Codificador giratorio absoluto de alta resolución.
Un codificador óptico giratorio, que comprende:
- un dispositivo de emisión de luz (4),
- un disco de codificación (1),
en el que el disco de codificación comprende al menos tres secciones concéntricas (3) de bandas radiales transparentes y opacas alternas,
en el que al menos dos de las secciones concéntricas contienen el mismo número de bandas radiales y el número de bandas radiales en al menos una sección concéntrica adicional es diferente del número de bandas radiales en las dos secciones concéntricas mencionadas anteriormente;
en el que las secciones concéntricas están separadas opcionalmente por líneas divisoras opacas o transparentes;
- un sensor fotoeléctrico matricial de formación de imágenes (5),
caracterizado porque
el sensor fotoeléctrico matricial de formación de imágenes (5) puede reconocer patrones bidimensionales y está alineado de modo que las bandas radiales están orientadas esencialmente en la dirección de las líneas del sensor y de modo que las líneas divisoras, si las hubiera, están en la dirección de las columnas del sensor; o como alternativa, está alineado de modo que las bandas radiales están en la dirección de las columnas del sensor, mientras que las líneas divisoras opacas o transparentes, si las hubiera, están en la dirección de las líneas del sensor.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E09009199.
Solicitante: Baader, Thomas.
Nacionalidad solicitante: Alemania.
Dirección: Zur Sternwarte 4a 82291 Mammendorf ALEMANIA.
Inventor/es: ROWE,DAVID, RICCIO,FILIPPO, MARIOTTI,IVAN.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G01D5/34 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01D MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE PARTICULAR; DISPOSICIONES PARA LA MEDIDA DE DOS O MAS VARIABLES NO CUBIERTAS POR OTRA UNICA SUBCLASE; APARATOS CONTADORES DE TARIFA; DISPOSICIONES PARA TRANSFERENCIA O TRANSDUCTORES NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE PARTICULAR; MEDIDAS O ENSAYOS NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR. › G01D 5/00 Medios mecánicos para la transferencia de la magnitud de salida de un elemento sensor; Medios para la conversión de la magnitud de salida de un elemento sensor en otra variable, en los que la forma o naturaleza del elemento sensor no determinan los medios de conversión; Transductores no especialmente adaptados a una variable específica (G01D 3/00 tiene prioridad; especialmente adaptados para aparatos que dan resultados distintos al valor instantáneo de una variable G01D 1/00). › siendo detectados los haces de luz mediante fotocélulas.
PDF original: ES-2525460_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Codificador giratorio absoluto de alta resolución RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un dispositivo codificador óptico absoluto que puede medir su posición con alta resolución usando múltiples pistas en combinación con una disposición de sensores de imagen fotoeléctricos que permite la evaluación del patrón de imágenes bidimensionales. El codificador permite además corregir la excentricidad del disco de codificación y el desplazamiento del sensor de imágenes.
TÉCNICA ANTERIOR
Según la técnica anterior, las mediciones de posiciones absolutas se obtienen con una escala que cuenta con una pluralidad de pistas que portan un patrón binario o de código Gray. Por el contrario, la alta resolución se consigue normalmente mediante señales analógicas de seno-coseno que pueden obtenerse con patrones de difracción de fuentes de luz coherente.
La solicitud de patente europea EP-A-557 265 y la solicitud de patente japonesa JP-A-06347292 dan a conocer codificadores giratorios que presentan discos de codificación con múltiples secciones de código y sensores lineales de imágenes. La solicitud de patente japonesa JP-A-07027576 describe un codificador giratorio con un sensor lineal de imágenes que puede medir el ángulo de rotación de manera más precisa incluso cuando el sensor lineal tiene polvo.
La solicitud de patente japonesa JP2000121391 describe una escala lineal óptica en la que el movimiento lineal se mide evaluando franjas de Moiré en un elemento CCD de formación de imágenes.
La patente estadounidense 4.736.187 da a conocer un sistema de codificación óptico para determinar las posiciones absolutas e increméntales de un elemento móvil con respecto a un elemento estacionario. El sistema comprende una banda de codificación con pistas de temporización y de codificación incremental y una pista de datos que comprende una serie de etiquetas de posiciones absolutas. Un cabezal de lectura que tiene tres sensores ópticos para la pista de temporización, la pista de codificación y la pista de datos genera una señal analógica que se descodifica para determinar la posición incremental y la posición absoluta del elemento móvil con respecto al elemento estacionario.
La solicitud de patente estadounidense 2006/0284061 describe un dispositivo codificador óptico con un primer patrón codificado dispuesto en el primer lado, y un segundo patrón codificado dispuesto en el segundo lado, presentando ambos patrones codificados partes configuradas para reflejar luz. Información acerca del movimiento se obtiene mediante las señales de salida de un primer y un segundo codificador óptico dispuestos en el primer y en el segundo lado del medio de patrones.
Cuando se usa un codificador óptico lineal según el estado de la técnica descrito anteriormente, la corriente de las señales eléctricas fluctúa entre una "corriente oscura" y una "corriente luminosa". La corriente oscura corresponde a cuando una parte opaca de la pista en la escala está situada entre la fuente de luz y un fotodetector. La corriente luminosa corresponde a la corriente oscura más corriente generada por un fotodetector cuando una sección transparente de la pista en el disco de codificación está situada entre la fuente de luz y el fotodetector. De esta manera, la luz modulada hace que la señal eléctrica oscile continuamente desde la corriente oscura a la corriente luminosa y viceversa, generando así pulsos eléctricos que son evaluados para determinar la posición.
A diferencia de los codificadores giratorios de la técnica anterior mencionados anteriormente, el codificador según la presente invención proporciona una imagen del patrón específico del disco de codificación en una matriz de sensores de imágenes bidimensionales. Esta imagen en su conjunto puede procesarse y convertirse en datos posicionales, dando así como resultado valores de posición muy precisos, incluyendo correcciones de la excentricidad y la desalineación.
El tamaño real del chip CCD o CMOS no determina la funcionalidad del codificador descrito. Sin embargo, el codificador debe poder analizar el ancho total del patrón del disco de codificación en una o más ubicaciones a lo largo de la forma anular de los patrones para un análisis de posición simultáneo. Para ello es conveniente usar disposiciones CCD o CMOS en tamaños comprendidos entre 100 y 2000 píxeles en la dirección x y entre 100 y 2000 píxeles en la dirección y.
La cantidad real de píxeles no es crítica para el diseño, sino que depende del precio y de la capacidad de cálculo del hardware y el software del descodificador, ya sea mediante su análisis de manera integrada o a través de un PC aparte u otros dispositivos electrónicos usados habitualmente para realizar cálculos.
Disposiciones específicas CCD o CMOS disponibles comercialmente usadas en "Webcams" que tienen una resolución VGA de 640 x 480 píxeles o superior son adecuadas para esta invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Fig. 1 es un dibujo esquemático del codificador que comprende un disco de codificación (1) que comprende secciones de bandas radiales (3) y montado en un eje (2), un dispositivo de emisión de luz (4), un sensor fotoeléctrico de formación de imágenes (5) y un dispositivo informático (6).
La Fig. 2 (2/1 a 2/12) muestra varias realizaciones del disco de codificación con diferentes números de secciones concéntricas con o sin líneas divisoras.
La Fig. 3 muestra el aspecto de un disco de codificación representado por el sensor, con marcas que delimitan las zonas correspondientes a las diferentes secciones del patrón.
La Fig. 4 muestra una señal usada para determinar la posición radial de las líneas divisoras.
La Fig. 5 ¡lustra una muestra de señales obtenidas de diferentes zonas del sensor de imágenes.
La Fig. 6 muestra la equivalencia del desplazamiento tangencial y la rotación del sensor de imágenes con respecto al patrón del disco de codificación.
La Fig. 7 ¡lustra una técnica para acotar la estimación del ángulo de rotación.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERIDAS
Con referencia a la Fig. 1, un disco de codificación (1) que presenta un patrón específico de bandas radiales (3) como se describe posteriormente en detalle, en combinación con una fuente de luz (4), proporciona una imagen de dicho patrón a una disposición de sensores de imágenes (5). Dicha imagen puede procesarse por un dispositivo informático (6) que ejecuta un programa de software que puede calcular el ángulo del disco de codificación a partir de los datos de imagen, por ejemplo usando un algoritmo como el descrito posteriormente. El ángulo puede ser usado por el mismo dispositivo informático para realizar un procesamiento adicional o puede proporcionarse a otro dispositivo a través de una conexión externa.
Evaluando la imagen proporcionada a la disposición de sensores de imágenes puede corregirse además la excentricidad del disco de codificación y el desplazamiento de la disposición de sensores de imágenes.
El disco de codificación (1), del cual se muestran algunos ejemplos de varias realizaciones posibles en la Fig. 2/1 a 2/12, contiene al menos tres secciones concéntricas. Cada sección está formada por bandas radiales transparentes y opacas alternas. Es esencial para la presente invención que al menos dos de las tres o más secciones concéntricas contengan el mismo número de bandas radiales, y que la al menos una o más secciones concéntricas restantes contengan un número de bandas que sea diferente del número de bandas en las al menos dos secciones concéntricas mencionadas anteriormente que tienen el mismo número de bandas.
El disco de codificación puede contener más de tres secciones concéntricas con bandas radiales, por ejemplo cuatro, cinco, seis o más de dichas secciones concéntricas. Tales secciones concéntricas adicionales contienen preferentemente un número diferente de bandas radiales, aumentando así la precisión y la robustez de la determinación del ángulo.
El disco de codificación puede estar formado por un disco portador de vidrio o de polímero transparente sobre el que está impreso o grabado un patrón de bandas. Como alternativa, el disco de codificación puede estar hecho de materiales opacos tales como discos metálicos, polímeros opacos, vidrio o polímeros metalizados o similares, en los que se realizan o practican hendiduras o aberturas.
Opcional y preferentemente, las secciones concéntricas de las bandas radiales están separadas de secciones concéntricas vecinas mediante líneas divisoras opacas o transparentes. Estas líneas divisoras ayudan a encontrar los contornos y los límites de las secciones individuales... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1.- Un codificador óptico giratorio, que comprende:
un dispositivo de emisión de luz (4), un disco de codificación (1),
en el que el disco de codificación comprende al menos tres secciones concéntricas (3) de bandas radiales transparentes y opacas alternas,
en el que al menos dos de las secciones concéntricas contienen el mismo número de bandas radiales y el número de bandas radiales en al menos una sección concéntrica adicional es diferente del número de bandas radiales en las dos secciones concéntricas mencionadas anteriormente;
en el que las secciones concéntricas están separadas opcionalmente por líneas dlvlsoras opacas o transparentes; un sensor fotoeléctrico matrlclal de formación de imágenes (5), caracterizado porque
el sensor fotoeléctrico matrlclal de formación de Imágenes (5) puede reconocer patrones bldlmenslonales y está alineado de modo que las bandas radiales están orientadas esencialmente en la dirección de las líneas del sensor y de modo que las líneas dlvlsoras, si las hubiera, están en la dirección de las columnas del sensor; o como alternativa, está alineado de modo que las bandas radiales están en la dirección de las columnas del sensor, mientras que las líneas divisoras opacas o transparentes, si las hubiera, están en la dirección de las líneas del sensor.
2.- El codificador giratorio según la reivindicación 1, que comprende además un dispositivo Informático para el procesamiento de Imágenes.
3.- El codificador giratorio según la reivindicación 2, en el que el dispositivo Informático está integrado en la placa de circuito de los componentes electrónicos del sensor.
4.- El codificador giratorio según la reivindicación 2, en el que el dispositivo informático no está integrado en la placa de circuito de los componentes electrónicos del sensor.
- El codificador giratorio según cualquier reivindicación anterior, en el que el sensor fotoeléctrico de imágenes es una disposición CCD o una disposición CMOS.
6.- El codificador giratorio según cualquier reivindicación anterior, en el que el sensor fotoeléctrico de imágenes es sustituido por múltiples sensores fotoeléctricos lineales.
7.- El codificador giratorio según cualquier reivindicación anterior, que comprende un sistema óptico adicional para la adquisición de imágenes.
8.- El codificador giratorio según cualquier reivindicación anterior, en el que las secciones concéntricas están separadas por líneas divisoras opacas o transparentes.
9.- El codificador giratorio según cualquier reivindicación anterior, que comprende un obturador mecánico o electrónico, o medios para hacer que el dispositivo de emisión de luz emita destellos o funcione de manera estroboscópica para controlar las imágenes borrosas por movimiento.
10.- El codificador giratorio según las reivindicaciones 2 a 9, en el que el dispositivo informático comprende medios para corregir la excentricidad del disco de codificación y/o el desplazamiento del sensor de imágenes.
11.- El codificador giratorio según la reivindicación 10, en el que la corrección de la excentricidad y/o del desplazamiento del sensor se implementa corrigiendo los valores medidos usando una estimación previa del ángulo de rotación, obtenida a partir de una imagen anterior o de un cálculo anterior en la misma imagen sin tener en cuenta la corrección de excentricidad o de desplazamiento propiamente dicha.
12.- El codificador giratorio según cualquier reivindicación anterior, en el que una realización imperfecta del patrón del disco de codificación se corrige correlacionando el ángulo de rotación medido con otro ángulo, medido anteriormente con otro procedimiento y almacenado en una memoria no volátil.
13.- Un procedimiento para medir el ángulo de rotación de un dispositivo giratorio, que comprende las siguientes etapas:
proporcionar en una disposición de sensor de imágenes bidimensionales una imagen de un disco de codificación que comprende al menos tres secciones concéntricas de bandas radiales transparentes y opacas alternas, donde al menos dos de las secciones concéntricas contienen el mismo número de bandas radiales, y el número de bandas
radiales en al menos una sección concéntrica adicional es diferente del número de bandas radiales en las dos secciones concéntricas mencionadas anteriormente;
usar las zonas en la imagen de las secciones concéntricas que tienen el mismo número de bandas radiales como marcas de referencia;
- calcular el ángulo de rotación a partir del patrón en las zonas de la imagen de las secciones concéntricas adicionales
que tienen un número diferente de bandas radiales en relación con las marcas de referencia mencionadas anteriormente.
14.- El procedimiento según la reivindicación 13, que comprende además el cálculo y la corrección de la excentricidad del disco de codificación y el desplazamiento del sensor de imágenes con respecto al patrón de imagen.
15.- Una montura de telescopio que comprende el codificador según las reivindicaciones 1 a 12, en la que los
codificadores descritos en el presente documento pueden usarse para controlar la posición giratoria axial del eje acimutal o de ascensión recta y/o del eje de declinación o de elevación, y en la que preferentemente ambos ejes están equipados con este codificador y son controlados electrónicamente de manera simultánea.
16.- Uso de un codificador según las reivindicaciones 1 a 12 para controlar la posición de una montura de telescopio.
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