连续运动高精度全参数检测方法

摘要

一种连续运动高精度全参数检测方法，属于运动测量技术领域中涉及的一种实现连续运动的位置、速度和加速度高精度全面测量的方法。本发明要解决的技术问题是：对光电编码器输出的脉冲信号进行处理，在不改变编码器物理结构的前提下，提高其分辨率，实现全参数高精度检测。解决的技术方案是：分为基础位置测算、速度测算、建立速度预测函数、精确的位置测算、瞬时速度测算、加速度测算、建立加速度预测函数、瞬时加速度测算八个步骤。通过基于高频时钟计数和时间数字转换技术进行高精度计时，并自适应地调整检测周期，得到高精度的速度。在此基础上，通过建立速度和加速度预测函数精确测算位置、瞬时速度和加速度。可用于低成本高性能运动检测。

主权项

一种连续运动高精度全参数检测方法，其特征是利用光电编码器作为基本检测元件，配以高精度计时器作为检测函数建立和检测采样时刻的计时工具，通过以下步骤分别完成运动位置、速度和加速度的高精度测算：第一步，采用脉冲计数器对光电编码器输出的脉冲信号进行计数，记录下本次检测开始时的脉冲数Ni‑1以及经过给定的检测周期后检测结束时的脉冲数Ni，并用高精度计时器测算出以编码器脉冲边沿为界的本次检测的实际检测周期Ts(i)；第二步，将所测得的值代入下式计算出该检测周期内的速度Vi： V i = δ P ( N i - N i - 1 ) T s ( i ) 式中，δP——光电编码器的脉冲当量；Ni——检测周期结束时的脉冲数；Ni‑1——检测周期开始时的脉冲数；Ts(i)——检测周期；第三步，建立速度预测函数：重复第一、第二步测算出一系列速度数据(Vi‑n…，Vi‑2，Vi‑1，Vi)，并根据所测得的速度数据拟合出速度预测函数v(t)；第四步，运动位置测算：以最近收到的编码器脉冲信号的上升沿对应的位置为参考位置，根据速度预测函数v(t)与积分计算原理按以下公式计算确定位置： S = S 0 + ∫ T a T b v ( t ) dt 式中，S0——参考位置；v(t)——速度预测函数；TP——采样时刻；Ta——最近的脉冲上升沿时刻；第五步，瞬时运动速度测算：将高精度计时器测出的时间Tp代入第三步建立的速度预测函数中，即可计算出采样信号到达时刻TP对应的速度；第六步，加速度测算：将检测周期Ts(i)内开始和结束时测算的速度差与检测周期Ts(i)相比即可得到加速度值： A i = V i - V i - 1 T s ( i ) 式中，Vi、Vi‑1——检测周期结束和开始时的速度测算值；Ts(i)——检测周期；第七步，建立加速度预测函数：重复第六步得到一系列加速度测算历史数据(Ai‑n…，Ai‑2，Ai‑1，Ai)，然后拟合出加速度预测函数a(t)；第八步，瞬时加速度测算：将高精度计时器测出的采样时刻Tp代入第七步建立的加速度预测函数中，即可计算出采样信号到达时刻Tp对应的加速度作为检测结果输出即可获得所需的瞬时加速度；运动初始阶段，检测周期Ts(i)设为第一个脉冲上升沿至第二个检测脉冲上升沿之间的时间间隔；此后，为使速度检测结果在很宽的速度范围内都具有高精度，通过检测周期调整器根据测算的速度值对检测周期进行自适应调整；调整方法是：以编码器脉冲上升沿为边界，将检测周期Ts(i)设为连续收到N个编码器脉冲所经历的时间间隔，N为≥1的整数；如果本次测算出的速度值较大，则增大N值，即将下一次检测的截止时刻定在接收到更多数量的编码器脉冲之后；如果本次测算出的速度值较小，则减小N值，即将下一次检测的截止时刻定在接收到更少数量的编码器脉冲之后；检测周期Ts(i)的测量由高精度计时器完成，由编码器脉冲的上升沿触发高精度计时器开始计时，当检测周期结束时，由最后一个脉冲的上升沿触发计时器停止计时；由于开始计时与停止计时脉冲的边界与高精度计时器的高频时钟脉冲的边界并不对齐，为了提高计算精度，采用高精度时间数字转换技术对检测周期进行修正，时间数字转换技术修正后的检测周期Ts(i)的值：Ts(i)＝TN+Ta(i‑1)‑Ta(i)＝NcTc+(Na(i‑1)‑Na(i))τ式中，τ——时间数字转换的量化周期；Na(i‑1)、Na(i)——Ta(i‑1)和Ta(i)对应的量化周期数，用计数器测量；Ta(i‑1)——高频脉冲计时前端残差，小于一个高频时钟脉冲周期；Ta(i)——高频脉冲计时后端残差，小于一个高频时钟脉冲周期；Tc——高频计时脉冲的周期；Nc——TN范围内测得的脉冲数，用计数器测量；TN——高频脉冲计时得到的时间值，等于高频时钟周期整数倍。