專利名稱:光柵莫爾條紋信號(hào)軟細(xì)分方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種精密位移測(cè)量傳感器(包括角位移和直線位移)信號(hào)處理新方法。
背景技術(shù):
目前精密位移測(cè)量領(lǐng)域90%以上采用的是光柵技術(shù),其測(cè)量基準(zhǔn)采用的是按空間均分的周期性光柵刻線,通過(guò)對(duì)柵線的計(jì)數(shù)而得到位移量。精密測(cè)量要求能夠測(cè)出1μm~0.1μm的直線量和1″~0.1″的角度量,這樣的精度和分辨力單靠光柵傳感器本身的精密刻線是難以實(shí)現(xiàn)的。因此,必須對(duì)傳感器的原始莫爾條紋信號(hào)再做細(xì)分處理,采用細(xì)分的方法來(lái)提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和分辨力。
現(xiàn)有的細(xì)分方法主要有光學(xué)細(xì)分法、機(jī)械細(xì)分法、電子學(xué)細(xì)分法和微處理器軟件細(xì)分法等四大類(lèi)。其中光學(xué)細(xì)分法和機(jī)械細(xì)分法已很少采用,電子學(xué)細(xì)分法和微處理器軟件細(xì)分法具有較高的細(xì)分?jǐn)?shù)、容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和智能化、適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn),得到了廣泛運(yùn)用。由于受光柵傳感器的制造工藝以及照明光源、光柵間隙、光柵衍射、光電元件的特性、電源和環(huán)境溫度等因素的影響,光電元件輸出的信號(hào)都含有高次諧波、殘余直流電平及直流電平漂移、兩路信號(hào)幅度不一致、兩路信號(hào)相位正交性不好等現(xiàn)象,這些因素直接影響現(xiàn)有的各種細(xì)分方法的精度及可靠性。現(xiàn)有的各種細(xì)分方法是建立在光柵輸出的是純凈正弦波信號(hào)基礎(chǔ)上,因此在細(xì)分前要盡可能地將前述影響細(xì)分性能的因素消除,或者通過(guò)軟硬件進(jìn)行誤差數(shù)字補(bǔ)償和修正。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種光柵莫爾條紋信號(hào)軟細(xì)分方法,該細(xì)分方法從原理上就與兩路信號(hào)的正弦性、正交性和一致性等特性無(wú)關(guān),可以對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)細(xì)分,提高光柵測(cè)量系統(tǒng)的精度和分辨力。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下 一種光柵莫爾條紋信號(hào)軟細(xì)分方法,其總體方法是通過(guò)時(shí)空變換技術(shù)將空間域的信息變換到時(shí)間域進(jìn)行處理,利用時(shí)間序列理論建模技術(shù),通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,完成對(duì)時(shí)間量的精確預(yù)測(cè),再利用高速微處理器技術(shù)返回到空間域,輸出具有空間意義的時(shí)間脈沖,完成對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)的實(shí)時(shí)細(xì)分,并對(duì)細(xì)分誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。
本方法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下 ①首先利用過(guò)零檢測(cè)電路將光柵輸出的正余弦信號(hào)整形為空間脈沖信號(hào),再利用空間脈沖觸發(fā)采樣,記錄當(dāng)前的采樣時(shí)刻值,得到一個(gè)空間序列。假設(shè)相鄰兩個(gè)空間脈沖代表的位移量為Δs,即光柵的一個(gè)柵距。
②假設(shè)光柵當(dāng)前和過(guò)去的N+1個(gè)采樣位置(從位置si-N至si)對(duì)應(yīng)的時(shí)間值為ti-N,ti-N+1,...,ti,如圖1所示。其中N代表建模數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。對(duì)時(shí)間值作用差分算子,得到第k個(gè)采樣周期(從位置sk至sk+1)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為 Δtk=tk+1-tk(1) ③對(duì)根據(jù)式(1)計(jì)算得到的時(shí)間差數(shù)據(jù)Δti-N,Δti-N+1,...,Δti-1建立自回歸和滑動(dòng)平均模型,利用時(shí)間序列理論,得到未來(lái)空間采樣位移量Δs(從位置si+1至si+2)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差Δti+1(從時(shí)刻ti+1至ti+2)的預(yù)測(cè)值 其中,L代表最佳線性預(yù)測(cè);aj是模型系數(shù),通過(guò)計(jì)算得到;j代表求和變量;p代表模型的階數(shù)。時(shí)間預(yù)測(cè)方案示意圖如圖2所示,利用建立的模型對(duì)時(shí)間差進(jìn)行預(yù)測(cè),并在預(yù)測(cè)過(guò)程中利用自適應(yīng)算法不斷地根據(jù)預(yù)測(cè)誤差值調(diào)整模型參數(shù)。
④在空間位置si+1信號(hào)到來(lái)(對(duì)應(yīng)于時(shí)間上的ti+1時(shí)刻)后,利用微處理器在根據(jù)式 (2)計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值
時(shí)間內(nèi)以硬件脈寬調(diào)制PWM方式輸出增量式脈沖,脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)算表達(dá)式為 Pi+1=Δs/Q-ei(3) 式中Δs為光柵的一個(gè)柵距,Q為脈沖當(dāng)量,ei為ti時(shí)刻(對(duì)應(yīng)采樣位置si)的細(xì)分誤差(通過(guò)硬件計(jì)數(shù)電路直接采集得到)。
總體來(lái)說(shuō),本技術(shù)方案是利用時(shí)間脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)空間脈沖的實(shí)時(shí)細(xì)分,根據(jù)微處理器軟件預(yù)測(cè)得到的時(shí)間值自動(dòng)調(diào)整輸出的細(xì)分脈沖數(shù)和頻率,采用硬件脈寬調(diào)制方式輸出細(xì)分脈沖信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是,利用軟件對(duì)光柵未來(lái)移動(dòng)一個(gè)柵距的時(shí)間量進(jìn)行預(yù)測(cè),然后根據(jù)預(yù)測(cè)的時(shí)間值自動(dòng)調(diào)整輸出的細(xì)分脈沖數(shù)和頻率,信號(hào)以增量式脈沖形式輸出。所需硬件簡(jiǎn)單,細(xì)分的性能與兩路信號(hào)的正弦性、正交性和一致性等特性無(wú)關(guān),細(xì)分功能主要由軟件實(shí)現(xiàn),對(duì)時(shí)間量的預(yù)測(cè)誤差不會(huì)帶來(lái)細(xì)分誤差的累積。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明方法的工作示意圖,其中圖1A是光柵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)間一位置示意圖,圖1B是光柵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中建模預(yù)測(cè)與細(xì)分示意圖。
圖2是時(shí)間預(yù)測(cè)方案示意圖。
圖3是本發(fā)明的一種具體實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是ARM處理器CAP0中斷服務(wù)流程圖。
圖5是ARM處理器EINT1中斷服務(wù)流程圖。
具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合具體的硬件和軟件說(shuō)明本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn) 參見(jiàn)圖3,采用高速ARM處理器LPC1769(U1)完成各種數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)細(xì)分算法。A、B兩路正余弦信號(hào)分別與由電壓比較器芯片LM211D(U2)構(gòu)成的過(guò)零檢測(cè)器FA、FB端相連,U2輸出的A、B兩路方波信號(hào)經(jīng)過(guò)辨向電路后,其輸出信號(hào)端D接ARM處理器LPC1769(U1)的P1.16腳。A路方波信號(hào)同時(shí)接LPC1769(U1)的CAP0.0腳和EINT1腳,并與CPLD芯片(U3)的信號(hào)鎖存端Lock相連。兩路細(xì)分后的脈沖信號(hào)分別從PWM1和PWM2端輸出,PWM1、PWM2分別與CPLD芯片(U3)內(nèi)部的計(jì)數(shù)與鎖存電路的IA和IB端相連。CPLD芯片(U3)內(nèi)部的計(jì)數(shù)與鎖存電路的信號(hào)使能端En接ARM處理器LPC1769(U1)的P1.17腳,CPLD芯片(U3)的數(shù)據(jù)輸出端D15~D0依次與ARM處理器LPC1769(U1)的P0.17~P0.2端相連。
下面以取N=10,采用三階自回歸模型AR(3)進(jìn)行預(yù)測(cè)為例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程(參見(jiàn)圖4和圖5) 在U1的主程序中,置預(yù)測(cè)模型初值
采樣次數(shù)初值k=0,采樣標(biāo)志Flag=0,并設(shè)置CAP0的中斷優(yōu)先級(jí)高于EINT1中斷,然后處于等待中斷狀態(tài)。整形后的A路光柵方波信號(hào)觸發(fā)U1的CAP0中斷和EINT1中斷,優(yōu)先響應(yīng)CAP0中斷。
當(dāng)中斷次數(shù)k<10時(shí),在U1的CAP0中斷服務(wù)程序中,只進(jìn)行采集tk值的操作,在EINT1中斷服務(wù)程序中,由于Flag=0,不做任何操作就退出。
當(dāng)中斷次數(shù)k=10時(shí),在U1的CAP0中斷服務(wù)程序中,按如下步驟進(jìn)行操作 ①采集t11值。
②計(jì)算 Δtk=tk+1-tk,yk=Δtk,k=8,9,10(4) 這里,yk是為了計(jì)算方便設(shè)置的一個(gè)中間變量。
③利用模型的第10,9,8共三個(gè)數(shù)據(jù),計(jì)算模型的第11個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值 并賦值 ④置高P1.17信號(hào),從P0.17~P0.2端口采集t10時(shí)刻的細(xì)分誤差e10,并計(jì)算t11時(shí)刻輸出的細(xì)分脈沖數(shù) P11=Δs/Q-e10(6) ⑤按在
時(shí)間內(nèi)輸出P11個(gè)細(xì)分脈沖信號(hào)設(shè)置PWM控制器。
⑥設(shè)置k=11,標(biāo)志Flag=1后,開(kāi)中斷并返回。
當(dāng)中斷次數(shù)k=11時(shí),在U1的CAP0中斷服務(wù)程序中,按如下步驟進(jìn)行操作 (I)啟動(dòng)PWM控制器輸出細(xì)分脈沖信號(hào) (II)賦值k=12,采集t12值。
(III)數(shù)據(jù)窗口右移,賦值tj=tj+1,j=1,2,...,11。
(IV)依次執(zhí)行前述②~⑥同樣的操作。
當(dāng)置Flag=1后,在U1的EINT1中斷服務(wù)程序中,按如下步驟進(jìn)行操作 (I)計(jì)算 Δtk=tk+1-tk,yk=Δtk,k=1,2,...,10(7) (II)計(jì)算樣本自協(xié)方差函數(shù)的估計(jì) (III)利用 計(jì)算模型系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種光柵莫爾條紋信號(hào)軟細(xì)分方法,其特征在于所述方法是將光柵輸出的正余弦信號(hào)整形為空間脈沖信號(hào),利用空間脈沖觸發(fā)微處理器采樣,得到光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距的時(shí)間值,利用時(shí)間序列理論對(duì)采樣得到的時(shí)間值進(jìn)行建模,通過(guò)微處理器軟件對(duì)光柵未來(lái)移動(dòng)一個(gè)柵距的時(shí)間值進(jìn)行預(yù)測(cè),然后根據(jù)確定的脈沖當(dāng)量,在預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)輸出代表一個(gè)柵距的細(xì)分脈沖,并在輸出當(dāng)前細(xì)分脈沖信號(hào)時(shí)對(duì)前一次的細(xì)分誤差進(jìn)行修正,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)的高倍數(shù)細(xì)分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵莫爾條紋信號(hào)軟細(xì)分方法,其特征在于所述細(xì)分方法的具體步驟如下
(1)首先利用過(guò)零檢測(cè)電路將光柵輸出的正余弦信號(hào)整形為空間脈沖信號(hào),再利用空間脈沖觸發(fā)微處理器采樣,記錄當(dāng)前的采樣時(shí)刻值,得到一個(gè)空間序列,設(shè)相鄰兩個(gè)空間脈沖代表的位移量為Δs,即光柵的一個(gè)柵距;
(2)假設(shè)光柵當(dāng)前和過(guò)去的N+1個(gè)采樣位置即從位置si-N至si對(duì)應(yīng)的時(shí)間值為ti-N,ti-N+1,...,ti,其中N代表建模數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),對(duì)時(shí)間值作用差分算子,得到第k個(gè)采樣周期即從位置sk至sk+1對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為
Δtk=tk+1-tk(1)
(3)對(duì)根據(jù)式(1)計(jì)算得到的時(shí)間差數(shù)據(jù)Δti-N,Δti-N+1,...,Δti-1建立自回歸和滑動(dòng)平均模型,得到未來(lái)空間采樣位移量Δs,即從位置si+1至si+2對(duì)應(yīng)的時(shí)間差Δti+1的預(yù)測(cè)值
其中,L代表最佳線性預(yù)測(cè);aj是模型系數(shù),通過(guò)計(jì)算得到;j代表求和變量;p代表模型的階數(shù);
(4)在空間位置si+1信號(hào)即對(duì)應(yīng)于時(shí)間上的ti+1時(shí)刻到來(lái)后,利用微處理器在根據(jù)式(2)計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值
時(shí)間內(nèi)均勻輸出增量式細(xì)分脈沖,脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)算表達(dá)式為
Pi+1=Δs/Q-ei (3)
式中Δs為光柵的一個(gè)柵距,Q為脈沖當(dāng)量,ei為ti時(shí)刻即對(duì)應(yīng)采樣位置si的細(xì)分誤差,其通過(guò)硬件計(jì)數(shù)電路直接采集得到。
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用微處理技術(shù)對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行軟細(xì)分的方法,其總體方法是通過(guò)時(shí)空變換技術(shù)將空間域的信息變換到時(shí)間域進(jìn)行處理,利用時(shí)間序列理論建模技術(shù),通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,完成對(duì)時(shí)間量的精確預(yù)測(cè),再利用高速微處理器技術(shù)返回到空間域,輸出具有空間意義的時(shí)間脈沖,完成對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)的實(shí)時(shí)細(xì)分,并對(duì)細(xì)分誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。本發(fā)明用于對(duì)光柵莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)細(xì)分,以提高光柵測(cè)量系統(tǒng)的精度和分辨力。
文檔編號(hào)G01B11/25GK101813463SQ201010151619
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者劉小康, 彭東林, 楊繼森, 鄭方燕 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)