亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：用于角度测量设备的角度测量方法和校准方法以及角度测量设备的制作方法
用于角度测量设备的角度测量方法和校准方法以及角度测量设备本发明涉及一种根据权利要求I和11的前序部分的用于角度测量设备的校准方法和角度测量方法，以及一种根据权利要求15的前序部分的用于执行该方法的计算机程序产品和一种根据权利要求14的前序部分的角度测量设备，以及借助其可以补偿多个系
统性测量误差。角度测量系统多年以来以各种实施形式而公开。角度测量系统如应用在各种测量设备例如大地测量设备、坐标测量设备或机器人中，也应用在机器制造和设备制造中。在其应用中，任务是确定在两个相对彼此在一个自由度上可转动的子系统之间的角度偏差或相应地由此导出的变量譬如速度或加速度。例如，这种角度测量系统用于坐标测量设备，譬如应用在关节杆中，用于确定在各个关节中的角位置，根据角位置随后计算安置在臂端部上的扫描元件的空间位置。这样的角度测量器也安装在侧地测量设备譬如经纬仪中，借助其执行各种测量任务譬如确定水平角度和垂直角度。同样，这样的角度测量系统可应用在设备和机器中，以便检测机器部件譬如驱动装置、枢转头、节流阀、转动台等等的位置。在此所检测的位置可以用作测量目的的位置值，或也用于通过具有位置调节回路的驱动装置来定位部件。角度测量系统由两个可在一个自由度上彼此相对运动的子系统构建。第一子系统带有位置编码，其由安置在第二子系统上的读取头完全或部分检测。分析单元通过分析读取头的信号因此可以确定两个子系统彼此间的位置。如果位置编码是绝对编码，则至少分区段地可以确定两个子系统彼此间的唯一的角位置值。通常在此情况下，编码表用于将位置编码转换成角位置值。多个目前可供使用的角度测量系统包含多个读取头，其用以以提高的测量精度来确定角位置值，其方式是例如通过对各个角位置值求平均值而减小非系统性误差譬如信号噪声。在其他应用中，多个读取头也可以用于通过冗余而避免带有误差的测量值。由出现的多个误差的系统性特性所限，这些误差通过这样的平均并未充分地校正。尤其是关于整转为谐波的误差，具体而言，低阶的谐波误差(如其例如在转动传感器的情况下由于偏心、轴承误差、码分割误差等等而形成)在实践中通常是整个误差的大部分。因此，特别有兴趣检测其并且相应地校正测量值。为此，已知了校准角度测量器的各种可能性。为了校准高精度的角度测量设备，需要最高精度的校准装置，其精度必须明显高于待校准的受检物的精度。因此，这样的装置在制造方面相当复杂并且因此成本高昂。通常，校准过程也与非常高的时间开销和人工开销相联系。因此尝试使该过程尽可能地自动化并且取消昂贵的装置。因此，在EP O 440 833B1公开文献中描述了一种角度测量设备，其中借助多个读取头根据离散递归计算检测并且校正系统性故障。在此情况下，为了完全修正在整个测量 范围上由于递增编码而造成的误差，需要大量读取头、或必须借助外部参考系来工作，该参考系从外部规定已知的位置。在实践中，这种递归计算由于误差传播和始终存在的噪声成分所限，也立刻遇到在可达到的精度方面的极限。在DE 11 2006 003 663T5中公开了将角度误差展开成傅里叶级数，该傅里叶级数特别适于描述和修正转动传感器在360°的整个测量范围上的谐波误差。借助在此所使用的各个分开的读取头可以精确地确定更高阶次的谐波角度误差。由于在使用傅里叶分析的情况下并不足以精确确定分开的读取头覆盖的小角度的低阶次谐波，所以首先通过对子系统彼此间预确定的外部定位也可实现精确确定低阶次误差。例如，在尽可能对置的位置上的测量有利于借助傅里叶分解来确定第I阶次谐波，这是因为由此该第I阶次谐波大部分可确定并且因此也可以以相应的良好信噪比来确定(参见后续的等式I)。然而为此在该公开内容中，外部参考是必须的，其将传感器定位在预先确定的位置中，以便也能够以足够的精度确定低阶次谐波。
EP I 944 582A1示出了一种方法，其为了借助探测器装置来确定对角度测量器中的偏心率的至少一个影响量而对位置进行分析，其中该探测器装置由四个光学探测器元件、一个可旋转的转动体构成，该旋转体具有多个围绕图案中心设置的图案元件，所述图案元件至少部分成像到探测器装置上，并且该方法确定了图案中心相对于探测器装置的探测器中心的偏心率。在此所使用的对四个探测器的布置是对称的，其中探测器沿着转动体的圆周均匀地分开，由此例如不能确定四次谐波。DE 103 57 602A1同样描述一种角度传感器，其中在外部预先确定的角位置上的校准过程期间，确定测量值与外部预先确定的角位置之差，并且展开成傅里叶级数。级数系数被存储，并且已经存储的系数此后用于修正测量值。在此情况下也可以仅借助外部参考来校准。在Tsukasa Watanbe 等人的文章“Self Calibrationg Rotary Encoder，，(其发表于物理学期刊(第13期，2005年第240-245页)中)中描述了一种自校准的转动传感器，其与多个等距设置在圆周上的读取头一起工作。在期刊“Measurement Science and Technology”(第 19 期，2008 年)中，由R. Probst 以文章 “Self-calibration of divided circles on the basis of a primefactor algorithm”描述了通过应用离散傅里叶变换的质因数分解来自校准分度圆。已知方法中的缺点是，只能借助角度测量系统的从外部预给定的定位以足够的精度来确定误差修正，尤其是低阶次的谐波误差的误差修正。因此，只能借助外部辅助装置进行校准以减小误差。这使校准极为复杂，尤其是在将角度测量器安装到设备之后。此外，也没有重新校准已制成的设备的简单方案，以便例如能够对变化的环境条件或潜在的误差源如冲击作用和撞击作用做出反应，因为对安装在设备中的传感器的高精度外部定位通常是困难的或甚至是可能的。基于此背景，因此一般性任务是通过校准补偿现有误差来改进角度测量系统的角度精度。具体的任务因此是提供一种具有改进的误差补偿的校准方法。尤其是，一个任务在于提供一种校准方法，其无参考系地工作并且借助该校准方法在无需任何外部辅助措施和角度预给定的情况下可以执行校准。配备有这样的校准方法并且针对这样的校准方法所配备的角度测量系统因此提供例如如下可能性任何时间在没有昂贵的校准单元的情况下独自地校准。此外，这样的不带外部辅助装置的无参考系的校准也称作自校准。本发明的一个具体任务还在于，以高精度实现误差修正，特别是针对角度测量系统的主要误差，其尤其是在角度测量器中经常以相对于完整一转的低阶次谐波误差形式出现。在此，此外也要使用尽可能少的读取头，以便将角度测量系统的成本、复杂度和误差敏感性保持为低。特别是在移动使用中，角度测量系统的能量需求也要保持得尽可能�。�以便例如能够保证电池驱动的大地测量设备的长运行时间。因此，另一任务是使用尽可能少的读取头和尽可能不用计算密集的修正算法。此外，不多的读取头和简单的修正算法能够实现测量系统的更高分析速度，因此实现了对用户而言更短的测量时间。该任务通过独立权利要求的特征部分的实现来解决。以另选或有利方式改进的本发明特征可从从属权利要求得到。
·
根据本发明的角度测量器通过根据本发明布置多个确定绝对位置的读取头和确定误差系数的相关方法和借助误差系数来修正测量值的方法来解决该任务。在此，通过相应地布置读取头和绝对编码能够实现精确确定谐波误差，特别是低阶次的主要谐波误差，仅通过角度测量系统本身来实现。所确定的误差随后可以借助所描述的修正方法在确定测量值时予以考虑并且因此可以输出校正过的测量值用以进一步处理。谐波误差例如可能源于装配时的偏心率、劣质的支承、倾斜的装配、码盘的刻度误差、码盘的摆动、热或机械变形、码盘的误调、老化现象或其他情况。在实践中，在此通常低阶次(例如最高第10或15阶次)的谐波就比例而言占据主导地位。因此，特别应当精确检测这类谐波，这是因为其占总误差的最大比例。在此，在角度传感器中，特别是主要角度误差作为至少达到第8阶次的谐波提供了主要的误差分量，并且因此应当包含在具有高精度的用于鉴定的数学函数或级数中，至少具有至少25%的信噪比。所使用的角度测量系统由至少两个相对彼此可在一个自由度上运动的子系统构成。这些子系统中的第一子系统带有位置编码，而第二子系统配备有至少两个用于检测该位置编码或其一部分的读取头。或者，也可以有多个彼此连接的子系统，其分别具有一个或多个读取头。当然，读取头的布置或结构至少必须适于检测在至少两个不同角位置上的位
置编码。所述至少两个读取头相对彼此以固定的已知角距安置。角位置选择为使得在两两相邻的读取头之间的角距中的至少一个是与其余角距不同的，尤其是其中，读取头相对彼此可以具有大于50度的角距。同样可以应用具有长形传感器或二维传感器的读取头，根据本发明此时借助它可以在至少两个角位置读取位置编码，所述至少两个角位置尤其是以至少50度的角度彼此间隔。由此在本发明意义下例如也可以通过单独的物理读取头来实现这里所描述的两个或多个读取头。位置编码是绝对式位置编码，读取头在编码载体的外周上的绝对角位置可以根据该绝对式位置编码来确定。除了实施为码盘之外，也已知了带有编码载体的转动传感器，在转动传感器中角度刻度安置在所缠绕的带上并且位置编码是从这些带上读取的。编码载体的编码例如可以以具有串行绝对编码(例如具有最大序列)的编码轨迹或多个编码轨迹(例如具有多个平行的编码轨迹，这些编码轨迹表现为二进制位置编码)的形式实施，借助编码轨�？梢跃�对地确定位置。也可能的是，使用仅一个仅部分实施的绝对编码，该绝对编码被补偿以位于其间的相对编码。由读取头检测位置编码的角位置对谐波的可确定性有直接影响。与读取头彼此间的角距(下文用△表示)有关，谐波的加权因数根据下式得到
权利要求
1.一种用于角度測量设备(7)的、能够以无參考系的方式执行的校准方法，所述角度測量设备具有 ■编码载体(2)，其带有绝对式位置编码，以及 _至少^^彡2个读取头(1&，113，1(3，1(1)，这些读取头分别具有固定的已知的角位置(4)，这些读取头相对彼此具有一角距，所述角距尤其是大于50度、例如70度到180度，优选为140度到170度、例如150度，并且这些读取头分别至少部分地检测所述位置编码，使得能够确定相应的读取头相对于所述编码载体的绝对角位置值， 其中，所述编码载体(2)能够相对于所述读取头(la、lb、lc、Id)转动，因此能够占据所述编码载体的相对于所述读取头的不同角位， 所述校准方法包括如下步骤 ■在一角位处确定这些读取头(la、lb、lc、Id)的角位置值(21 )， ■通过将这些读取头(la、lb、lc、Id)的角位置值之差与这些读取头(la、lb、lc、Id)已知的角位置(4)相互比较来确定角度误差(22)， ■针对多个变化的角位重复确定角位置值(23)和角度误差，以及 ■执行数学分析方法(24)，其包括 〇确定用于量化角度误差的数学函数的參数， 并且确定校准參数(40)，作为用于量化的数学函数的參数、或者作为根据所述參数导出的修正表或编码表。
2.根据权利要求I所述的校准方法，其特征在于，所述读取头(la，lb,lc, Id)的所述角位置(4)是如此选择的，即，在各个相邻读取头(la，lb, lc, Id)之间的角距中的至少ー个不同于其余N-I个角距中的至少ー个，尤其是所有N个角距都是彼此不同的。
3.根据权利要求I或2所述的校准方法，其特征在干， ■用于量化的数学函数的參数的确定是通过依据最优化方法的參数估计来完成的，■尤其是其中，用于量化的数学函数是数学级数，尤其是傅里叶级数，并且所述參数通过展开针对相应的角位所确定的角度误差(10)来描述所述角度误差(10)的直到> N阶的所有谐波(11，12，13，14)的系数。
4.根据权利要求I或3所述的校准方法，其特征在于，在角度測量系统(7)的被划分为多个子范围的测量范围中如此重复确定角位置值和角度误差(10)，使得特定的多个子范围由变化的多个角位以规定的密度覆盖，尤其是其中，这些角位大致均匀地分布在所述特定的多个子范围上，尤其是其中，这些角位置值是在多个读取头(la，lb，lc，Id)处被同时检测的。
5.根据权利要求I至4之一所述的校准方法，其特征在干， ■通过监控校准參数(40)的变化来额外地确定误调，和/或 ■角度传感器的精度的估计值是基于所述校准參数(40)推导得到的。
6.根据权利要求I至5之一所述的校准方法，其特征在干， 多次确定在相同角位处的角位置值和/或角度误差，并且在执行数学分析方法之前对所述角位置值和/或角度误差进行平均，尤其是通过按照最小二乗法的平差计算来执行；或者， 多次执行所述校准方法，并针对在此获得的系数集合执行最优化方法。
7.根据权利要求I至6之一所述的校准方法，其特征在干，多个读取头(la，lb,lc, Id)的角位置(4)是依据在任意一个基准角位处的多个角位置之差来确定的，或者尤其是通过平均关于多个任意基准角位的差来确定的。
8.根据权利要求I至7之一所述的校准方法，其特征在干，多个读取头(la，lb,lc, Id)的角位置(4)是如此选择的，S卩，引起显著误差比例的主要角度误差，尤其是 ■由于偏心率造成的误差， ■码盘的码刻度中的误差， ■由于环境影响变化引起的误差， 这些主要角度误差包含在用于量化的数学函数中，尤其是具有至少25%的误差比例。
9.根据权利要求I至8之一所述的校准方法，其特征在于，借助分别成对对称地设置的读取头(la, lb, lc, Id)来实现角位置的确定。
10.根据权利要求I至9之一所述的校准方法，其特征在干，读取头(la,lb, lc, Id)被实现为 ■光学读取头， ■光电读取头， ■磁性读取头，或 ■电容性读取头。
11.一种借助角度測量设备(7)确定角度测量值的角度測量方法，其中，所述角度測量设备(7)具有 ■编码载体(2)，其带有绝对式位置编码，以及 _至少^^彡2个读取头(1&，113，1(3，1(1)，这些读取头分别具有固定的已知的角位置(4)，这些读取头相对彼此具有一角距，所述角距尤其是大于50度、例如70度到180度，优选为140度到170度、例如150度，尤其是其中，所述读取头(1&，113，1(3，1(1)的所述角位置(4)是如此选择的，即，在相应的相邻读取头(la，lb, lc, Id)之间的角距中的至少ー个不同于其余N-I个角距中的至少ー个，并且这些读取头分别至少部分地检测所述位置编码，使得能够确定相应的读取头相对于所述编码载体(2)的绝对角位置值，其中，所述编码载体(2)能够相对于所述读取头(la、lb、lc、Id)转动，因此能够占据所述编码载体的相对于所述读取头(la、lb、lc、ld)的不同角位， 所述方法包括如下步骤 ■通过至少ー个读取头(la, lb, lc, Id)来确定角位置值(31),所述至少ー个读取头检测编码载体(2)的绝对式位置编码的至少一部分； ■通过借助在如权利要求I至10之一所述的校准方法中确定的校准參数(40)校正所述角位置值，从而确定角度测量值(32)； ■提供所述角度测量值(33)。
12.根据权利要求11所述的角度測量方法，其特征在干，额外执行根据权利要求I至10之一所述的校准方法，尤其是 ■在组装角度传感器期间， ■在将角度传感器装配在设备中之后， ■在毎次接通设备吋，■按照周期性或非周期性的时间间隔， ■由用户触发， ■在环境条件改变吋， ■在发生冲击和撞击作用之后， ■以规律的维护间隔，和/或 ■在考虑到在测量工作期间所确定的、和/或在以前校准时所确定和存储的校准參数(40)的情况下，在測量工作期间连续地执行。
13.根据权利要求12所述的角度測量方法，其特征在于，在执行所述校准方法之后禁用或移除ー个读取头(la, lb, lc, Id)或多个读取头(la, lb, lc, Id)。
14.ー种角度測量设备(7)，具有 ■编码载体(2 )，其带有绝对式位置编码， ■至少N彡2个读取头(1&，113，1(3，1(1)，这些读取头分别具有固定的已知的角位置(4)，这些读取头相对彼此具有一角距，所述角距尤其是大于50度、例如70度到180度，优选为140度到170度、例如150度，尤其是其中，所述读取头(1&，113，1(3，1(1)的所述角位置(4)是如此选择的，即，在相应的相邻读取头(la，lb, lc, Id)之间的角距中的至少ー个不同于其余N-I个角距中的至少ー个，并且这些读取头均适于至少部分地检测所述位置编码，使得能够确定相应的读取头(la，lb, lc, Id)相对于所述编码载体的绝对角位置值，其中，所述编码载体能够相对于所述读取头(la、lb、lc、Id)转动，因此能够占据所述编码载体的相对于所述读取头(la、lb、lc、Id)的不同角位，以及 ■分析単元，其用于执行根据权利要求I至10之一所述的校准方法的如下步骤 〇通过将这些读取头(la, lb, lc, Id)的角位置值之差与这些读取头(la, lb, lc, Id)的已知的角位置(4)相互比较来确定角度误差(22)； 〇针对多个变化的角位重复确定(23)角位置值和角度误差； 〇执行数学分析方法(24)，其包括 〇确定用于量化角度误差的数学函数的參数， 〇将校准參数(40)确定作为用于量化的数学函数的參数、或者作为根据所述參数导出的修正表或编码表； 和/或，根据权利要求11至13之一所述的角度測量方法的至少如下步骤 〇通过借助在如权利要求I至10之一所述的校准方法中确定的校准參数(40)校正所述角位置值，从而确定角度测量值(32)； 〇提供所述角度测量值(33)。
15.一种存储在机器可读载体上的计算机程序产品，或者ー种通过电磁波体现的计算机数据信号， 其具有程序代码，尤其是当所述程序在角度測量系统(7)的分析単元中执行时，所述程序代码用于执行根据权利要求I至10之一所述的校准方法的如下步骤 〇通过将读取头(la，lb, lc, Id)的角位置值之差与读取头已知的角位置(4)相互比较来确定角度误差(22)，尤其是其中，读取头(la，lb，lc，Id)的角位置(4)是如此选择的，SP，在相应的相邻读取头(la，lb, lc, Id)之间的角距中的至少ー个不同于其余N-I个角距中的至少ー个；〇针对多个变化的角位重复确定(23)角位置值和角度误差； 〇执行数学分析方法(24)，其包括 〇确定用于量化角度误差的数学函数的參数， 〇将校准參数(40)确定作为用于量化的数学函数的參数、或者作为根据所述參数导出的修正表或编码表； 和/或，根据权利要求11至13之一所述的角度測量方法的至少如下步骤 〇通过借助在如权利要求I至10之一所述的校准方法中确定的校准參数(40)校正角位置值，从而确定角度测量值(32)； 〇提供所述角度测量值(33)。
全文摘要
一种用于角度测量设备的无参考系地执行的校准方法，所述角度测量设备具有编码载体(2)，其带有绝对式位置编码；以及至少2个读取头(1a和1b)，这些读取头分别具有固定的已知的角位置(4)，这些角位置相对彼此具有一角距，所述角距尤其是大于50度，并且在各个相邻读取头(1a，1b，1c，1d)之间的角距中的至少一个不同于其余角距，这些读取头分别至少部分地检测位置编码，使得能够确定各个读取头相对于所述编码载体的绝对角位置值，其中，所述编码载体能够相对于所述读取头转动(3)，因此能够占据编码载体的相对于读取头的不同角位，所述校准方法包括如下步骤确定在一角位处的这些读取头(1a和1b)的角位置值(21)；通过将这些读取头的角位置值之差与这些读取头(1a和1b)已知的角位置(4)相互比较来确定角度误差；针对多个变化的角位反复确定角位置值和角度误差；以及执行数学分析方法，该数学分析方法包括确定用于量化角度误差的数学函数的参数，并且确定校准参数，作为用于量化的数学函数的参数、或者作为根据所述参数导出的修正表或编码表。
文档编号G01D5/244GK102686982SQ201080053603
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年11月26日
发明者U·沃金格, 克努特·西尔克斯, 海因茨·利普纳 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司