[发明专利]基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于位置、角度等测量的传感器技术和数字图像处理技术领域，具体涉及一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法及其装置。

背景技术

在位置、长度测量的传感器中，目前大量采用光栅尺、容栅尺等，以光栅尺应用最多，且主要是增量式光栅尺，绝对式光栅尺由于其结构复杂，价格较高应用较少；在高精度角度测量的传感器中，主要采用光栅编码盘，且主要是增量式光栅编码盘，绝对式光栅编码盘由于其结构复杂，价格较高应用较少。近年来随着对绝对位置和角度测量需求的增加，新型绝对式位置编码光栅尺、新型绝对式角度编码盘和相关测量方法不断被提出，如各种双码道和单码道绝对式位置编码方法，相关信号检测方式也由一般的几个光电传感器，发展到采用阵列图像传感器，信号处理方式从简单的处理电路发展到专用的数字信号处理集成电路。

除光栅尺外，容栅尺也在向高精度、低成本、集成化方向发展，在一些应用中有比光栅尺更好的性价比和适应性。

应用数字图像处理技术，光栅尺可以放置在离图像传感器较远的位置，实现远距离的位置测量，大大提高了位置测量的使用范围。同时数字图像处理技术的引入，也大大提高了位置测量的精度；专用集成电路技术的采用，降低了复杂信号处理系统的成本。

在上述绝对位置或角度测量技术中，关键技术是栅尺编码方法，栅尺编码图像信号处理和绝对位置的高精度计算方法。根据申请人所作的资料检索，还没有关于本发明所述的栅尺编码方法，及用数字图像处理技术检测该栅尺图像，进行绝对位置或角度测量方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法，包括栅尺编码、栅尺编码图像信号处理和绝对位置的高精度计算方法，以及利用该方法进行绝对位置测量的测量装置。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量方法，其特征在于，该方法使用宽码和窄码两种基本编码单元，按伪随机序列值生成单码道绝对位置编码栅尺，图像传感器一次采集含有多个编码的栅尺数字图像，数字图像处理单元在图像预处理后，解调出栅尺图像载波与基准载波的相位差值和栅尺数字图像粗测位置，并进一步计算出栅尺传感器相对于栅尺的精确绝对位置。

具体按如下步骤进行：

1）基于伪随机序列值的单码道绝对位置栅尺编码：

a）构造用于栅尺编码的宽码和窄码两种编码单元，宽码和窄码的每个编码单元周期宽度相等；定义编码波形是栅尺图像传感器检测到编码图像的信号强度值，则在一个编码单元的码字周期内，宽码波形占空比大于窄码，且编码波形是偶对称的；

b）按选择的伪随机序列编码值用宽码或窄码生成伪随机序列单码道绝对位置栅尺编码；

c）对直线栅尺，按选定伪随机序列编码值，用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺，栅尺长度为伪随机序列长度与编码周期宽度T的乘积；对圆形栅尺，按选定伪随机序列编码最大长度值等分圆周长，每个编码位置用定义的宽码或窄码无重叠拼接构造出栅尺；

2）一维或二维阵列图像传感器的传感阵列一次采集含有多个编码的栅尺图像，经模数转换得到伪随机序列的单码道栅尺数字图像；该图像构成一个伪随机序列编码组，该编码组应足够长，使得由单个栅尺图像可以确定该部分编码在栅尺中的绝对位置。

3）单码道栅尺数字图像信号处理和绝对位置计算

a）栅尺图像预处理：由栅尺图像传感器获取的伪随机序列栅尺数字图像信号首先通过低通滤波器预处理；若获取的栅尺图像为二维图像，则需沿栅尺移动的垂直方向压缩二维图像到一维图像；

b）栅尺图像基准载波构造：伪随机序列栅尺图像的基准载波是周期与栅尺图像编码周期相同的正弦波或方波；

c）用载波相位数字解调方法，解调出伪随机序列栅尺图像信号的相位调制函数；

d）计算栅尺图像载波与基准载波的相位差值。

e）获取的伪随机序列编码组与生成该栅尺的所有伪随机序列值进行互相关运算，确定伪随机序列编码组在栅尺中的粗测位置。

f）根据上述步骤d）和步骤e）的计算结果，进一步计算出栅尺图像传感器相对于栅尺的精确绝对位置。

实现上述方法的基于伪随机序列的绝对位置栅尺编码和测量的装置，由栅尺、栅尺图像传感器和数字图像处理单元组成，其特征在于，所述的栅尺是直线或圆形栅尺，栅尺图像传感器是一维或二维的阵列图像传感器，该一维或二维阵列图像传感器的传感阵列与栅尺移动方向平行布置。