專利名稱：用于距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種絕對編碼和解碼法，特別涉及距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼法。
背景技術：
20世紀80年代末，瑞士LEICA公司提出了一種絕對編碼法，該方法的一個標準碼采用“黑+白(黃)”碼，其中黑碼和白(黃)碼的碼寬分別為某常數(shù)的1～15倍，這樣可構成225種不同的碼，LEICA公司將這種編碼方法應用到數(shù)字水準儀條碼尺上時取常數(shù)＝2.025mm，并在這225種碼中選取41種碼進行組合，它們將這種編碼方法稱為偽隨機編碼法，解碼方法是將CCD傳感器所獲取的至少6個連續(xù)條碼的圖像與儀器已存儲的圖像對齊的方法，該種圖像處理方法稱為相關法，其專利號為DE0019530788C1；隨后，德國ZEISS公司(現(xiàn)美國TRIMBLE公司)采用等碼寬的“黑+黑”、“黑+白(黃)”、“白(黃)+白(黃)”、“白(黃)+黑”編碼法，這四類碼稱為基本碼，為實現(xiàn)較少條碼時也能夠確定參考線的位置，在基本黑碼中再加入白(黃)碼，在基本白(黃)碼再加入黑碼，共形成16種碼，通過對這16種碼進行組合形成編碼，解碼方法則跟據(jù)編碼時確定的位置，由計算機首先尋找出至少6個連續(xù)條碼圖像所對應碼的位置，以確定參考線的粗讀數(shù)，精讀數(shù)則由CCD傳感器獲得的圖像與條碼本身間的幾何關系計算出，該種計算方法稱為幾何法，其專利號為DE0019826873C1；日本TOPCON公司采用三種周期循環(huán)碼，其中參考碼的結構是固定的，為3個黑碼，兩個白(黃)碼。兩種測量碼為黑碼，碼寬則按正弦周期函數(shù)變化，這樣形成的一個標準碼的結構為“黑碼A+白(黃)碼+參考碼+白(黃)碼+黑碼B+白(黃)碼”，解碼方法是將CCD傳感器所獲取至少10個連續(xù)條碼(2組參考碼，4個測量碼)的圖像信息采用快速傅立葉變換確定參考線的位置，該方法稱為相位法，其專利號為JP0007004959AA；日本SOKKIA公司的采用等碼寬的“黑+白(黃)”碼，變換黑碼和白(黃)碼的寬度形成6種碼，通過對這6種碼進行組合形成編碼，解碼方法將CCD傳感器所獲取的至少5個連續(xù)條碼圖像，采用與德國ZEISS公司類似的幾何算法，其專利號為US0006108920A。這4家公司將其各自的編碼原理應用到數(shù)字水準儀和全站儀(電子經(jīng)緯儀)中，雖然生產(chǎn)出了測量準確度很高的產(chǎn)品，但它們的編碼方法存在明顯的缺陷①在等間隔的編碼區(qū)域內(nèi)，條碼(黑碼)數(shù)目過多，給標尺或碼盤的刻線增加難度，制作不方便②在等間隔的編碼區(qū)域內(nèi)，條碼(黑碼)數(shù)目不等即信息量不同，造成不同位置測量結果的精確度不同；③每個條碼(黑碼)所載信息單一，要么條碼(黑碼)僅包含位置信息，要么僅包含相位信息。
在國內(nèi)，中科院光電技術研究所提出過一種絕對編碼法它先將待編碼的區(qū)域劃分成n個子區(qū)域，在每個子區(qū)域內(nèi)用7個黑白相間的窗口來代表該子區(qū)域的編碼。這種方法不僅沒有克服國外已有方法的缺陷，而且還大大降低了其設備的測量精確度。據(jù)研究者發(fā)表的論文稱當它們將這種編碼方法應用到單圈絕對角度碼盤中時，碼盤的精度僅為52.6”。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有編碼方法和解碼法存在的條碼數(shù)目多、刻線難度大、制作不方便和條碼所含信息量不均勻且單一的缺陷，本發(fā)明提供一種位置相位編碼法，是一種比現(xiàn)有編碼方法原理更簡單、條碼(黑碼)數(shù)目少、條碼(黑碼)分布均勻、所載信息豐富(即每個條碼不僅包含位置信息，而且還包含相位信息)的編碼及解碼方案，可供數(shù)字水準儀、測距儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀、編碼鋼帶尺、透射式單圈絕對角度碼盤、反射式單圈絕對角度碼盤等測量和計量設備使用。
本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是采用位置相位編碼法，在待編碼的區(qū)域內(nèi)，分別刻劃周期為TA、TB的兩種黑A碼和黑B碼，黑A碼和黑B碼間由白(黃)碼隔開。黑A碼和黑B碼的理論碼寬按正弦周期函數(shù)變化 黑A碼和黑B碼中心線間的間隔稱為標準碼，其間隔D為一固定值。為便于刻線，分別選擇便于刻線的碼寬來替代其理論碼寬，由計算機存儲其對應關系。達到條碼數(shù)目少、既易于刻制又同時包含位置和相位信息的目的。
本發(fā)明的有益效果是，用位置相位編碼法，能減少條碼數(shù)目，任意選擇易于刻線的碼寬，易于在標尺或碼盤上刻制；在等間隔區(qū)域內(nèi)，有效條碼的個數(shù)一致，使測量結果的精確度分布均勻；每條碼中同時含有位置信息和相位信息，克服了每條碼所含信息單一的弊端。


圖1是本發(fā)明的編碼示意圖。圖中1.黑碼，2.黑碼，3.白(黃)碼，4.標準碼，5.待編碼區(qū)域具體實施方式
編碼方法如圖1所示。一個標準碼4由“半個黑A碼1+白(黃)碼3+半個黑B碼2”或由“半個黑B碼2+白(黃)碼3+半個黑A碼1”組成，黑A碼1和黑B碼2的理論碼寬按正弦函數(shù)變化 (1)式和(2)式中TA、TB分別為A碼1和B碼2的周期；xi為黑A碼1和黑B碼2中心線對應的標尺位置；A、B分別為黑A碼1和黑B碼2的初相角；h，C為碼寬設計參數(shù)。設計碼寬時取 設黑A碼1和黑B碼2的最大寬度相等為Amax；最小寬度也相等為Amin。黑A碼1和黑B碼2之間為白(黃)碼3，白(黃)碼3的最小碼寬s＝smin＝Amin。由圖1的關系可知當黑A碼1和黑B碼2的碼寬為最大時，白(黃)碼3的碼寬為最小。因此有Amax2+Amax2+Amin=D---(3)]]>由(1)、(2)兩式可得Amax＝h+C (4)Amin＝h-C (5)則h=12(Amax+Amin)---(6)]]>C=12(Amax-Amin)---(7)]]>通過選擇不同的TA、TB，求其最小公倍數(shù)K(K值應大于或等于待編碼的區(qū)域5)，則在0∽K范圍內(nèi)，xi的值具有唯一性。
由(1)、(2)兩式可知黑A碼1和黑B碼2的理論碼寬的計算結果可以取到小數(shù)后若干位，這不便于刻線。為克服這個缺陷，可任意選擇便于刻線的數(shù)值來替代，并由計算機存儲其對應值。
表1和表2是將本發(fā)明的原理應用到數(shù)字水準儀條碼尺上的編碼實例。
黑A碼1編碼方案(第一個周期，3.6m距離共有9個周期) 表1 黑B碼2編碼方案(第一個周期，3.6m距離共有10個周期) 表2
解碼原理1.有效條碼的定義CCD傳感器接收到信息源的圖像后，需要完整獲取有效的條碼。一個有效黑條碼的定義為起始邊界由白(黃)→黑；結束邊界由黑→白(黃)。2.物像比依據(jù)前述的編碼規(guī)則，一個標準碼4即兩相鄰有效黑碼的中心線間距D，經(jīng)過傳輸后在CCD傳感器上獲得兩像中心的間距為gi，則物像比為di=Dgi---(8)]]>如果在CCD傳感器上獲取了(n+1)個連續(xù)有效黑條碼，則可求得n個物像比，取其平均值作為最后結果d=1nΣi=1ndi---(9)]]>3.粗差的剔除在信息的傳輸過程中，由于外部噪聲、條碼部分被遮擋和條碼部分不清晰等將引起粗差，剔除粗差對于獲得準確的測量結果具有十分重要的意義。由(8)、(9)兩式可得物像比的殘差vi＝di-d(i＝1，2，...，n)(10)求其標準差σ=Σi=1nvi2n-1---(11)]]>當vi≥3·σ時，可以認為第i個物像比中包含粗差，同時需要計算vi-1和vi+1，以確定應該剔除第i個條碼還是第(i+1)個條碼。如果vi≥3·σ和vi-1≥3·σ，則需要剔除第i個條碼；如果vi≥3·σ和vi+1≥3·σ，則需要剔除第(i+1)個條碼。剔除粗差后，應重新計算物象比d。4.由位置信息計算參考線的位置根據(jù)物像比d，將條碼影像的寬度回放到信息源上條碼的寬度，依據(jù)編碼的順序在存儲器中尋找與該編碼順序一致的編碼，得到第i條碼對應的讀數(shù)Ti。對于精讀數(shù)，按下述方法得到假定第一個有效條碼在CCD傳感器上所對應的讀數(shù)為p1，則第一個有效條碼至參考線(p＝0.0)讀數(shù)為xi＝pi·d+T1(12)同理假定第i個有效條碼在CCD傳感器上所對應的讀數(shù)為pi，則第i個有效條碼至參考線(p＝0.0)讀數(shù)為xi＝pi·d+Ti(13)依(13)式得到n+1個有效條碼至參考線讀數(shù)，取其平均值即為由條碼的位置信息獲得的測量結果X1=Σl=1n+1xl---(14)]]>需要注意pi的正負值與信息源條碼間的對應關系。5.由相位信息計算參考線的位置根據(jù)物像比d，將條碼影像的寬度回放到信息源上條碼的寬度，依據(jù)編碼規(guī)則，可求得各有效條碼的理論碼寬，以黑A碼1為例分別為A1，A2，ΛΛ，An。由此可得殘差方程式 (15)式中Δ——兩相鄰黑A碼1間的相位差，
Ai——碼寬的測量值；h，C——與(1)式中的意義相同； ——第一個有效條碼的相位角。令x=C·coswA1;y=C·sinwA1;]]>fi＝h-Ai；ai＝cos((i-1)·Δ)bi＝sin((i-1)·Δ)。則可以將(15)式轉化成線性形式 依據(jù)最小二乘原理，按(16)式組成方程式 解(17)式可以求得x，y，則wA1=arctgyx---(18)]]> 象限的判別x＞0，y＞0時， 在第一象限；x＞0，y＜0時， 在第二象限；x＜0，y＜0時， 在第三象限；x＜0，y＞0時， 在第四象限。幾個特殊值的判別x＞0，y＝0時， x＜0，y＝0時， x＝0，y＞0時， x＝0，y＜0時， 根據(jù)Δ所對應的像素和參考線到第一個有效條碼的像素，可以求得黑碼A在參考線X處的相位 。同理可求得黑碼B在參考線X處的相位 ，依據(jù)正弦函數(shù)的特點得
則 (19)式為由條碼的相位信息獲得的測量結果。將(14)式和(19)式取平均值作為參考線的最后測量結果X=X1+X22---(20)]]>
權利要求
1.一種用于距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼方法，其特征在于一個碼寬為D的標準碼由“半個黑A碼1+白(黃)碼3+半個黑B碼2”或由“半個黑B碼2+白(黃)碼3+半個黑A碼1”組成。A碼1和B碼2的周期分別為TA、TB，同時A碼1和B碼2包含位置信息和相位信息。
2.如權利要求1所述的用于距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼方法，其特征是可以選擇便于刻線的碼寬來替代理論碼寬，由計算機存儲理論碼寬和實際刻線碼寬間的對應關系。
3.如權利要求1所述的用于距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼方法，其特征是CCD傳感器只需采集4或4個以上連續(xù)有效黑條碼的圖像后，依條碼所包含的位置信息和相位信息分別計算出參考線的測量值，取其平均值作為最后結果。
全文摘要
一種用于距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼方法，包括標準碼的構成、物像比計算、粗差剔除、最小二乘法求解出參考線的結果。依據(jù)編碼方法對信息源進行編碼，由CCD傳感器獲取信息源編碼的圖像后，根據(jù)有效黑條碼中心的間距其圖像的間距求出物像比，將有效黑條碼回放到設計寬度，用條碼的位置信息和相位信息計算出參考線的位置后取平均值為參考線的最后結果。
文檔編號G01D21/02GK1482435SQ0315328
公開日2004年3月17日 申請日期2003年8月14日 優(yōu)先權日2003年8月14日
發(fā)明者楊俊志 申請人:楊俊志