一种基于光电编码器双路测量间距的方法

      一、引言

　　五轮仪法是在被测车辆上安装转动灵活、与地面以一定压力可靠接触的第五轮（测量拖拉机速度时也常直接以拖拉机的前轮当作第五轮）。车辆移动时，地面摩擦力可使附加的第五轮转动。利用光电开关或者霍尔开关以及相应装置，可以每转产生若干脉冲。利用这些脉冲可以实现轮子速度及运行距离的检测。传统五轮仪法是典型的单路接触式测量方法，地表的硬度、摩擦系数、接触压力等都会影响测量结果，主要表现在两个方面：一、由于地面松软，轮子下陷，导致单轮受摩擦而转动的有效直径与实际直径可能不一致。二、地面起伏不平导致轮子滚过的路径长度与直线距离不一致，比如机具实际前进了1m，而轮子正好滚过一个45°的尖峰或凹坑，这样反映的距离就是1.4m左右。如果需要精确的测量结果`，对第一类问题的影响，可以通过对每一种具体测量的地形条件进行脉冲与弧长当量的标定来消除，而对第二种问题则没有办法彻底。本文提出的这种方法，能够有效地削弱地面起伏不平对测量结果造成的影响。

　　二、测量方法和应用算法

　　利用五轮仪将直线运动变为转动的思路，将同等型号的旋转编码器分别安装在行进装置两侧的轮（五轮仪）上，经过特殊配件使之与转动机构（车轮）同步旋转。此装置两轮间隔为1m，确保定位信号位于其间能被充分采集到，以免检测中出现遗漏位置信号的现象，使间距测量出现可以避免的误差。操作装置上的控制面板来进行启动外部信号的采集，将单片机系统采集到的位置信号作为外部中断依据，用来控制对编码器脉冲信号计数的启停，将每次计数的结果保存到指定的存储单元。

　　所谓间距测量，指的是测得相邻两个位置信号的位移。传统的五轮仪均为单路测量，仅仅用一路的运行情况来决定结果，如果这路情况非常复杂，所反映的距离与实际位移存有偏差。考虑到地表不平主要包括尖峰和凹坑两种情况，无论是哪种情况的影响都会使车轮运行表现出来的距离变大。为了有效克服单路测量过于片面的弊端，改为了双路的同时检测。由于各路地表情况存在差异，例如一路在某一间距内出现尖峰或是凹坑而另一路平直，那么检测出的结果肯定是第二路反映的距离短于第一路，对应输出的脉冲数少于第一路的，同时大于或等于实际值所对应的脉冲数，那么选择第二路的测量结果会更接近真实值；如果两路在行进中均遇到了尖峰或凹坑，测量结果也会因为行进距离的不同而出现差异，虽然这种情况两路测量也会产生很大的误差，但我们仍可以确定输出脉冲少的那一路比较接近真实值；如果两路均为平直的状态，那么双路与单路的测量结果不会有太大的差异，选择哪一路误差都不会太大。双路测量的优势在前两种情况下体现的较为鲜明。

　　通过以上的讨论可以归出以下算法：

　　（1）将相邻位置信号间得到的两路脉冲数进行比较，如果存在差异，保存小值；如果不存在差异，任取一值（称为最优值选择）作为最终转换间距的数据（如图1）；

　　（2）由于每个脉冲对应编码器旋转了一定的角度，利用角度与轮缘周长的关系得到对应传动机构行进的距离，即所测得的间距。公式为：为编码器旋转一圈输出的总脉冲数， 为第ni次中断时的脉冲个数，r为传动机构的外围半径，s为间距。

　　由于两路编码器起始点可能存在不一致，（取决于编码器自身的设计结构），会造成一路脉冲上升沿来时，另一路的并没有到，在计数脉冲时两路会存在1/N（N为编码器一圈输出的脉冲数）的误差，当N值越大，误差越小。因此可以采用分辨率高的编码器来降低这方面的影响。

　　三、试验及结果分析

　　在田间进行双路与单路的对比试验，采用纵向等间距（S=0.5m）排列的51个红外信号作为位置信号。已知行进轮的直径为50cm，采用的编码器为 omron公司生产的E6B2-CWZ6C型编码器，它的输出脉冲数为360p/r，即车轮旋转一周装置前进位移是1.57m。

　　结果如下表1：

　　（1） 通过试验数据可得出下列图2

　　其中虚线、实线分别表示单、双路测量数据波形。通过这个图表可以直观看出，双路测量缓和了单路测量中出现的一些波峰。其中有一部分测量值小于实际值，应该是在行进中双轮出现了滑移，在这种情况下，取小值会使测量结果偏离准确值越远，但考虑到50个间距里出现这种情况的几率只有4%，因此通过双路测量、最优值选择的方法使结果接近了真实值的程度仍然是明显的。

　　（2）通过下列单因素方差分析表2

　　因为F=13.67>F0.01（1，98）=6.93,因此认为单路、双路两种方法测量差异极显著

　　（3）通过下列方差分析box图3(1为单路、2为双路)同样可以得出双路测量比单路测量结果接近真实值

　　四、总 结

　　本论文创新点在于改变了传统五轮仪单路测量受地表情况影响较大的方法，采取了这种双路同时测量并对结果最优化选择的方法使产生的误差有效降低。通用一系列试验为此论证提供了有力依据。由于此方法利用的是位置信号引发外部中断启停计数，只要检测到被测物的定位信号，便能实现对测量物间距的非接触实时测量。因此这种方法对实现地下种子粒间距的非接触检测具有积极的引导作用。