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为了提高测角分辨力,缩小码盘尺寸,并克服传统图像式编码器译码速度慢等缺点,提出了一种单圈绝对式高分辨力编码技术。通过分析码盘刻线与分辨力之间的关系,提出了绝对式单圈移位码编码方法;采用准直光源照射和线阵图像探测器识别的方法实现单圈码盘的译码方式;根据所提出的方法,设计了高分辨力码盘及译码电路。实验采用直径38 mm、刻划有10位编码的单圈码道,成功实现了10位编码的译码。该编码方式较传统采用面阵图像探测器的编码方法具有更快的响应频率。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
ACTAOPTICASINICA
November
基于线阵图像传感器的高分辨力单圈绝对式编码方法
杜 颖 财
,
宋
路
万 秋 华
于
海
长春理工大学电子信息工程学院
吉林 长春
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
吉林 长春
摘要
为了提高测角分辨力
缩小码盘尺寸
并克服传统图像式编码器译码速度慢 等缺 点
提出 了一 种单圈 绝对 式
高分辨力编码技术
通过分析码盘刻线与分辨力之间 的关 系
提 出了 绝对 式 单圈 移位 码 编码 方法
采 用准 直光 源
照射和线阵图像探测器识别的方法实现单圈码盘的译 码方 式
根 据所 提出 的 方法
设 计了 高分 辨 力码 盘及 译 码电
路
实验采用直径
刻划有
位编码的单圈码道
成功 实现 了
位 编码 的译 码
该 编码 方式 较 传统 采用
面阵图像探测器的编码方法具有更快的响应频率
关键词
测量
高分辨力
编码方式
图像识别
码盘
中图分类号
文献标识码
doi
.
AOS.
Hi
g
hResolutionAbsoluteCodeDiskBasedonLinearArra
y
Ima
g
eSensor
Schoolo
f
ElectronicsandIn
f
ormationEn
g
ineerin
g
Chan
g
chunUniversit
y
o
f
ScienceandTechnolo
gy
Chan
g
chun Jilin
China
Chan
g
chunInstituteo
f
O
p
tics FineMechanicsandPh
y
sics ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Chan
g
chun Jilin
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes敭 敭 敭
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然科学基金
作者简介
杜颖财
男
博士研究生
主要从事角度测量及光电信号处理技术方面的研究
导师简介
宋
路
女
博士
教授
博士生导师
主要从事光通信与信息处理技术方面的研究
引
言
光电编码器是一种集光
机
电于一体的数字角度位置传感器
它以高精度
高分辨力
测量范围广
易于
维护
使用可靠等优点
广泛应用于光电经纬仪
雷达
航空航天
机器人
数控机床
指挥仪和高 精度闭环调
速系统等领域
在航天
军事
工业等对器件的体积
重量 有着严格要 求的领域
不仅要减小 光电编码器
外径尺寸和重量
还要提高光电编码器的分辨力和精度
在缩小码盘的同时
提高光电编码器的分辨力和
测角精度是目前的研究热门
为实现小型光电编码器的高分辨力角度测量
采用图像探测器实现光电码盘译码 较传统光电 探测方式
光
学
学
报
具有更大的优势
近 两 年 来
国 外 对 适 用 于 图 像 式 光 电 编 码 器 的 编 码 方 式 进 行 了 一 系 列 的 研 究
美 国
研制出刻划有基准线和二进制码元的码盘
采用
图像探测器接收码盘的图案
并识别二进制 码
元作为粗码
年
日本
公司设计 了 基 于 面 阵 探 测 器 的 二 进 制 绝 对 式 编 码 码 盘
年
美国
大学科学技术学院提出了基于色彩识别的角 度位置测量 方式
并设计出具 有渐变颜色 的
码盘
西班牙
大 学 利 用 光 电 鼠 标 内 部 的
传 感 器 获 得 图 像 信 息
对 二 位 编 码 码 盘 进 行 识
别
年
韩 国
研 究 所 提 出 了 一 种 使 用 移 相 编 码 码 盘 的 绝 对 式 角 度 测 量 方
法
采用该方法分别设计了
位和
位的码盘
并对测角误 差进行了误 差补偿
国内对适用 于图像式
光电编码器的编码方式也进行了一系列的研究
王 英 男 等
提 出 了 区 位 标 记 法 编 码 方 式
年
谈 颖
皓
采用单圈绝对值编码方式实现了绝对轴角编码技术
年
齐荔荔
基于图像识别法设计了一种刻
划有二进制标识及基准识别线的码盘
综上
国内外基于图像识别法研究的编码技术具有以下特点
在研
究基于图像识别方法的编码技术时
大多都忽略了数据采集的响应频率
使光电编码 器响应频率 慢
各研
究单位所采用的码盘尺寸较大
不适合小型高分辨力编码的研究
为提高图像式光电编码器的测角分辨力
减少数据采集时间提高响应频率
本文研究了一种高分辨力单
圈绝对式编码方式
该编码方式基于最大周期
序列设计实现
充分利用码 盘的空间
能够在小尺 寸码盘
上实现较高分辨力的编码
同时
采用准直光源照射码盘
线阵图像探测器实现对码盘的图像识别
能够实现
高分辨力快速译码
采用该编码方式
在直径
的码盘设计了刻划
位编码的单圈码道
并成功实现
了
位编码的快速译码
该编码方式的实施
为研究小型高分辨力图像式编码器提供了重要的基础
高分辨力单圈编码原理
21
单圈码道编码分辨力分析
为提高小尺寸码盘的测角分辨力
传统编码方式会在码盘单圈内刻划更多 的刻线
过多的刻线 会产生
两方面的影响
过于细小的码盘刻线会使光通量不足
造成编码器不能正常译码
码盘刻线过 于密集会
使相邻码道之间互相干扰
产生串码
并且不利于高分辨力角度细分
最大限度 的减小刻线 密度
是设计小
尺寸高分辨力码盘的准则
设单圈码道最外圈刻划直径为
D
一组码值的长度为
L
每位码道宽度为
α
编码位数为
n
那么传统码
盘的分辨力
θ
为
θ
=
n
由于码道长度
L
nα
所以
θ
=
D
L
由
式可以推导得出
n
=
D
α
n
可以看出
当码盘直径
D
一定时
传统码盘的编码 位数与
α
n
成反比
每增加一位 编码
码道宽度将
减小
由于
L
D
n
传统编码方式需要在长度为
L
的码盘范围 内刻划
n
位码道
那么全周码 盘上
共需要刻划
n
n
个有效识别码道
这种编码方式使码道刻划密度增加
不利于高分辨力编码
22
高分辨力单圈编码原理
根据
式可知
目前限制码盘编码分辨力的主要因素是长度
L
内刻划
n
位的码道
因此
本文提出一
种减小有效识别码道总数量的编码方式
设
X
X
X
n
是不全为
的
n
位二元码的 各位数值
当码盘
转动一个码元位置 时
n
位 二 元 码 经 过 移 位 形 成 新 的 码 值
码 盘 读 出 的 数 值 由
X
X
X
n
变 为
X
X
X
n
X
n
每一位二元码
X
i
的生成原理图如图
所示
图中算子
表示异或运算
n
位二元码的每一位码值都是由前
位码值的运算得到的
X
i
是第
i
位码
值
或是
系数
a
取
或
系数
a
n
总是
图
中
X
i
的生成多项式为
X
i
=
a
X
i
-
+
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