高分辨力面阵图像式光电编码器的测角技术

光电轴角编码器是集光、机、电为-体的数字化测角装置，具有高分辨力、高精度、智能化、无接触测量等优点，因此被广泛应用于国防、工业和科技领域的动态测量和实时控制系统中 。

传统基于莫尔条纹的光电编码器的精码细分技术，是通过-对计量光栅相对移动产生变化的光信号，实现对角位移量的测量 。然而编码器的机械装调工艺及码盘刻划技术比较复杂，为此限制了光电编码器分辨力的提高。以增加码盘尺寸来提高分辨力，不仅增加体积，而且增加相应的光学元件及处理电路。在航空航天领域，往往对仪器的重量和体积有着严格的限定，故此，在光电编码器高分辨力与小体积、低重量上，成为设计师需要权衡的问题。

21世纪以来，以图像处理技术为基础，国内外先后开展图f-e；光电编码器的研制 ，其具有高精度、高分辨力、校正错误编码等优点。图像式光电编码器的电路由图像传感器、微处理器及存储器等组成～图像传感器采集到的高质量的码盘图像，通过图像亚像素定位算法 计算获得角位移量。与传统光电编码器相比，省略了光电接收器件及模数转换电路。并且在装调工艺上，由传统双计量光栅的偏心调整，简化为只需对-个编码码盘进行偏心调整。

由我国中科院成都光电所研制的图像式光电编码器，采用线阵图像传感器，通过黑白条纹编码方式进行角度测量。

其由7位角度粗码组成，通过精码细分技术，实现测角分辨力4”，测角精度52.6” 。中科院长春光机所和浙江大学也分别对基于线阵图像传感器的光电编码器进行了研究 。 。

面阵图像式光电编码器对角度的测量由粗码和精码2部分实现。粗码主要通过识别码盘图案实现。同传统编码器-样，粗码位数受到结构尺寸的限制，为达到对角度的精确测量，提高编码器的分辨力 ，需通过对图像信息进行精码细分计算。

2 图像式光电编码器工作原理图像式编码器的系统组成如图1所示。

图 1 面阵图像式光电编码器系统原理框图Fig.1 Principle block diagram of area array imageoptical encoder通过光源的照射将码盘刻线的像投射到CMOS成像器件上，经过CMOS图像传感器及其内部DSP的处理，在控制电路的作用下，将图像数据送至外部存储器，然后由微处理器通过图像识别算法对图像进行识别，得到相应的粗码信息，再根据角度细分算法得到精码数据，最后输出高精度的角度信息。码盘图案及针对码盘的相关细分算法是实现光电编码器高分辨力的关键。

3 码盘的编码设计码盘的编码由-组等间距码道组成，每条码道分为编码单元和基准线2部分，如图2所示。编码单元采用6位2进制绝对式编码，用于角度粗码的识别及编码纠错。因考虑到码盘的划损及灰尘附着会引起粗码错误，设计中采用图像区内至少取2条完整码道的方案：当相邻码道差值不为1时，表明存在错码。若像区内存在3条码道，且只有1条码道错码，则可以自动将其纠正；若只有2条码道，则需要对下-码道图像进行采集，然后纠正前-码道。因为此种错码为物理性损伤，所以纠错-次即可由软件对此后测量自动纠正。图2右侧所示的2条码道所代表的粗码为 111110、111111。基准线主要用于编码器精码细分的计算。适当的基准线尺寸，可降低角度测量结果的误差值。

。 编码单元I/：l L-基准线-图2 码盘结构Fig.2 structure of code disc3.1 基准线设计1)依据设计指标设计基准线间距基于图像处理技术的图形质心测量算法，精度小于0.07个像素 。若要实现 份细分的精码设计指标，设相邻码道之间线宽为 △个像素，则：△≥0.07L (1)要保证图像中含有 条完整的码道区域，则图像传感器行像素s应不小于(K-1)A。根据S值选取适当的图像传感器。

2)依据光学器件设计基准线间距选认适的光学器件可使图像传感器得到清晰且大小适当的码道图像。设码道质心外径为 D，相邻码道质心直径间距为d。若保证图像传感器获取K条完整的码道区域，则所需光学器件的放大倍数 为：(2)236 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷式中：a为单位像元尺寸。由式(2)得：dU，max：- - (3) -M× fK -1)D： (4)3.2 码盘设计本文 中，编码器的设计指标定为：精码细分 L 4 096份 ，码盘直径小于50 nlil。

根据设计指标，由式(1)得，S>/287个像素。因此性能指标为：640×480，a6 Ixm的图像传感器满足上述设计要求，故s≥1.722 Bin。若不选取光学器件，即M1，则由式(3)、(4)得，d -3.84 131131。故 1.722 mm≤d≤3.84 mm。取 d2.0 mil，则 D-41 Inn。

由此设计码盘直径 45 mm，码道质心直径 D41 mm，编码 单 元 为 0.1 mil×0.1 him，基准 线 为0.1 m/1 x0.9/liT/4 图像细分技术4.1 信号提取图3为CMOS所采集的码盘图像。本文将以图3为例详细介绍编码器粗码识别和精码细分算法。

图3 传感器采集的码盘图像Fig.3 The image of code disc acquired by seBsor图3中 CMOS传感器的图像尺寸为640×480，为便于图像角度细分算法的计算，将第 1条码道的行像素进行灰度值累加，如图4(a)所示，基准线所在的列像素进行灰度值累加，如图4(b)所示。

对应列(a)行累加信息图(a)Summation diagram of line pixels50 00045 000；05 0o蘸20 000l5 O00lOoo05 000 0 10O 200 300 400 500 600 700对应行(b)列累加信息图(b)Summation diagram ofcolumn pixels图4 码盘图样行列累加信息Fig.4 Summation results of line pixels and eolumnpixels of a code disc patern角度粗码二进制数值由式(5)求得：5D ∑2id (5)式中：d (i0，1，2，3，4，5)为 6位编码单元。根据图4(a)图所示，所读取的角度粗码数据为10001 1。

则角度粗码为：：D，6. 360 (6)式中：D 为D 的lO进制数值。

4.2 图像细分算法编码器的角度测量结果：X 0 (7)式中： 为角度测量结果， 为角度粗码，0为角度精码。

角度精码细分的实现是基于基准线图像亚像素级角度细分。

图4(b)为亚像素级细分的图像数据。旋转角度量的大小通过基准线图像质心的计算求得，如图5所示。

0- /0：：：：：A1 D图像传感器图5 精码细分示意图Fig.5 Schematic diagram of fine code subdivision图中O为码盘旋转圆心；O 为CMOS传感器中心像元；0为某基准线旋转过中心像元的角度，即精码角度；A为基准线质心位置；A 基准线质心在 CMOS传感器上的投影。则精码角度为：(8)第 1期 齐荔荔 等：高分辨力面阵图像式光电编码器的测角技术 237OA的长度在码盘设计时已确定 ，即OA mil，故二只需求：AB ：A O (M 8)×a×10- (9)式中： 为 A O 问整数像素数，s为亚像素值。 点即为基准线质心在图像中行像素位置。

关于基准线质心 的计算，可通过灰度质心法，式(10)、(11)求得：m 2 ： m 2 n 2。 ∑∑xg(x，y)/∑∑g( ， ) (10)m l Y ml Y l 2 n 2 m n2Y。∑∑ ( ，y)/∑∑g( ， ) (11)式中： 。、Yo为基准线的质心位置；m 、m：为图像窗口的行边界，n。、n：为图像窗口的列边界，(m：-m )×(n -n.)为用于计算质心图像的窗口； ( ，Y)为图像像素的灰度值。根据图(5)所示，可计算出AB：AB( - )×a×10- (12)式中： ，为图像中心行像元位置。

由于传统的质心法对于图像窗口的设置有着较高的要求 ：窗口过宽会引入更多的噪声误差，减低分辨力 ；窗口过窄会略去图像边缘的信息 。 。这里将采用-种改进的灰度质心法。

因像素灰度值g( ，Y)由光强和噪声共同决定。在码道刻划线的透光区域，其光强近似相等，故像素问 g( ，)的差异体现在噪声的影响上。利用 Sobel算子，对图像中基准线区域进行掩膜运算，把基准线图像分成基准线内部区域 Z，、边缘区域 z：和外部区域 Z3三部分，如图6所示～ z.内像素灰度累加均值化，得： 1∑∑g( ，y) (13)- YE z式中：g为灰度累加均值，k为z，区域内像素数。

Ⅱ图6 经 Sobel算子处理的基准线图像将式(13)代入式(10)、(11)中得到改进后的基准线灰度质心位置：∑ ∑xg(x，y)。 k· ∑g( ， )·Y∈∑ ∑yg(x，y)。 · ∑g(x，)，)，YE(14)(15)根据式 (14)、(12)和 (8)，可求得编码器精码角度，即：rarcsinI (k g(x- ]×n× 。-3 1.yE， ∈2 l，YlI·∑， )/D/2 ](16)4.3 改进质心算法的误差分析根据误差理论，式(14)得到的 。的标准差可通过 。

的全微分表示 ，即： .薏 薏 )等d (17)u- ( OX o，)20. 2磊( )2 22O- 2 (O Xo1 2 (18)式 中 . v 夫 示 r .v 存 Z 域 内的像 素 占设 ：A.： ： - - - - - - - Oxz. · ∑ g( Y ) y ∈A ： ： 量!兰 !：0 k· ∑ g( Yz2)，V EZt lg·O l he baseline image processed by 5obel operator z xz2g( y2 ) ( y ) [ ∑ g( ]2 g(Xz2，Yz2)J。

Z Xzg( )]。g [晤∑ g( Yz 2)]238 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷若采用传统的质心测量算法，按照 Z。、Z 区域的划分，将式(10)改写为如下形式：∑ XZ，g( .，Y .)∑ xzg(x ，y )∑ g(x Y )∑ g(x y )根据式(17)，(18)求得 。的标准差：t)2 E ( OXl )20'2设 ： ，Ox 。 g(x Yz.)a z ∑ g(x .，Y .)∑ g(x ：，Yz2)，Ox 。 g( z ，Yz )0 z ∑ g(x ，Y )∑ g(x ，y )， 五 ∑ g(x，y)- ∑ xg(x，y)[∑ g(x，y)rd -Ox- - ( y )-∑ g( ，y)-∑ xg(x， )[∑ g(x， )]在z 区域内，g( ，Y)各点g( Y )近似相等，因此设定 r， ， ，org ) g( 川 ，且√亡 )。故式( 8)第1项：.A 2～2 彘 2Y z ∑ g( )∑ g( y )]J～∑A'1 20- (21)同理可证：∑A：2 2≤∑A'220- (22)∑A， 2 )≤∑A p2 ) (23)A 2 ≤∑A ) (24)，yE Z故 ≤ 可见式(14)、(15)在求质心时能有效地降低标准差。

5 实验验证编码器检测装置原理图如图 7所示，基准光电编码器是-台精度为2”的23 b绝对式光电编码器～图像式光电编码器及基准编码器数据经采集电路送至计算机。

图7 检测装置原理图Fig.7 Principle diagram of the measuring system图8为图像式编码器软件调试软件。通过基准编码器的微调转动，编码器调试窗口的右侧的 18位显示灯逐位闪亮。

图8 面阵图像式光电编码器软件调试软件Fig.8 The software for area array image optical encoder5.1 精码分辨力检测检测方法：对图像式编码器的分辨力进行检测，分别按顺时针和逆时针方向进位，累加(或者累减)总计检测- 个码道间隔的分辨力(4 096个)。

检测结果 ：1)编码器读数从 0～4 095进位连续，无跳码 、漏码，进位正常；2)对应每-个量化值的读数稳定；3)正、反转丁作正常。

5.2 角度测量精度检测以30。为图像式光电编码器检验间隔，用 23位基准编码器作为检验基准，测量图像式光电编码器的角度误-～-～第 1期 齐荔荔 等：高分辨力面阵图像式光电编码器的测角技术 239差，结果如表 1所示。

表 1 面阵图像式光电编码器精度检测值Table l Precision measurement result of areaarray image optical encoder由表 1可知，分辨力为 5”的图像式光电编码器的角度测量误差峰峰值为 61”。

6 结 论本文研究的图像式光电编码器，采用6位二进制编码及编码基准线相结合的方式，通过 CMOS图像传感器对码盘编码图像的提取，经过粗码识别、像素级及亚像素级的精码细分，可达到高分辨力。图像式光电编码器的电子学细分结合了图像传感器、存储器、微处理器等，实现了角度精确测量的快速性。采用 I<9光学玻璃制作的图像式光电编码器，码盘直径为 45 nlTl，厚度为 1.5 Bin，CMOS图像传感器的图像像素为640 x480，像素尺寸6 laxn×6 m。实验结果表明：在未配备光学镜头的情况下，经过对码盘图像的粗码识别和精码计算，可实现光电编码器精码的4 096份细分，测角分辨力达5”，角度峰峰值误差为61 ，满足航天设备对小型角位移光电编码器的测角使用要求。