Оптичні енкодери, роботоша

Оптичні енкодери

Перші оптичні енкодери були розроблені в середині 1940-х років «Фортепіанної компанією Болдуіна» для використання в якості «тонових коліс», які дозволяли електричним органам імітувати інші музичні інструменти. Сучасні пристрої в основному являють собою мініатюрні версії датчика наближення з використанням переривання світла. У енкодер сфокусований промінь світла, спрямований на суміщений з випромінювачем фотоприймач, періодично переривається обертовим диском, розташованим між приймачем і передавачем світла і закріплений на валу, що контролюється. Диск може бути непрозорим з отворами, або прозорим з нанесеним на нього кодованим малюнком. У порівнянні з більш складними перетворювачами змінного струму, це проста схема кодування реалізує, по суті, цифровий висновок результатів з оптичних датчиків в недорогий надійної конструкції з хорошою завадостійкістю.

Є два основних типи оптичних енкодерів: інкрементні і абсолютні. Інкрементний енкодер вимірює швидкість обертання і може видати відносне положення, в той час як абсолютний енкодер вимірює безпосередньо кутове положення і на виході дає швидкість. Якщо не брати до уваги зміну інформації про місцезнаходження, то з інкрементного енкодером, як правило, легше працювати і він забезпечує еквівалентну дозвіл при набагато нижчій вартості, ніж абсолютні оптичні енкодери.

Інкрементний оптичний енкодер

Оптичні поворотні інкрементні енкодери, ще їх називають датчиками кута повороту, стали найбільш популярним пристроєм для вимірювання кутової швидкості і положення в моторах, на валу колеса або рульового механізму. У мобільних роботів, енкодери використовуються для контролю положення або швидкості коліс і інших, керованих за допомогою моторів з'єднань. Через те, що енкодери є пропріоцептивних датчиками. їх оцінка положення є кращою в системі координат робота і, при вирішенні завдання локалізації робота (див. слайди «Проблема локалізації мобільного робота»), потрібні значні поправки.

Принцип дії інкрементного енкодера

Ці, відносно недорогі пристрої використовуються в якості датчиків швидкості в колі зворотного зв'язку в системах управління, які працюють на середніх і високих швидкостях, але на дуже малих швидкостях чутливі до шумів і проблем зі стабілізацією через помилки квантування. Тут потрібно шукати компроміс між дозволом і швидкістю поновлення: поліпшена перехідна характеристика вимагає більшої швидкості оновлення, яка для даного числа ліній зменшує число можливих імпульсів енкодера для інтервалу дискретизації.

Принцип дії квадратурного інкрементного оптичного енкодера

Наслідком інкрементного характеру фазо-квадратурних вихідних сигналів є те, що будь-який дозвіл кутового положення може бути виражено не в абсолютній формі, а тільки щодо деякої опорної точки. Створення такої точки відліку може бути зроблено декількома способами. Для додатків, що включають безперервне обертання на 360 градусів, більшість енкодерів включає в якості третьої каналу спеціальний індексний вихід, який переходить в високе стан на кожному повному обороті вала. Проміжні положення вала потім визначаються числом, на яке збільшився, або зменшився лічильник імпульсів від цього відомого індексованого положення. Одним з недоліків такого підходу є втрата інформації про відносне становище в разі збою живлення.

У разі обмеженого обертання, такого як зворотно-поступальний рух уздовж напрямних (як в верстатах з ЧПУ) можна використовувати електричні кінцеві вимикачі і / або механічні обмежувачі для завдання початкового положення. Для поліпшення повторюваності, повернення в вихідне положення розбивається на два етапи. Ось обертається зі зниженою швидкістю у відповідному напрямку до тих пір, поки не зустрінеться механізм зупинки, після чого відбувається обратка обертання протягом визначеного короткого проміжку часу. Вал обертається повільно назад до зупинки на заданій повільній швидкості з цієї заданої початкової точки, тим самим, усуваючи будь-які зміни в інерціальній навантаженні, які могли б вплинути на остаточне вихідне положення. Цей двоетапний підхід використовується, наприклад, при старті крокової двигуна для ініціалізації позиціонування друкуючої головки в принтерах.

З іншого боку, функція абсолютного індексування може бути заснована на якомусь зовнішньому дії зі створення опорної точки, яке відокремлене від циклу безпосереднього сервоуправления. Доброю ілюстрацією цієї ситуації служить інкрементний датчик, який використовується для відстеження кута рульового управління платформи. Наприклад, коли робот включається в перший раз, абсолютний кут рульового управління невідомий і слід буде почати, використовуючи «прив'язку» дії до маяків на док-станції, сусідній стіні, або будь-якої іншої ідентифікує набір орієнтирів. Збільшення або зменшення значення лічильника електронного декодера використовується для зміни регістра напрямки транспортного засобу у відносній формі.

Як і більшість пропріоцептивних датчиків, енкодери, як правило, знаходяться в контрольованому середовищі внутрішньої структури мобільного робота, і тому систематична помилка і крос-чутливість можуть бути усунені. Точність оптичних датчиків часто передбачається рівний 100%, і, хоча це може бути не зовсім коректно, будь-які помилки оптичного датчика є незначними помилками в порівнянні з тим, що відбувається за валом двигуна.

Абсолютний оптичний енкодер

Абсолютні енкодери зазвичай використовуються в додатках з повільним обертанням в яких недопустима потенційна втрата інформації про становище. Елементи дискретного детектора в фотоелектричної матриці індивідуально поєднані з концентричними доріжками на светопреривателе, створюючи ефект безконтактної реалізації енкодера з щітковими контактами. Призначення окремої доріжки для кожного біта результуючого дозволу призводить до дисків більшого розміру (в порівнянні з конструкцією інкрементного енкодера) і відповідного зниження допустимого відхилення при ударі і вібрації. При цьому кожна додаткова доріжка енкодера подвоює дозвіл, але учетверяется вартість датчика.

Принцип дії абсолютного оптичного енкодера

Замість послідовного потоку бітів, як в інкрементного датчику, абсолютні оптичні енкодери забезпечують паралельний висновок слова даних з унікальним кодом шаблону для кожного дискретного стану вала. Найчастіше використовується код Грея, двійкове та двійковій-десяткове кодування. Характерною особливістю коду Грея (по імені винахідника Франка Грея з Bell Labs) є те, що тільки один біт змінюється за раз, допомагаючи уникнути тим самим асинхронних неоднозначностей, зумовленими електронними і механічними допусками елементів. З іншого боку, двійковий код завжди включає безліч змінених бітів при збільшенні або зменшенні рахунку на одиницю. Наприклад, при переході з положення 255 в положення 0, вісім біт змінюються з 1 в 0. Так як немає ніякої гарантії, що всі порогові детектори, які є елементами стеження детектора спрацюють одночасно, в момент переходу буде присутній значна невизначеність в даній схемі кодування. Тому є потреба у додатковому сигнал підтвердження правильності даних, якщо більше ніж один біт змінився між послідовними положеннями енкодера.

Поворот 8-бітного диска з кодом Грея

На малюнку зліва поворот проти годинникової стрілки на одну позицію стає причиною зміни тільки одного біта. На малюнку праворуч такий же поворот двійковій-кодованого диска стане причиною зміни всіх бітів в окремому випадку (з 255 в 0) ілюструючи тим самим опорну лінію на 12 годин.

Абсолютні енкодери найкраще підходять для повільних і / або рідкісних поворотів, таких як кодування кута повороту рульового колеса, на відміну від вимірювання високошвидкісного безперервного (наприклад, провідне колесо) обертання, яке вимагатиме обчислення зсуву вздовж усього шляху руху. Хоча і не настільки надійні як резольвера для високотемпературних або в додатках з високою ударною стійкістю, абсолютні енкодери можуть працювати при температурах понад 125 градусів і середнім дозволом (1000 відліків на оборот). Потенційним недоліком абсолютних енкодерів є їх паралельний висновок даних, який вимагає більш складного інтерфейсу через більшої кількості проводів. 13-бітний абсолютний енкодер, який використовує додаткові вихідні сигнали для завадостійкості зажадає 28-жильний кабель (13 сигнальних пар плюс харчування і заземлення) замість шести у випадку з резольвера або інкрементного енкодером.

Як ви оцінюєте цю публікацію? (9 голосів, середня оцінка: 4.56 з 5)

Ще по цій темі

Нове шасі для Роботоші і колісні енкодери DFRobot
ToF і технології машинного зору
Сенсор Microsoft Kinect
Хмара точок і Time-of-Flight
Класифікація датчиків
LIDAR на чіпі: швидке і дешеве сканування
Датчики в робототехніці
Сенсор LIDAR за 100 $
Робот телеприсутності DORA дає неймовірне відчуття реальності
Перший в світі "розумний" 6-осьовий датчик ІНС від Fairchild