图像处理驱动的高分辨率面阵光电编码器测角技术

本文主要探讨了一种创新的图像式光电编码器测角技术及其硬件实现方法，以提升编码器的分辨率和减小其体积，特别是在航空航天领域的应用需求。该编码器的核心思想是利用图像处理技术，尤其是基于互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器来捕获和解析旋转码盘的图案。首先，根据光电编码器的性能指标，如高分辨率和小型化，设计了一种高性能的光学码盘，其直径为45毫米。 编码器的工作流程包括以下几个关键步骤： 1. 光学采集：通过CMOS图像传感器，能够实时捕捉码盘上编码的图案，这些图案代表了旋转角度的信息。 2. 图像数据处理：接收到的图像数据由复杂的可编程逻辑控制器（CPLD）和数字信号处理器（DSP）进行处理。这里采用了图形识别算法来提取粗码角度，这是编码器测角的第一阶段。 3. 精码角度计算：在粗码基础上，文章提出了一种改进的基准线质心算法，用于计算亚像素级别的精码角度信息，这显著提高了角度测量的精度，即使在没有光学镜头的情况下也能实现高分辨率的细分，例如4096份细分。 4. 角度数据生成：将粗码和精码结合，形成了完整的光电编码器测角数据，从而实现了对角度的准确、细粒度测量。 实验结果显示，这种图像式光电编码器在不依赖光学镜头的情况下，实现了5°的测角分辨力，峰峰值角度测量误差仅为51°，证明了其在噪声抑制和精度提升方面的有效性。此外，由于采用了图像处理和精码细分技术，编码器的体积得以大幅度减小，重量也有所减轻，满足了航空航天领域对小型、轻量化设备的需求。 本文的研究成果对于提高光电编码器的性能，尤其是在精度和尺寸上的优化，具有重要的实用价值和理论意义，为光学编码器的设计和应用提供了新的思路和可能。