专利名称：单码道绝对位置编码方法、解码方法及测量装置的制作方法
单码道绝对位置编码方法、解码方法及测量装置
技术领域：
本发明涉及一种编码、解码方法和测量装置，尤其是一种单码道绝对位置编码方 法、解码方法及以及采用该编码方法、解码方法的单码道绝对位置测量装置。
背景技术：
现代位移测量系统大部分采用光栅位移传感器，由于标尺是重复周期的栅式结构 设计，移位数值的测量都是采用增量方法读出，也就是在确定初始点后要用读出初始点到 所所在位置的增量数来确定位置值。为了设定绝对位置，在标尺上还要有参考标记，标尺的 绝对位置由参考标记确定，参考标记要锁定在一个测量步距之内，通过扫描参考标记来获 得绝对位置或找到上次选择的基准。因此设备在开机后每个轴需要移动来寻找参考标记的 位置。近几年来为了解决开机后设备各个轴在不移动的情况下，就能读出当前的绝对位置 值的绝对光栅位移传感器就迅速发展起来了。目前线位移和角位移传感器构成的测量系统从增量式测量方法逐步发展为绝对 式测量方法。基于单码道绝对位置编码的光栅位移传感器是国际上最新出现的编码器技 术，它代表了目前最先进的光栅位移传感器发展方向之一，适应了光栅位移传感器小型化 的需要。基于单码道绝对位置编码方式通常采用基于伪随机序列的编码方法，它使二进制 位不同时进行切换，而是逐位分别切换。解码方法是将事先编好的译码数据放入非易失的 数据存储器，将线阵图像传感器采集到的随机码作为数据存储器的地址，获得译码数据。它 的缺点是编码方法复杂，容易出错，且增加了译码数据整理、数据写入的工作量，增加了硬 件资源，使生产成本增加。
发明内容为解决现有技术绝对位置编码方法复杂，容易出错的缺点，有必要提供过一种光 栅制造简单，易于编码的绝对位置编码方法。还有必要提供一种对应该编码方法的解码方法。还有必要提供一种采用该编码方法的单码道绝对位置测量装置。一种单码道绝对位置编码方法，包括设置一编码图形，该编码图形包括多个分区， 任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少三个编码条码，任一 位置码包括至少三个编码位，任一编码位包括至少两个第一编码条码和一个第二编码条 码，任一分区内的分区号相邻该分区内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的编码条 码种类与该分区内最近邻的位置码编码条码种类相异。一种单码道绝对位置编码方法对应的解码方法，该单码道绝对位置编码方法包括 设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一 分区号包括相同的至少三个编码条码，任一位置码包括至少三个编码位，任一编码位包括 至少两个第一编码条码和一个第二编码条码，任一分区内的分区号相邻该分区内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的编码条码种类与该分区内最近邻的位置码编码条码种类 相异。该解码方法包括步骤利用图像探测器探测编码图形形成的光信号并将光信号转换 为电信号；二值化处理该电信号；在该二值化电信号中查找分区号；根据分区号确定当前 位置码；根据位置码确定图像传感器中参考像元位置对应的第一个编码位；确定当前位置 码在图像传感器参考像元位置的第一个编码位所在像元位置；计算图像传感器上的参考像 元的绝对位置。一种单码道绝对位置测量装置，其包括光源、光栅标尺、图像传感器、信号采集与 解码模块，该光栅标尺上设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分 区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少三个编码条码，任一位置码包括至少三个 编码位，任一编码位包括至少两个第一编码条码和一个第二编码条码，任一分区内的分区 号相邻该分区内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的编码条码种类与该分区内最近 邻的位置码编码条码种类相异，该光源将编码图形投射到该图像传感器上，该图像传感器 采集该光栅标尺上的编码图形，且该图像传感器的采集范围大于一个区的长度，其该采集 范围内至少有一个完整的分区号，根据分区号、位置码之间的关系以及对应图像传感器的 位置关系，确定该图像传感器上的参考像元的绝对位置。与现有技术相比较，该单码道绝对位置编码方法中，使用等宽的黑白条码作为编 码单元，每个分区分别包括1个分区号和一个位置码，分区号包括至少三个相同的编码条 码，位置码采用三进制编码的方式，具有光栅制造容易，易于编码的优点，对应上述编码方 法的解码方法也具有简单、精确的优点，该单码道绝对位置测量装置能够精准测量所测物 体的绝对位置。
图1是本发明单码道绝对位置编码方法的编码图形示意图。图2是本发明单码道绝对位置编码方法另一实施例的编码图形示意图。图3是本发明单码道绝对位置测量装置的结构示意图。图4是本发明用于阐明本发明单码道绝对位置测量装置的解码方法所采用的编 码图形的示意图。
具体实施方式请参考图1，其是采用本发明绝对位置编码方法中使用的光栅标尺结构示意图。该 光栅标尺1上设置有平行相间排列的多条黑、白条码，其中黑条码表示不透光条码，白条码 表示透光条码。该黑、白条码平行排列构成一条码序列，该条码序列即为一编码图形。该光 栅标尺1上的黑、白条码序列被分为多个分区，且每个分区内包括1个分区号M和1个位置 码N。其中任一个分区号M至少包括三条等宽黑条码或三条等宽白条码。任一位置码N至少
包括两个编码位，由低位到高位分别记为Ni、N2......Nm，其中任一编码位Nx(l彡χ彡m，
m为编码位的个数)包括两个等宽黑条码和一个等宽的白条码，或者任一编码位Nx包括两 个等宽白条码和一个等宽的黑条码。上述位置码N中的任一编码位Nx表示为一个三进制 位0或1或2。图1中，以分区号M包含三位黑条码或三位白条码，位置码N包含三个编码 位为例描述本发明。
值得注意的是，三进制编码位Nx于本发明中有多种定义，第一种定义为由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条黑条码+ —条白条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条白条码+—条黑条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条白条码+ —条黑条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。图1采用 第一种定义方式，低位到高位的方向为从右至左。第二种定义为由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条黑条码+ —条白条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条白条码+—条黑条码+—条黑条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条黑条码+—条白条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。第三种定义为由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条白条码+ —条黑条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条黑条码+—条白条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条白条码+ —条黑条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。第四种定义为由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条白条码+ —条黑条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条白条码+—条黑条码+—条黑条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条黑条码+—条黑条码+ —条白条码”表示为三进制位编码位“2”。第五种定义为由低位到高位依次排列“一条白条码+ —条黑条码+ —条黑条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条白条码+—条黑条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条黑条码+—条黑条码+ —条白条码”表示为三进制位编码位“2”。第六种定义为由低位到高位依次排列“一条白条码+ —条黑条码+ —条黑条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条黑条码+—条白条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条黑条码+—条白条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。第七种定义为由低位到高位依次排列“一条白条码+ —条白条码+ —条黑条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条白条码+—条黑条码+—条白条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条黑条码+—条白条码+ —条白条码”表示为三进制位编码位“2”。第八种定义为由低位到高位依次排列“一条白条码+ —条白条码+ —条黑条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条白条码+—条白条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条白条码+—条黑条码+ —条白条码”表示为三进制位编码位“2”。第九种定义为由低位到高位依次排列“一条白条码+ —条黑条码+ —条白条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条白条码+—条白条码+—条黑条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条黑条码+—条白条码+ —条白条码”表示为三进制位编码位“2”。第十种定义为由低位到高位依次排列“一条白条码+ —条黑条码+ —条白条码” 表示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条白条码+—条白条码”表示为三进制位编 码位“1”，“一条白条码+—条白条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。第十一种定义为由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条白条码+ —条白条 码”表示为三进制位编码位“0”，“一条白条码+ —条白条码+ —条黑条码”表示为三进制位 编码位“1”，“一条白条码+—条黑条码+ —条白条码”表示为三进制位编码位“2”。第十二种定义为由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条白条码+ —条白条 码”表示为三进制位编码位“0”，“一条白条码+ —条黑条码+ —条白条码”表示为三进制位 编码位“1”，“一条白条码+—条白条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。综上所述，三进制编码位Nx均包括两个白条码和一个黑条码，或者包括两个黑条码和一个白条码，采用他们的组合，共有12中定义方式。 分区号M的设定与其相邻的位置码N的最低编码位m相关联，如果最低编码位m 的黑条码与分区号相连，则分区号为至少三条白条码，记为Mi ；如果最低编码位m的白条 码与分区号相连，则分区号为至少三条黑条码，记为M2，如图1所示。根据上述设置，位置码N在编码不重复的情况下，整个光栅标尺上可以设置 (3*m+p)*3m个条码数，其中，m为位置码N的编码位个数，m≥2，ρ为分区号的条码个数， P≥3。如图1中，m = 3，ρ = 3，则条码总数为(3*3+3)*33 = 324条。请参阅表1，其示出了三进制编码中编码位与条码位的关系，表1的三进制编码位 采用上述第一种定义由低位到高位依次排列“一条黑条码+ —条黑条码+ —条白条码”表 示为三进制位编码位“0”，“一条黑条码+—条白条码+—条黑条码”表示为三进制位编码 位“1”，“一条白条码+ —条黑条码+ —条黑条码”表示为三进制位编码位“2”。低位到高位 的方向为从右至左。表 权利要求
1.一种单码道绝对位置编码方法，其特征在于设置一编码图形，该编码图形包括多 个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少三个编码条 码，任一位置码包括至少三个编码位，任一编码位包括至少两个第一编码条码和一个第二 编码条码，任一分区内的分区号相邻该分区内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的 编码条码种类与该分区内最近邻的位置码编码条码种类相异。
2.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于该任一位置码构成 一三进制编码。
3.如权利要求2所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于该三进制编码中任意 一编码位均包括一第一编码条码和两个第二编码条码。
4.如权利要求2所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于该第一编码条码为透 明编码条码，该第二编码条码为不透明编码条码，该第一编码条码与该第二编码条码的宽 度相同。
5.如权利要求2所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于该第一编码条码为不 透明编码条码，该第二编码条码为透明编码条码，该第一编码条码与该第二编码条码的宽 度相同。
6.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于分区号的设定与其相 邻的位置码的最低编码位相关联，如果与其相邻的最低编码位的条码为第一编码条码，则 分区号由三个第二编码条码组成；如果与其相邻的最低编码位的条码为第二编码条码，则 分区号由三个第一编码条码组成。
7.如权利要求1所述的单码道绝对位置编码方法，其特征在于在位置码N在编码不 重复的情况下，该编码图形中的编码条码数量为(3*m+p)*3mf，其中m为位置码的编码位 个数，m≥2，ρ为分区号的编码条码个数，ρ≥3。
8.一种单码道绝对位置编码方法对应的解码方法，其特征在于该单码道绝对位置编 码方法包括设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个 位置码，任一分区号包括相同的至少三个编码条码，任一位置码包括至少三个编码位，任一 编码位包括至少两个第一编码条码和一个第二编码条码，任一分区内的分区号相邻该分区 内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的编码条码种类与该分区内最近邻的位置码编 码条码种类相异，该解码方法包括步骤利用图像探测器探测编码图形形成的光信号并将光信号转换为电信号；二值化处理该电信号；在该二值化电信号中查找分区号；根据分区号确定当前位置码；根据位置码确定图像传感器中参考像元位置对应的第一个编码位；确定当前位置码在图像传感器参考像元位置的第一个编码位所在像元位置；计算图像传感器上的参考像元的绝对位置。
9.如权利要求8所述的单码道绝对位置解码方法，该图像传感器上的参考像元的绝对 位置采用如下计算公式计算W0 = NT*Md+ (m-Nt) *Ne-Bt*d其中Wtl为图像传感器上的参考像元的绝对位置，Nt为当前位置码，Md为每个分区宽度，m为位置码的编码位个数，Nt为参考像元位置对应编码位首位，Ne为每个编码位宽度，Bt为 像元位置，d为图像传感器的每个像元宽度。
10.一种单码道绝对位置测量装置，其包括光源、光栅标尺、图像传感器、信号采集与解 码模块，该光栅标尺上设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区 号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少三个编码条码，任一位置码包括至少三个编 码位，任一编码位包括至少两个第一编码条码和一个第二编码条码，任一分区内的分区号 相邻该分区内的位置码的最低位或最高位，且该分区号的编码条码种类与该分区内最近邻 的位置码编码条码种类相异，该光源将编码图形投射到该图像传感器上，该图像传感器采 集该光栅标尺上的编码图形，且该图像传感器的采集范围大于一个区的长度，其该采集范 围内至少有一个完整的分区号，根据分区号、位置码之间的关系以及对应图像传感器的位 置关系，确定该图像传感器上的参考像元的绝对位置。
11.如权利要求10所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该光栅标尺上的任 一位置码构成一三进制编码。
12.如权利要求10所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该三进制编码中任 意一编码位均包括一第一编码条码和两个第二编码条码。
13.如权利要求12所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该第一编码条码为 透明编码条码，该第二编码条码为不透明编码条码，该第一编码条码与该第二编码条码的 宽度相同。
14.如权利要求12所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该第一编码条码为 不透明编码条码，该第二编码条码为透明编码条码，该第一编码条码与该第二编码条码的 宽度相同。
15.如权利要求8项中所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于分区号的设定 与其相邻的位置码的最低编码位相关联，如果与其相邻的最低编码位的条码为第一编码条 码，则分区号由三个第二编码条码组成；如果与其相邻的最低编码位的条码为第二编码条 码，则分区号由三个第一编码条码组成。
16.如权利要求10所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该图像传感器上的 参考像元的绝对位置采用如下计算公式计算W0 = NT*Md+ (m-Nt) *Ne-Bt*d其中Wtl为图像传感器上的参考像元的绝对位置，Nt为当前位置码，Md为每个分区宽度， m为位置码的编码位个数，Nt为参考像元位置对应编码位首位，Ne为每个编码位宽度，Bt为 像元位置，d为图像传感器的每个像元宽度。
17.如权利要求8所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该光栅标尺上的编码 图形是直线编码图形。
18.如权利要求8所述的单码道绝对位置测量装置，其特征在于该光栅标尺上的编码 图形是环形编码图形。
全文摘要
本发明涉及一种单码道绝对位置编码方法，包括设置一编码图形，该编码图形包括多个分区，任一分区包括一个分区号和一个位置码，任一分区号包括相同的至少三个编码条码，任一位置码包括至少三个编码位，任一编码位包括至少两个第一编码条码和一个第二编码条码，任一分区号与相邻该分区内的位置码的编码条码种类相异。该单码道绝对位置编码方法具有编码简单的优点。本发明还提供过一种对应该单码道绝对位置编码方法的解码方法以及一种采用该单码道绝对位置编码方法、解码方法的单码道绝对位置测量装置。
文档编号G01D5/347GK102003976SQ20101057550
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年8月27日
发明者乔栋, 吴宏圣, 孙强, 张吉鹏 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所