一種基于光電編碼器雙路測(cè)量間距的方法

一、引言
      五輪儀法是在被測(cè)車輛上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、與地面以一定壓力可靠接觸的第五輪（測(cè)量拖拉機(jī)速度時(shí)也常直接以拖拉機(jī)的前輪當(dāng)作第五輪）。車輛移動(dòng)時(shí)，地面摩擦力可使附加的第五輪轉(zhuǎn)動(dòng)。利用光電開關(guān)或者霍爾開關(guān)以及相應(yīng)裝置，可以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生若干脈沖。利用這些脈沖可以實(shí)現(xiàn)輪子速度及運(yùn)行距離的檢測(cè)。傳統(tǒng)五輪儀法是典型的單路接觸式測(cè)量方法，地表的硬度、摩擦系數(shù)、接觸壓力等都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一、由于地面松軟，輪子下陷，導(dǎo)致單輪受摩擦而轉(zhuǎn)動(dòng)的有效直徑與實(shí)際直徑可能不一致。二、地面起伏不平導(dǎo)致輪子滾過的路徑長度與直線距離不一致，比如機(jī)具實(shí)際前進(jìn)了1m，而輪子正好滾過一個(gè)45°的尖峰或凹坑，這樣反映的距離就是1.4m左右。如果需要精確的測(cè)量結(jié)果`，對(duì)第一類問題的影響，可以通過對(duì)每一種具體測(cè)量的地形條件進(jìn)行脈沖與弧長當(dāng)量的標(biāo)定來消除，而對(duì)第二種問題則沒有辦法徹底。本文提出的這種方法，能夠有效地削弱地面起伏不平對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。

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二、測(cè)量方法和應(yīng)用算法
      利用五輪儀將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)的思路，將同等型號(hào)的旋轉(zhuǎn)編碼器分別安裝在行進(jìn)裝置兩側(cè)的輪（五輪儀）上，經(jīng)過特殊配件使之與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（車輪）同步旋轉(zhuǎn)。此裝置兩輪間隔為1m，確保定位信號(hào)位于其間能被充分采集到，以免檢測(cè)中出現(xiàn)遺漏位置信號(hào)的現(xiàn)象，使間距測(cè)量出現(xiàn)可以避免的誤差。操作裝置上的控制面板來進(jìn)行啟動(dòng)外部信號(hào)的采集，將單片機(jī)系統(tǒng)采集到的位置信號(hào)作為外部中斷依據(jù)，用來控制對(duì)編碼器脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的啟停，將每次計(jì)數(shù)的結(jié)果保存到指定的存儲(chǔ)單元。
     所謂間距測(cè)量，指的是測(cè)得相鄰兩個(gè)位置信號(hào)的位移。傳統(tǒng)的五輪儀均為單路測(cè)量，僅僅用一路的運(yùn)行情況來決定結(jié)果，如果這路情況非常復(fù)雜，所反映的距離與實(shí)際位移存有偏差。考慮到地表不平主要包括尖峰和凹坑兩種情況，無論是哪種情況的影響都會(huì)使車輪運(yùn)行表現(xiàn)出來的距離變大。為了有效克服單路測(cè)量過于片面的弊端，改為了雙路的同時(shí)檢測(cè)。由于各路地表情況存在差異，例如一路在某一間距內(nèi)出現(xiàn)尖峰或是凹坑而另一路平直，那么檢測(cè)出的結(jié)果肯定是第二路反映的距離短于第一路，對(duì)應(yīng)輸出的脈沖數(shù)少于第一路的，同時(shí)大于或等于實(shí)際值所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，那么選擇第二路的測(cè)量結(jié)果會(huì)更接近真實(shí)值；如果兩路在行進(jìn)中均遇到了尖峰或凹坑，測(cè)量結(jié)果也會(huì)因?yàn)樾羞M(jìn)距離的不同而出現(xiàn)差異，雖然這種情況兩路測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，但我們?nèi)钥梢源_定輸出脈沖少的那一路比較接近真實(shí)值；如果兩路均為平直的狀態(tài)，那么雙路與單路的測(cè)量結(jié)果不會(huì)有太大的差異，選擇哪一路誤差都不會(huì)太大。雙路測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在前兩種情況下體現(xiàn)的較為鮮明。
通過以上的討論可以歸出以下算法：
（1）將相鄰位置信號(hào)間得到的兩路脈沖數(shù)進(jìn)行比較，如果存在差異，保存小值；如果不存在差異，任取一值（稱為最優(yōu)值選擇）作為最終轉(zhuǎn)換間距的數(shù)據(jù)（如圖1）；
（2）由于每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)編碼器旋轉(zhuǎn)了一定的角度，利用角度與輪緣周長的關(guān)系得到對(duì)應(yīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行進(jìn)的距離，即所測(cè)得的間距。公式為：500)this.style.width=500;" border="0" />為編碼器旋轉(zhuǎn)一圈輸出的總脈沖數(shù)， 為第ni次中斷時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)，r為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的外圍半徑，s為間距。
    由于兩路編碼器起始點(diǎn)可能存在不一致，（取決于編碼器自身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)），會(huì)造成一路脈沖上升沿來時(shí)，另一路的并沒有到，在計(jì)數(shù)脈沖時(shí)兩路會(huì)存在1/N（N為編碼器一圈輸出的脈沖數(shù)）的誤差，當(dāng)N值越大，誤差越小。因此可以采用分辨率高的編碼器來降低這方面的影響。

 三、試驗(yàn)及結(jié)果分析

    在田間進(jìn)行雙路與單路的對(duì)比試驗(yàn)，采用縱向等間距（S=0.5m）排列的51個(gè)紅外信號(hào)作為位置信號(hào)。已知行進(jìn)輪的直徑為50cm，采用的編碼器為 omron公司生產(chǎn)的E6B2-CWZ6C型編碼器，它的輸出脈沖數(shù)為360p/r，即車輪旋轉(zhuǎn)一周裝置前進(jìn)位移是1.57m。
結(jié)果如下表1：

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（1） 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出下列圖2                            

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     其中虛線、實(shí)線分別表示單、雙路測(cè)量數(shù)據(jù)波形。通過這個(gè)圖表可以直觀看出，雙路測(cè)量緩和了單路測(cè)量中出現(xiàn)的一些波峰。其中有一部分測(cè)量值小于實(shí)際值，應(yīng)該是在行進(jìn)中雙輪出現(xiàn)了滑移，在這種情況下，取小值會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏離準(zhǔn)確值越遠(yuǎn)，但考慮到50個(gè)間距里出現(xiàn)這種情況的幾率只有4%，因此通過雙路測(cè)量、最優(yōu)值選擇的方法使結(jié)果接近了真實(shí)值的程度仍然是明顯的。
 

（2）通過下列單因素方差分析表2

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因?yàn)镕=13.67>F0.01（1，98）=6.93,因此認(rèn)為單路、雙路兩種方法測(cè)量差異極顯著

（3）通過下列方差分析box圖3(1為單路、2為雙路)同樣可以得出雙路測(cè)量比單路測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)值
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四、總 結(jié)
      本論文創(chuàng)新點(diǎn)在于改變了傳統(tǒng)五輪儀單路測(cè)量受地表情況影響較大的方法，采取了這種雙路同時(shí)測(cè)量并對(duì)結(jié)果最優(yōu)化選擇的方法使產(chǎn)生的誤差有效降低。通用一系列試驗(yàn)為此論證提供了有力依據(jù)。由于此方法利用的是位置信號(hào)引發(fā)外部中斷啟停計(jì)數(shù)，只要檢測(cè)到被測(cè)物的定位信號(hào)，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量物間距的非接觸實(shí)時(shí)測(cè)量。因此這種方法對(duì)實(shí)現(xiàn)地下種子粒間距的非接觸檢測(cè)具有積極的引導(dǎo)作用。