本發(fā)明涉及精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種二維絕對位移編碼器。

背景技術(shù)：

光柵傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代精密測量儀器、數(shù)控機(jī)床、光刻機(jī)、超精加工等領(lǐng)域，是現(xiàn)代精密測試典型的測量設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)計量光柵沒有零位標(biāo)志，測量時通過計算自設(shè)置零點(diǎn)開始的增量數(shù)獲得當(dāng)前相對位置信息，如果在測量過程中由于停機(jī)等原因，造成原測量結(jié)果丟失，必須重新尋零和測量。為了解決增量式光柵復(fù)位尋零的問題，本專利采用包含絕對位置信息編碼的光柵，開機(jī)時絕對式光柵尺通過讀取當(dāng)前的位置編碼，得到當(dāng)前的絕對位置測量值。采用該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要尋找參考零點(diǎn)，可以在斷電后，再次給電時對當(dāng)前位置進(jìn)行絕對位置測量，無需“歸零”操作，因此可廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工機(jī)床。

對于二維的測量，通常采用的是兩組相互垂直的線編碼系統(tǒng)，分別讀取兩個線編碼器的輸出值就可以得到當(dāng)前位置的二維絕對位置測量值。但該系統(tǒng)裝夾定位的精度對二維平面運(yùn)動的測量影響很大，安裝定位時往往造成阿貝誤差降低測量結(jié)果的精度，同時這種測量方法組成的測量系統(tǒng)占據(jù)較大的空間，對于一些小空間測量造成困難，給測量帶來不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種二維絕對位移編碼器，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速解碼，輸出二維絕對位置測量值，可廣泛應(yīng)用于二維工作臺絕對定位與測量系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

二維絕對位移編碼器，其特征在于：包括平行光源(1)、二維絕對編碼碼道(2)、成像透鏡組(3)、孔徑光闌(4)、圖像傳感器(5)以及fpga信號處理系統(tǒng)(7)；所述平行光源(1)發(fā)出的平行光照射到二維絕對編碼碼道(2)發(fā)生反射，經(jīng)成像透鏡組(3)、孔徑光闌(4)成像于圖像傳感器(5)上；所述圖像傳感器(5)用于采集包含當(dāng)前絕對位置的編碼圖像并發(fā)送到fpga信號處理系統(tǒng)(7)；所述fpga信號處理系統(tǒng)(7)包括cmos配置模塊(6)和依次連接的圖像讀取、圖像處理模塊(11)、編碼識別模塊(10)、位移譯碼模塊(9)、vga顯示模塊(8)，cmos配置模塊(6)的信號輸出端與圖像傳感器(5)連接，圖像傳感器(5)的信號輸出端與圖像讀取、圖像處理模塊(11)連接，fpga信號處理系統(tǒng)(7)配置并驅(qū)動圖像傳感器(5)進(jìn)行圖像采集；所述fpga信號處理系統(tǒng)(7)用于對數(shù)字圖像進(jìn)行中值濾波、二值化處理后，驅(qū)動sdram進(jìn)行圖像緩存，然后進(jìn)行編碼識別得到二維絕對編碼值經(jīng)過譯碼處理獲得當(dāng)前二維絕對位置測量值。

二維絕對編碼碼道(2)由大小相同的反射或不反射光的碼元構(gòu)成，采用偽隨機(jī)編碼方式，二維編碼矩陣的各行列初始值相同，且變換公式相同，都為同一編碼下的m序列，同時為擴(kuò)大量程，引進(jìn)另外一組表示數(shù)值大小的序列，用以確定大范圍的位置值。如此得到的絕對位移編碼序列滿足奇數(shù)(偶數(shù))項(xiàng)是m序列，用以確定當(dāng)前位置相對基準(zhǔn)的偏移量；其偶數(shù)(奇數(shù))項(xiàng)則表示數(shù)值大小的一組二進(jìn)制數(shù)，用以確定當(dāng)前位置所對應(yīng)的基準(zhǔn)值。

二維絕對編碼碼道(2)的任意行或列c1c2c3......c62c63c64......cn.......，按照公式bi＝d0ci^d1ci+1^d2ci+2^......^dhci+h(其中^表示位異或運(yùn)算。d0＝1，d1,d2,.......,dh為0或者1且d1,d2,d3......dh-1有且僅有奇數(shù)個參數(shù)為1)變換得到的bi滿足：(1)奇數(shù)項(xiàng)(偶數(shù)項(xiàng))為m序列(若m序列為j階，則它的循環(huán)長度為2^j-1)；(2)偶數(shù)項(xiàng)(奇數(shù)項(xiàng))為表示數(shù)值大小的一段序列(以2^j-1為循環(huán)長度，后一段表示的數(shù)值大小比前一段大1)。

編碼識別模塊(10)的識別步驟是：第一步，需要計算每個編碼單元在圖像傳感器面陣cmos上成像所占用的像素w；第二步，確定第一個白條紋位置x1，計算“0”碼的個數(shù)為(x1-1)/w，并將“0”碼存儲；第三步，確定下一個黑條紋位置y，計算“1”碼的個數(shù)為(y-x1)/w，并將“1”碼存儲；第四步，確定下一個白條紋位置x2，計算“0”碼的個數(shù)為(x2-y)/w，并將“1”碼存儲，再將x2的值賦給x1；循環(huán)第三步與第四步直到達(dá)到要求的編碼個數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中，由于m序列的循環(huán)位數(shù)有限，能確定的位置值也是有限的，引進(jìn)另外一組序列，用于表示數(shù)值大小，用以確定大范圍的位置值，極大增大的系統(tǒng)的量程；由于采用m序列進(jìn)行絕對位置的測量，使系統(tǒng)的量程可以隨著m序列的階數(shù)增加而得到擴(kuò)展，改善了現(xiàn)有確定性編碼系統(tǒng)中量程難以擴(kuò)展的缺點(diǎn)；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時性強(qiáng)，可以快速實(shí)現(xiàn)解碼輸出二維絕對位置測量值。

附圖說明

圖1是二維絕對位移編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是二維絕對位移編碼器的二維編碼圖樣。

圖3是二維編碼識別算法流程圖。

圖4是二維絕對位移編碼器的流程圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖1，二維絕對位移編碼器，包括平行光源1、二維絕對編碼碼道2、成像透鏡組3、孔徑光闌4、圖像傳感器5以及fpga信號處理系統(tǒng)7。所述二維絕對編碼碼道2由大小相同的反光或不反光的碼元構(gòu)成，其編碼規(guī)則為偽隨機(jī)碼；所述平行光源1發(fā)出的平行光照射到二維絕對編碼碼道2發(fā)生反射，經(jīng)成像透鏡組3、孔徑光闌4成像于圖像傳感器5上；所述圖像傳感器5用于采集包含當(dāng)前絕對位置的編碼圖像并發(fā)送到fpga信號處理系統(tǒng)7；所述fpga信號處理系統(tǒng)7包括cmos配置模塊6、圖像讀取、圖像處理模塊11、編碼識別模塊10、位移譯碼模塊9、vga顯示模塊8。所述fpga信號處理系統(tǒng)7用于對數(shù)字圖像進(jìn)行中值濾波、二值化處理后，驅(qū)動sdram進(jìn)行圖像緩存，然后進(jìn)行編碼識別得到二維絕對編碼值經(jīng)過譯碼處理獲得當(dāng)前二維絕對位置測量值。

參照附圖2，對于二維絕對位移編碼器的二維編碼圖樣的產(chǎn)生步驟：選取階數(shù)為4的m序列，選取序列初值為1111，所以組成的15位序列即為：{111101011001000}，即{b1b3…b15}＝{111101011001000}。取轉(zhuǎn)換公式：由于m序列循環(huán)周期為2^j-1，因此為擴(kuò)大量程，需引入另外一組表示數(shù)值大小的序列，確定大范圍的位置值，以適應(yīng)實(shí)際的應(yīng)用場合。因此再取{b2b4…b16}＝{000000000000000}，取編碼初值為{a1a2a3}＝{111}，就可以產(chǎn)生33位二進(jìn)制編碼。而后，{b2b4…b16}的值依次加一，如此循環(huán)進(jìn)行編碼即可得到一行編碼值。按照以上編碼方式，先生成三行相同的編碼；利用這三行編碼的前三列值為列編碼的初值，同樣利用相同的轉(zhuǎn)換公式和初值，生成前三列二進(jìn)制編碼；最后利用這三行與三列編碼可以生成需要位數(shù)的二維絕對式編碼行列表。

二維絕對式位移編碼器的解碼過程主要包括以下幾個步驟：

1、截取長度k＝4*(2^j-1)+h＝4*(2⁴-1)+3＝63的橫向編碼為ai,jai,j+1ai,j+2......ai,j+62和縱向編碼為ai,jai+1,jai+2,j......ai+62,j；

2、對數(shù)組ai,j按公式bn＝an^an+1^an+2^an+3變換，將bn的奇數(shù)項(xiàng)放入數(shù)組b1one，將其偶數(shù)項(xiàng)放入數(shù)組b1two；

3、判決通道，如果b1one為m序列，判斷子序列{1111}在b1one中的位置，確定p1，同時b1two為表示大范圍計數(shù)值，即p1，得到絕對位置編碼i＝p1+p2*(2^j-1)*2+1；如果b1two為m序列，判斷子序列{1111}在b1two中的位置，確定p1，同時b1one為表示大范圍計數(shù)值，即p1，得到絕對位置編碼i＝p1+p2*(2^j-1)*2；

4、將得到的絕對編碼i轉(zhuǎn)化為絕對位置p＝(40*i)um。

參照附圖3，編碼識別模塊的識別步驟：第一步，需要計算每個編碼單元在圖像傳感器面陣cmos上成像所占用的像素w。第二步，確定第一個白條紋位置x1，計算“0”碼的個數(shù)為(x1-1)/w，并將“0”碼存儲。第三步，確定下一個黑條紋位置y，計算“1”碼的個數(shù)為(y-x1)/w，并將“1”碼存儲。第四步，確定下一個白條紋位置x2，計算“0”碼的個數(shù)為(x2-y)/w，并將“1”碼存儲，再將x2的值賦給x1。循環(huán)第三步與第四步直到達(dá)到要求的編碼個數(shù)。

參照附圖4，二維絕對位移編碼器的細(xì)分采用灰度重心法?；叶戎匦姆梢钥闯墒且曰叶葹闄?quán)值的加權(quán)形心法?；叶葓D像i(i,j)中目標(biāo)s的灰度重心(x0,y0)為

其中w(i，j)為權(quán)值，取w(i，j)＝i(i,j)。

為了對某一條白條紋用灰度重心法進(jìn)行精確定位。下面給出一種改進(jìn)的權(quán)值選取方法，即閾值灰度重心法。首先選取合適的灰度閾值t，對目標(biāo)灰度i(i,j)做如下操作：

其中t為選取的閾值。

然后將求得的相對灰度值w(i，j)作為權(quán)值代入灰度重心公式中，求得相應(yīng)的灰度重心值，從而得到與測量標(biāo)準(zhǔn)的偏差。

參照附圖4，二維絕對位移編碼器的測量步驟為：

1、將平行光源發(fā)出的平行光照射到二維絕對編碼碼道發(fā)生反射，經(jīng)成像透鏡組、孔徑光闌成像于圖像傳感器面陣cmos上。

2、fpga配置并驅(qū)動圖像傳感器面陣cmos進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過中值濾波、二值化處理后送到sdram進(jìn)行緩存。

3、信號處理模塊對編碼圖像進(jìn)行圖像處理，得到二維絕對式編碼，經(jīng)過譯碼程序后得到當(dāng)前二維絕對位置測量值。

以上所述的本發(fā)明實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。