一种用于环形位置检测的跬步码编码方法与流程

本发明涉及数字编码与位置检测，具体涉及一种将环形循环物理位置转换为数字信号的跬步码编码方法，适用于旋转编码器、环形位置传感器、工业控制、汽车电子、医疗设备及人机交互设备。术语定义跬步码：本技术所称“跬步码”是指一种步进码编码方法。该方法中，合法逻辑状态包括单态和双态，单态对应“跬”，双态对应“步”。单态和双态交替排列，相邻状态之间仅一个输入位状态发生变化。输入位：编码逻辑中用于表示位置的最小状态单元。输入位的状态由位置关系映射，即输入位处于有效状态或无效状态，由待测位置对应的物理感应区域与检测部件之间的相对位置关系确定。在物理实现中，输入位可以对应机械触点、霍尔传感器、光电传感器、电容式传感器等；其逻辑排列顺序和相邻关系由编码规则定义。输入位响应待测位置变化，在有效状态和无效状态之间切换。逻辑相邻：指输入位在编码逻辑序列中位置相邻，且首尾两个输入位逻辑相邻，形成闭环。在物理排布中，逻辑相邻的输入位可以紧邻排布，也可以跨轨道或离散排布，只要其在编码序列中的逻辑顺序是相邻的。基于该逻辑相邻关系，在连续的物理位置变化过程中，输入位有效状态的切换遵循逻辑相邻顺序逐位进行，从而排除跳过中间逻辑相邻输入位而直接切换至非逻辑相邻输入位的情形。环形闭环逻辑状态序列：指在环形循环形态下，由单态和双态交替排列形成的逻辑状态序列。在该序列中，首尾两个输入位逻辑相邻，使得末个逻辑状态与首个逻辑状态在时序上前后相继，形成闭环循环。该序列包含n个单态和n个双态，共2n个逻辑状态，循环往复，无固定起点和终点；其中任意一个逻辑状态均可作为序列的起始状态，逻辑状态序列循环的相位由当前物理位置唯一确定。逻辑相邻有效输入位基数d：定义为单态中有效输入位的数量，其取值需满足d1时为广义单态。本技术中，除特别说明外，统称“单态”。双态：编码序列中作为动态过渡路径的状态。指使d+1个逻辑相邻输入位同时有效、其余输入位无效的状态。其中，d=1时为常规双态；d>1时为广义双态。本技术中，除特别说明外，统称“双态”。切入：指某一输入位的状态由无效切换为有效的过程。在编码逻辑上，切入对应于单态转换为双态的过程；在物理运动层面，表示物理位置进入该输入位对应的感应区域。切出：指某一输入位的状态由有效切换为无效的过程。在编码逻辑上，切出对应于双态转换为单态的过程；在物理运动层面，表示物理位置离开该输入位对应的感应区域。非法状态：指除单态和双态之外的输入位组合状态，包括有效输入位数量不符合d或d+1、有效输入位不满足逻辑相邻关系的组合，以及所有输入位均无效的状态。确信状态：系统当前确认所处的合法逻辑状态。在正常运行过程中，系统以当前确认的合法逻辑状态作为确信状态，确信状态作为系统位置输出和后续状态判定的基准。

背景技术：

1、绝对位置编码技术是工业自动化与精密测量领域的核心技术之一。传统绝对式编码器，例如格雷码编码器，通过相邻码字仅一位变化来减少编码误差，在位置检测中应用广泛。但在环形位置检测场景下，该类编码仍存在明显局限。其一，在物理运动经过编码状态过渡区域时，存在检测盲区，通常需要软件延时或滤波处理，导致检测延迟；其二，编码本身不携带方向信息，需要存储并比对多帧历史状态才能判定运动方向，增加了内存和计算资源开销，也限制了系统实时性；其三，传统编码方案往往将编码空间全部用于合法状态，缺乏冗余，无法区分正常状态与硬件故障状态，不具备原生的故障自诊断能力。

2、传统顺序步进码，例如按1-2-3-4-5顺序排列的独热编码，在相邻有效状态之间存在因触点物理分离而形成的检测“死区”，同样需要延时滤波规避噪声。其自身不携带方向信息，必须依赖历史状态比对判向。更严重的是，触点全断开既是其正常状态，也可能是线路断路的故障状态，二者在编码层面无法区分，因而不具备原生故障自诊断能力。

3、基于m序列的编码方案在绝对位置检测中也有应用。m序列编码通常需要较长的码道或图像识别手段，编码结构相对复杂，解码过程往往依赖查表或序列匹配，计算量较大，且在高速运动条件下对实时性造成压力。此外，m序列编码本身并未针对环形位置检测中的状态过渡盲区、方向判定和硬件故障自诊断进行专门设计，难以直接满足环形位置检测场景对低延迟判向和原生容错的需求。

4、部分现有方案利用单接触状态和双接触状态产生位置信号。这类方案虽然可以利用较少输入位产生较多位置状态，但通常仅用于线性或弧形排列，并未形成首尾相接的环形闭环状态序列。同时，这类方案并未利用合法状态与非法状态之间的冗余空间实现故障自诊断。部分方案甚至将全部输入位均无效的状态作为合法状态处理，导致无法区分正常位置区间与线路断开等硬件故障。

5、上述缺陷本质上均来源于编码规则本身，而非单纯依靠提高制造精度或增加滤波算法所能根本解决。行业需要一种针对环形位置检测场景的专用编码规则，从编码层面同时解决过渡检测盲区、方向判定延迟和故障自诊断缺失等问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种跬步码编码方法，核心方案为：设置n个依序排列的输入位，引入逻辑相邻有效输入位基数d，构建单态与双态交替排列的环形闭环逻辑状态序列。其中，单态对应“跬”，即d个逻辑相邻输入位有效；双态对应“步”，即d+1个逻辑相邻输入位有效。相邻状态切换仅单一输入位变化，形成无间隙的连续运动轨迹。

2、本发明具有原生无盲区特性。单态作为静态定位基准，双态作为动态过渡路径，二者在物理空间上交叠覆盖。在状态过渡区域，前一状态的结束时刻即为下一状态的开始时刻，消除了传统编码因物理间隙导致的检测盲区，无需依赖软件延时滤波即可实现连续、实时的位置检测。

3、本发明具备即时方向判定能力。基于单态与双态交替排列的规律，系统仅依据当前采样状态与确信状态的逻辑关系即可直接判定运动方向：若当前采样状态为双态且包含当前确信单态，则判定发生切出，切入位指示离开方向；若当前确信状态为单态，且采样状态为包含该单态有效位的双态，则判定发生切入，切入位指示运动方向。该过程无需存储多帧历史状态，显著降低了内存开销并提升了系统响应速度。

4、本发明具有原生的故障自诊断与容错能力。在编码规则层面，合法逻辑状态仅包含单态和双态，其他组合均为非法状态。特别是所有输入位均无效的状态被定义为非法，可用于识别线路断路、公共端断开或供电异常等硬件故障。

5、本发明还具备单点异常识别能力。当采样状态出现单点异常时，系统可依据单态与双态交替运行的规律，识别出不符合预期的孤立异常位。

6、此外，本发明通过调整基数d，可灵活适配不同的应用场景。d=1时对应最基本的滑动窗口结构；d>1时，有效输入位数量的增加提高了信号的信噪比和系统的抗干扰能力，实现了编码设计灵活性与鲁棒性的统一。

7、有益技术效果

8、1. 通用化逻辑相邻有效输入位基数：引入参数d，使跬步码的编码规则适用于不同的逻辑相邻有效输入位，在不同d值下保持相同的单态/双态交替逻辑结构，增加设计自由度。

9、2.全行程无盲区，从根本上消除检测死区。 将双态（过渡状态）纳入合法编码体系，使得物理运动轨迹上的每一个点均有唯一的合法逻辑状态与之对应。这从根本上消除了传统编码器在相邻码道过渡区域因物理间隙或信号不确定而产生的检测盲区，无需依赖软件延时滤波或复杂的硬件补偿电路，实现了位置检测的零延迟与连续性。

10、3. 原生即时判向，显著降低计算资源开销。 基于编码序列中相邻状态仅一位变化的特性，系统仅依据当前采样状态与确信状态的逻辑关系，即可在单次采样周期内判定运动方向，无需像传统方案那样存储并比对多帧历史数据。这一特性极大降低了对控制器内存和算力的需求，显著提升了系统的响应速度与实时性，特别适用于高速运动控制场景。

11、4. 具备原生故障自诊断能力，提升系统本质安全。 通过合法状态与非法状态的清晰划分，赋予了系统“自省”能力。特别是将“全无效”状态定义为非法，使得系统无需增加任何额外检测电路，即可即时识别线路断路、公共端断开或供电失效等严重硬件故障，实现了故障状态的主动上报与快速定位，极大提升了系统的可维护性与安全性。

12、5. 支持单点异常识别与容错，运行更可靠。 在能够同步获取各输入位独立状态的条件下，系统能够利用单态与双态交替的严格逻辑约束，识别出采样数据中的孤立异常位（单点故障）。在出现非致命干扰时，系统能够保持位置输出的正确性，并输出具体的异常位指示，实现了从‘被动容错’到‘主动预警’的跨越。

13、6. 硬件架构极简，降低设计与制造成本。 输入位仅需依序排列，非2的幂次档位（如10档、12档）无需像传统二进制编码那样进行复杂的码道适配。该编码方案完美适配环形闭环结构，简化了码盘设计与pcb布线难度，可有效降低硬件成本与装配复杂度。