Энкодер

Внешний вид простого энкодера с ручкой

Из-за разных скоростей вращения колес робот может отклоняться в ту или иную сторону во время движения, это связано с тем, что моторы, используемые в наборе, могут немного отличаться. Это контролируется с помощью энкодеров, которые устанавливаются на робот.

Энкодер - устройство, преобразующее угол поворота вращающегося объекта (вала) в цифровые или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Проще говоря, это датчик угла поворота - ДУП или преобразователь угловых перемещений.

Энкодеры применяются в разных системах точных перемещений, в промышленности (станкостроительные заводы); в роботостроении, измерительных устройствах, для которых важен точный учёт измерений вращения, поворота, наклона и угла. Также их применяют в автомобилестроении и компьютерной технике.

Принцип работы энкодера заключается в его передаче сигнала на вращающийся объект. При этом он позволяет увидеть угол поворота, направление, скорость и позицию.

Устройство и виды энкодеров

Простыми словами, энкодер – это поворотный датчик. Самый обычный датчик оснащён ручкой, которая совершает поворот, как по часовой стрелке, так и против неё. При вращении ручки модуля мы получаем два сигнала (A и B), которые противоположны по фазе. Сигналы A и B зависят друг от друга при вращении энкодера Ардуино по часовой или против часовой стрелки. Для считывания сигнала A и B с энкодера можно использовать, как цифровые, так и аналоговые порты микроконтроллера. От поворотного угла и направления зависит выдаваемый цифровой сигнал, который информирует либо о том, какое положение приняла ручка, либо о её стороне поворота. Такая ручка применяется еще в виде кнопки.

Каждый раз, когда сигнал A переходит от положительного уровня к нулю, мы считываем значение сигнала B. Если сигнал B находится в этот момент в положительном состоянии, значит энкодер вращается по часовой стрелке, если B равен нулю, то энкодер вращается против часовой стрелки. Считывая оба выхода при помощи Ардуино, можно определить направление и угол поворота.

Датчики поворотного угла подразделяют по следующим критериям:

• Принцип выдачи данных: инкрементальный и абсолютный;
• Принцип работы: оптический, магнитный и механический;

Инкрементальный энкодер

Инкрементальные энкодеры принцип работы

Инкрементальные (пошаговые, накапливающие) энкодеры - англ. increment - увеличение. Оптический инкрементальный энкодер представляет собой тонкий диск с нанесенными на него чередующимися прозрачными и черными участками. Диск закреплен на валу двигателя, а на его краю размещается фотодатчик. При вращении диска происходит последовательное перекрывание щели фотодатчика. Получая такой сигнал, контроллер может определить скорость вращения диска и величину угла, на который повернулся вал.

Недостаток таких энкодеров состоит в том, что нет нулевой отметки, а значит становится неизвестно количество оборотов, соответственно, нужны дополнительные приспособления, например концевой выключатель)

Абсолютный энкодер

Абсолютные энкодеры устройство

Для устранения главного недостатка инкрементальных энкодеров - потеря позиции при выключении питания, был разработан абсолютный энкодер.

Абсолютные (позиционные) энкодеры выдают значения о точном расположении вала в независимости было перемещение или нет. Диск с метками в этом энкодере устроен несколько сложнее. Начиная от края диска, на нем размещаются несколько слоев меток. Каждый слой отвечает за одну позицию в бинарном выходном коде. Для снятия сигнала с каждого слоя, напротив него размещается свой отдельный фото датчик. При этом, в каждом фиксированном положении диска, на выходе имеется строго уникальный бинарный код.

Параметры энкодеров

Первоначальный параметр любого ДУПа представлен числом импульсов, получаемых за совершение одного оборота (разрешение/разрядность). Зачастую этот параметр равен 1024 за один оборот.

Из других критериев можно выделить:

• Напряжение – от пяти до 24В;
• Вид вала – пустой, сплошной;
• Размер вала/отверстия;
• Вид выхода – транзисторный и другие;
• Размер корпуса;
• Вид крепления.

Работа с энкодерами

Оптический инкрементальный энкодер

В нашем случае энкодер представляет собой простое устройство со светодиодом и фотоприемником. Фотоприемник срабатывает при засветке светодиодом, это происходит, когда в дополнительном колесе появляется отверстие, соответственно, мы можем посчитать скорость вращения колеса, зная количество отверстий в дополнительном колесе.

Работа с энкодерами осуществляется через внешние прерывания. На плате ArduinoUno внешние прерывания присутствуют только на двух выводах, это D2 и D3.

attachInterrupt(interrupt, function, mode)

interrupt: номер прерывания (int)

function: функция, которую необходимо вызвать при возникновении прерывания; эта функция должна быть без параметров и не возвращать никаких значений. Такую функцию иногда называют обработчиком прерывания.

mode: определяет условие, при котором должно срабатывать прерывание. Может принимать одно из четырех предопределенных значений:

LOW - прерывание будет срабатывать всякий раз, когда на выводе присутствует низкий уровень сигнала

CHANGE - прерывание будет срабатывать всякий раз, когда меняется состояние вывода

RISING - прерывание сработает, когда состояние вывода изменится с низкого уровня на высокий

FALLING - прерывание сработает, когда состояние вывода изменится с высокого уровня на низкий

HIGH - прерывание будет срабатывать всякий раз, когда на выводе присутствует высокий уровень сигнала.

Подключение

Схема подключения энкодера к ArduinoUNO

В самом лёгком варианте, если имеется возможность, выход преобразователя подключается к входу счётчика и программируется на параметр скорости.

Однако обычно преобразователь используют вместе с контроллером. К нему присоединяют интересующие выходы. Далее программа определяет положение/скорость/ускорение объекта. К примеру, устройство установлено на электродвигательном валу, перемещающем один элемент в сторону другого. После вычислений на устройстве вывода виден зазор между элементами, при достижении которого движение элементов останавливается, для обеспечения их сохранности.