器接收码盘图像，得到模拟信号，通过A/D转换成数字量；

(2)、对所述数字量进行计算，得到两个以像素为单位的数字序列：一个是码线中心的数字序列，表示为C₀，C₁，C₂，…，C_i，C_i+1，…，C_n-1，C_n，简称C序列。另一个是码线沿圆周方向的宽度数字序列，表示为W₀，W₁，W₂，…，W_i，W_i+1，…，W_n-1，W_n，简称W序列；

(3)、在所述W序列中，找出最大值，例如为W_i，表示数列中第i个码条是区标志码。该码条之后的连续k位为分区码，该分区码的十进制值表示该区标志码的区号P，则区标志码中心的角度值应等于P×Q，其中Q相当于一个区的角度值，如N＝16时，则Q＝360°/16＝22.5°，且第一条码线(序号0的码线)中心的角度为：P×Q-i×Δ，其中Δ为每相邻两个码条中心的间隔角度值，在码线总数为960的情况，Δ＝360°/960＝22.5′；

(4)、利用接收到的全部码线中心线角度值求出参考线到第一条码线的角度平均值δ；其实施方法是：将每个码线中心归算到第0个码线中心，得到

δ₀＝C₀

δ₁＝C₁-Δ

δ₂＝C₂-2Δ

    ·

    ·

    ·

δ_n-1＝C_n-1-(n-1)Δ

δ_n＝C_n-nΔ

取n+1个δ_j的平均值，记为δ，

δ＝∑δ_j＝∑C_j/(n+1)-nΔ/2

为简化起见，对k位分区码中的暗线或偶然的缺损线用理论值参与计算；

最终得到参考线30所在的角度精确值为ANGLE＝p×Q-i×Δ-δ。

本实施例中的编码器可获得亚象素的测量精度，解码速度快。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。