增量式光柵編碼器在激光掃描雷達(dá)的應(yīng)用研究*

楊 孟，徐衛(wèi)明，肖 林，舒 嶸

（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

0 引言

激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)需要以發(fā)射激光對(duì)探測(cè)目標(biāo)的掃描為前提，現(xiàn)有的掃描方式有多種，大體可分為電光掃描、聲光掃描、光機(jī)掃描3種［1，2］。電光掃描和聲光掃描沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，且體積小，速度快，但掃描角度小，技術(shù)上還不是很成熟。目前應(yīng)用較多的還是光機(jī)掃描，常見(jiàn)光機(jī)掃描裝置主要有:振鏡掃描、旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描、光纖掃描、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描和快速指向鏡掃描［3］。

振鏡掃描是通過(guò)X-Y軸電機(jī)帶動(dòng)反射鏡片偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)平面掃描的，采用增量式光柵作為掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)角傳感器。增量式光柵編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、精度高、非接觸測(cè)量、數(shù)字式輸出等優(yōu)點(diǎn)［4］。本文針對(duì)增量式光柵傳感器在全數(shù)字振鏡掃描系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 光柵編碼器工作原理及其測(cè)量電路

1.1 光柵編碼器工作原理

一個(gè)完整的增量式光柵編碼器主要由光柵、發(fā)光二極管、透鏡、光電二極管接收器四部分組成。

圖1 光柵刻線示意圖Fig 1 Schematic diagram of the grating graduating

增量反射式光柵編碼器是基于光柵相對(duì)光電二極管接收器運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的莫爾條紋進(jìn)行工作的，莫爾條紋是增量反射式光柵編碼器工作的基礎(chǔ)。莫爾條紋的特性由光柵刻線決定，光柵刻線如圖1所示。α為刻線寬度，b為縫隙寬度，W為光柵柵距，相鄰的2個(gè)光電二極管安裝間距為（n+1/4）W。當(dāng)光柵相對(duì)光電二極管接收器運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出一對(duì)相位相差90的正交正弦差分信號(hào)

式中Uav為輸出信號(hào)中直流分量，Um為幅值，θ為相位偏移量，x為光柵位移。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)光柵柵距時(shí)，輸出信號(hào)輸出一個(gè)正弦周期。當(dāng)正向移動(dòng)時(shí)，ua超前ub90°;反之，ua滯后ub90°?？梢?jiàn)光柵的移動(dòng)距離和移動(dòng)方向包含在輸出信號(hào)的相位中。

1.2 增量式光柵編碼器測(cè)量電路

一般的增量式光柵編碼器測(cè)量電路包括信號(hào)放大、整形、細(xì)分、四倍頻、判向以及加減計(jì)數(shù)六部分組成。

由于增量式光柵編碼器的刻線有限，原始輸出信號(hào)的分辨率一般達(dá)不到要求。如美國(guó)GSI/MicroE Systems公司的Mercury 1200R1206，光柵柵距L為20 μm，光學(xué)直D為10.05 mm，分辨率為 3.808 mrad（或 0.218°）。在激光雷達(dá)中，掃描機(jī)構(gòu)的掃描精度一般在角秒級(jí)。可見(jiàn)一般光柵在不進(jìn)行細(xì)分的情況下很難滿足要求。目前常見(jiàn)的細(xì)分方法主要有3種［5～7］:查表法、RBF神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)倍頻法以及二相型PLL法。前2種方法的基本原理相同，都是對(duì)輸入的原始信號(hào)進(jìn)行采樣，然后合成高頻信號(hào)，推導(dǎo)出原始輸入信號(hào)的相位變化情況，即光柵的位移。不同之處在于，第二種方法在第一種方法的基礎(chǔ)上增加了對(duì)原始輸入信號(hào)的預(yù)處理，如糾正直流誤差、相位偏差、幅度偏移以及波形失真等，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

通過(guò)細(xì)分后的輸出的信號(hào)為兩路相差90°的方波信號(hào)。正向時(shí)，A 超前于 B，狀態(tài)變化規(guī)律為 00，10，11，01;反向時(shí)，A 滯后于 B，狀態(tài)變化規(guī)律為 01，11，10，00。A，B 輸出的方波數(shù)和圓增量式光柵轉(zhuǎn)過(guò)的角度是線性關(guān)系，累計(jì)輸出的方波數(shù)及其相互間的相位關(guān)系即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)角的位置［8，9］。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圓增量式光柵編碼器將電機(jī)角度的變化轉(zhuǎn)換為正交方波脈沖的增減計(jì)數(shù)，為了對(duì)增量式光柵編碼器在激光振鏡掃描系統(tǒng)中的性能進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的振鏡電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。增量式光柵編碼器安裝在振鏡電機(jī)底部，每轉(zhuǎn)輸出正弦周期計(jì)數(shù)1650，輸出三對(duì)差分信號(hào):兩對(duì)正交的正弦差分信號(hào)，一對(duì)用于指示光柵零點(diǎn)的矩形脈沖差分信號(hào)。采用查表法對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行16倍細(xì)分后進(jìn)入DSP，再進(jìn)行4倍細(xì)分和辨向計(jì)數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。通過(guò)細(xì)分后，增量式光柵編碼器的角度分辨率

同時(shí)，對(duì)振鏡電機(jī)的電樞電流進(jìn)行A/D采用，和轉(zhuǎn)角一起反饋給DSP，對(duì)振鏡電機(jī)進(jìn)行控制。上位機(jī)通過(guò)RS—232串口對(duì)DSP進(jìn)行控制，如電機(jī)的轉(zhuǎn)停、控制參數(shù)的設(shè)置以及電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)視等。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與標(biāo)定

為了對(duì)增量式光柵編碼器的實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定，需要采用另外一種精確方法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，然后與增量式光柵編碼器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。這里采用光電經(jīng)緯儀對(duì)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，其精度可以達(dá)到0.5″，測(cè)試標(biāo)定裝置原理圖如圖2所示。

圖2 光柵傳感器測(cè)試標(biāo)定裝置原理圖Fig 2 Principle diagram of testing and calibration equipment for grating sensor

3.1 線性度測(cè)試和標(biāo)定

理論上電機(jī)轉(zhuǎn)角和增量式光柵編碼器計(jì)數(shù)是線性關(guān)系，θ=KΔθ，其中，K為增量式光柵編碼器計(jì)數(shù)，Δθ光柵細(xì)分后的分辨率，θ為電機(jī)轉(zhuǎn)角。測(cè)量方法如下:將振鏡電機(jī)連同掃描鏡固定在支架上，一起放置于高精度轉(zhuǎn)臺(tái)之上，數(shù)字控制系統(tǒng)加電將振鏡電機(jī)轉(zhuǎn)角控制在零位，調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀使光束和鏡面垂直，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)顯儀清零。然后通過(guò)指令控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度，反向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)，使光束和鏡面重新垂直，從轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)顯儀得到一個(gè)轉(zhuǎn)角，這轉(zhuǎn)角就是相應(yīng)的電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角。依次輸入一組轉(zhuǎn)角，從光電經(jīng)緯儀測(cè)出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角。光柵傳感器的絕對(duì)誤差曲線和線性擬合曲線如圖3所示。

光柵編碼器的絕對(duì)誤差和線性度主要是由光柵的機(jī)械加工和安裝精度決定的，包括安裝偏心、安裝傾斜以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸晃動(dòng)等，其中安裝偏心對(duì)柵編碼器的絕度誤差和線性度影響最大，其它因素可以忽略［10］。假設(shè)光柵讀數(shù)頭所在圓的圓心和光柵所在圓的圓心的連線經(jīng)過(guò)光柵編碼的指示窗口，則由安裝偏心引起的誤差θe和光柵轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為

圖3 光柵傳感器的絕對(duì)誤差曲線和線性擬合曲線Fig 3 Absolute error curve and linear fitting curve of optical grating sensor

當(dāng)θe，θ較小時(shí)，式（4）變?yōu)?/p>

采用線性擬合可得到K=－1.234 886。將r=D/2=5.025 mm帶入式（6）可得d=3.45 μm。可見(jiàn)安裝的偏心距離還是比較小的，光柵編碼器具有較好的線性度。由測(cè)量結(jié)果計(jì)算可得，該增量式光柵編碼器的線性度可以達(dá)到99.97%。

3.2 重復(fù)定位誤差測(cè)試

重復(fù)定位誤差決定了增量式光柵編碼器靜態(tài)誤差。采用重復(fù)上電多次測(cè)量靜態(tài)誤差的方法，可以測(cè)量振鏡系統(tǒng)的重復(fù)定位誤差。靜態(tài)誤差是指在穩(wěn)態(tài)時(shí)命令角度和實(shí)際測(cè)量角度之間的誤差。采用振鏡測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量振鏡在不同控制角度下的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度，每次測(cè)試從－10°～+10°，間隔為1°，共21個(gè)固定的角度。測(cè)完一次后，振鏡電機(jī)控制系統(tǒng)斷電后再上電，進(jìn)行新的一次測(cè)量，總共進(jìn)行了12次測(cè)量。經(jīng)過(guò)處理得到增量式光柵編碼器的重復(fù)定位誤差標(biāo)準(zhǔn)方差曲線，如圖4、圖5所示。重復(fù)定位標(biāo)準(zhǔn)方差是每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的12個(gè)數(shù)據(jù)求標(biāo)準(zhǔn)方差，即

θi1為第i個(gè)角度的第j次測(cè)量值，i=1，2，…，21，j=1，2，…，12。重復(fù)定位誤差最大值是每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的最大值和最小值的差值，即

圖4 光柵傳感器的重復(fù)定位標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig 4 Repetitive locating standard deviation curve of optical grating sensor

圖5 光柵傳感器的重復(fù)定位誤差最大值曲線Fig 5 Repetitive locating maximum error curve of grating sensor

4 結(jié)論

本文對(duì)增量式光柵編碼器的工作原理和測(cè)量方式進(jìn)行了論述，并對(duì)增量式光柵編碼器在全數(shù)字振鏡掃描系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究和實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了增量式光柵編碼器細(xì)分模塊和基于DSP數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)高精度光電經(jīng)緯儀對(duì)增量式光柵編碼器的線性度和重復(fù)定位精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:增量式光柵編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、精度高、非接觸測(cè)量、數(shù)字式輸出等優(yōu)點(diǎn)，可以為激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)提供高精度的位置信息。

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