极高精度地跟踪旋转

我想跟踪一个相当慢的电动旋转臂（直接驱动；请参见下图）的角度位置，但是需要角度精度在0.05°以下，并且分辨率类似。

正如@gbulmer在评论中指出的，这等效于沿圆周在位置上跟踪手臂的尖端，精度为（2×π×10cm）/（360˚/ 0.05）= 0.08 mm。

是否有任何当前可实现的传感器或电子方法可以在不花费大笔费用的情况下达到旋转感测的这种精度水平？

到目前为止，这是我尝试过的方法，从最简单到最复杂：

• 数字指南针/磁力计：我从这里开始；但显然没有达到我想要的性能。

• 旋转编码：基于电位计/基于霍尔效应传感器的编码：无法获得足够的分辨率，并且存在很大的线性误差。

• 机器视觉：尝试将光学标记器放置在手臂的尖端（因为尖端跟踪最长的弧线），并使用摄像头（OpenCV）跟踪标记的位置：鉴于手臂的旋转范围，无法很好地解决很小的旋转10x10厘米的面积。

• 磁性编码器：我目前正在研究AS5048（一种来自AMS的磁性旋转编码器）的使用，传感器的中心位于电机的轴位置。像这样：

您正在做的事情是可能的，但是我不知道您将如何廉价地做它。

0.05度（3分钟的弧度）表示分辨率为7200个计数/转，或等效于13位（8192）。更糟糕的是，由于您要进行位置循环，因此您至少需要至少一位分辨率或14位系统。问题在于您的位置环无法检测到小于一位的误差，因此，如果机械臂开始漂移，角度传感器将在输出降低一位之前检测不到该误差。位置环将以另一种方式向后驱动手臂，并且当误差降至零时将停止驱动手臂。但是，这将使机械臂以另一种方式摆动，直到获得相反方向的计数，以此类推。例如，如果您希望机械臂的传感器数量保持为100，则系统很可能会产生100、101、100 ，99、100等。

我建议最好使用光学编码器，但是14位（16,384 ppr）的编码器并不便宜。另一种可能性是旋转变压器或同步器，第二种可能性是使用RDC或SDC（旋转变压器/数字转换器或同步/数字转换器），但这会花费更多。同步器/解析器有两个缺点。首先，它们通常已被光学编码器所取代，因此您在市场上可以找到的大部分是剩余单元。其次，准确性通常不足。尺寸为23的旋转变压器的额定电弧通常约为5-10分钟，因此您需要一个高精度的装置，并在找到一个时会很幸运。

感应同步器将为您提供出色的分辨率和精度，但其成本甚至比光学编码器还要高。本质上，您需要一个高速RDC来读取输出。

您对光学编码器精度的关注是基于特定制造商的论文，但这实际上是一件令人毛骨悚然的事情。每个制造商出错的可能性都相同，并且链接的制造商并不比其他制造商更好。通常，对于精密编码器，精度与分辨率相同。

虽然可以使光学编码器具有并行输出，但最好使用增量编码器并滚动自己的向上/向下计数器。如果您确实选择了此路线，则每次打开系统电源时，都将使用“ home”信号重置位置计数器。

我认为OP建议根本不是一个坏主意。他想使用的是现成的环：http : //ams.com/eng/Products/Position-Sensors/Magnets/AS5000-MR10-128，它具有128极= 64极对。分辨率为16位= 65536，最大305 rpm。
如果拆开高分辨率的光学编码器，您会发现，如果没有特殊工具，几乎不可能对准检测器，实际上，使用这种新方法会使这一过程变得非常简单。
您将需要一台车床以适合环，然后将传感器放置在近距离，不需要特殊的对准。传感器本身是已经焊接在分线板上的套件版本，您需要的是一个附加的参考传感器-带有光电检测器的缝隙，然后您可以将索引输出+ ext ref传感器组合在一个磁极对内参考编码器。

既然这是一个集思广益的问题，并且WhatRoughBeast已经提到了我会考虑的所有内容，为什么不将谐波驱动器添加到列表中呢？从理论上讲（我没有用经验估算或初步计算来核实），它可以让您轻松获得20：1的传动比，而没有任何反冲（常见的是100：1），从而使所需的步骤数降至720 / rev 。可能值得一看。谐波驱动器并不便宜，但通常比高分辨率传感器便宜得多，特别是在这种齿轮比的情况下。

如果需要在输出轴上与13位相对应的分辨率，则需要更多的额外位，闭环控制必须至少为1位。下一个问题是制造商宣传分辨率，但不宣传准确性。您需要不断询问准确性。如果错误是可重复的，则可以使用软件更正来改进。

如果您需要重型户外解决方案，则是另一个问题。如果是，则可以选择磁性编码器。但是，磁性编码器可能会产生很大的可重复周期误差，您需要在校准过程中使用另一个光学扩展编码器消除这种误差。但是，您需要一个具有更高宽度精度的夹具。

正弦/余弦插值（光学或磁性）可提高分辨率，但也会增加一些随机误差。

您必须能够以所需的精度（特别是同心度）进行制造。另外，您还需要考虑带宽，因为当您提高分辨率时，更快的移动可能会超过允许的带宽（例如，正交输出的频率）。相反，超慢动作控制是另一门学科，在那里人们可以找到有趣的未公开问题。

如果您需要控制臂旋转（不仅是轨道位置），那么直接驱动和扭矩的分辨率就很重要。双回路有助于控制，但是需要电动机（如果是齿轮箱，则为编码器；如果是步进器，则为计数步）；轴位置检测。

增量编码器与绝对编码器也是基本决定。

一般建议是：如果要完成项目，请使用价格昂贵的专业组件（例如Renishaw ATOM光学编码器）。如果您是为了娱乐而玩，而时间并不重要，那么您可以享受重新发明问题（cul-de-sac），发现难以置信的问题等的乐趣。请仔细检查您是否可以以所需的精度制造设备。

似乎非常适合通常用于测量精确距离的数字卡尺，请参阅：

电子卡尺如何工作？

它们类似于电容编码器（您已经在http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/apr/a-designers-guide-to-encoders中看到了）。

线性数字卡尺的电子部分可能可以重复使用，因此您只需要制作一张带有正确图案的四分之一圆盘即可。

PS：精确度甚至可以让您使用现成的线性模型。

这是我的新主意，但还有另外一个故事：-)

单击动画图像以查看未抖动的完整分辨率。在这里，您将步进电机用作行进尺。主手尖上有一块磁铁。红线显示了预期的磁通量方向。假设步进电机就像维基百科上的一样。一整步为3.6度。对于该字段的线性部分，您需要7位的3.6 / 0.05 = 72组合。这意味着普通MCU的10位ADC可以很好地完成更大的非线性范围。完成该机制后，分析近似模式并选择最线性的部分，并对其进行线性映射，并为该特定设置选择标尺边界。

步进电机并不完美。根据维基百科，它们之间的牙齿差异可能高达5％。要测量误差，可以将标尺的主要边界扩展为次要边界，只需遵循先前对其邻居边界进行分析的渐变模式即可。

另外，您最好以微步进方式驱动步进电机，以避免+/-加速度可能会影响设置比例，我认为至少您必须进行半步进。

与机械师打交道，首先要从机械师开始。

将大齿轮（R2）旋转一个角度，小齿轮（R1）旋转一个角度R2 / R1较大。

因此，如果在给定（R）的半径上处理非常极端的角度精度，则可以在n倍的较小半径（即R / n）上处理n倍的较粗角度精度。

在您的情况下，您可以在手臂的轴上安装一个大齿轮，并在其上安装一个较小的齿轮，然后将较粗的传感器连接到较小的齿轮。

从Wiki开始，许多其他调整方法也是已知的和有用的。

您应该在手的边缘上制作第二个机制，以通过线性机制（如cd-rom驱动器的光学系统中发现的那样）来分割中心的台阶。这样，通过在中央也使用步进电机并通过微步进驱动它来避免非常高的加速度，将整个系统实现为开环可能会更容易且足够。

移动臂周围空间的物理限制可能会排除此解决方案，但您到这里了-另一种廉价的机器视觉方法。可以通过更改镜头倍率来调整精度。

我不知道您认为算什么，但您可能要考虑http://www.inductosyn.com/

如果您的手臂经常处于初始（静止）位置，则另一个非常有趣的选择是使用光学（游戏）鼠标，或更具体地说，使用其感应系统。

将其传感器安装在手臂的末端，并提供良好的背景（细颗粒，非反射），以使其滑过。通过标准USB鼠标界面读出数据。

您将需要一个简单的传感器来校准初始位置。您必须尝试一下，看看它是否足够好。无论灰尘如何，它都应该可以正常工作，并且易于维护。

也许您可以考虑在枢轴臂的末端使用线性光学编码器，并使用像这样的柔性编码条，每英寸最多可显示2000行。如果您想变得超级便宜，可以使用像这样的线性编码器，但是它每英寸最多只能增加150行，因此分辨率为40微米（因为它是正交编码器）。如果您对驱动系统中的某些抖动不敏感，则可以直接使用。否则，您可以将臂伸到应用程序的下面，并将代码段进一步拉出。如果您的DPI为1000或更高，则您甚至可以打印自己的代码条。

祝好运！