C Z U J N I K I    S T A N U

Czujniki stanu są stosowane do opisanego we wstępie względnego pomiaru pozycji robota.
Jako czujniki stanu w robotach mobilnych stosowane zazwyczaj:

W bardziej wyrafinowanych konstrukcjach stosuje się również czujniki takie jak:

Jednak urządzenia te są z reguły bardzo drogie, a nasz pierwszy robot nie będzie potrzebował takich czujników.

Enkodery Optyczne

Zasada działania enkoderów optycznych jest niezmiernie prosta - na wale silnika, lub osi, której kąt, lub prędkość kątową chcemy badać umieszczamy dysk z odpowiednimi otworami. Następnie z jednej strony dysku umieszczamy diodę emitującą wiązkę podczerwieni, z drugiej fototranzystor wykrywający promieniowanie podczerwone tak jak na zdjęciu poniżej.

Obracająca się tarcza przesłania wiązkę powodując, że fototranzystor odbiera ciąg impulsów o częstotliwości zależnej od prędkości kątowej wału, na którym dysk jest umieszczony, a ilość tych impulsów mówi nam o kącie wychylenia tegoż wału.

Są dwa podstawowe typy enkoderów optycznych: impulsowe i kodowe.

Przetworniki obrotowo-impulsowe są przeznaczone do pomiaru przemieszczeń kątowych, a więc zarówno do pomiaru kąta jak i prędkości kątowej. Z pomocą napędu paskowego, zębatki lub koła ciernego mogą być mierzone z ich pomocą również przemieszczenia liniowe. Przetworniki te pozwalają na określenie pozycji względnej przez zliczanie impulsów. Charakterystyczną cechą tych urządzeń jest stała, niezmienna ilość impulsów na jeden obrót, odpowiadająca rozdzielczości systemu pomiarowego.

Kierunek ruchu może być rozpoznawany dzięki przesunięciu fazowemu kanałów A i B, tak, że elektronika współpracująca musi dodawać lub odejmować przychodzące impulsy. Kanał zerowy I oznacza przy każdym obrocie przetwornika pozycję absolutną, która może służyć do wyznaczania pozycji zerowej układu pomiarowego. Rozdzielczość przetwornika określana jest w działkach odpowiadających liczbie kresek na tarczy podziałowej przetwornika lub liczbie okresów fali prostokątnej wychodzącej z jednego kanału przetwornika.
Poniższy schemat przedstawia projekt prostego enkodera:

Do zbudowania enkodery z rozpoznawaniem kierunku obrotu trzeba zastosować dwa układy takie jak wyżej, (po jednym dla kanału A i B). Aby mieć dodatkowy sygnał indeksujący (I), należy wykonać jeszcze jeden taki układ. Odpowiedni dysk ze szczelinkami można znaleźć w starej myszce komputerowej, stamtąd też można wymontować diody i fototranzystory. Dysk najlepiej umieścić na wale silnika - przed przekladnią -> większe obroty pozwolą dokładniej wyznaczyć parametry obrotu koła robota.

Przetworniki obrotowo-kodowe Zasada działania tych impulsatorów opiera się na przyporządkowaniu odpowiednim wartościom kąta, kodowanych wartości liczbowych. Na wałku napędowym enkodera znajduje się tarcza kodowa, która zawiera w formie kodu wartości liczbowe odpowiadające przesunięciom kątowym. Pozwala to na zadawanie wartości absolutnych w dowolnym momencie, bez konieczności porównywania z punktem odniesienia. Enkoder kodowy pozwala określić dokładną informację o pozycji po ponownym uruchomieniu, gdy zanikło napięcie zasilania systemu lub enkodera. Jeżeli po zaniku zasilania miał miejsce jakikolwiek ruch mechaniczny, faktyczna pozycja mechaniczna jest odczytana natychmiast po odzyskaniu zasilania.

Odczytane wartości są digitalizowane i są dostępne jako słowo w kodzie GRAY'a na wyjściu. Dzięki temu, że kod GRAY'a zmienia wartość tylko na jednym bicie o jedną pozycję w każdym kroku pomiarowym, łatwo jest kontrolować poprawność przenoszenia kodu.


Obrót takiej tarczy odwrotnie do ruchu wskazówek zegara o jednostkę powoduje zmianę tylko jednego bitu - zgodnie z kodem GRAY'a.


Taki sam obrót dysku binarnego powoduje, zmiane wszystkich bitów zgodnie z kodem dwójkowym (255 do 0).

Potencjometry

Bardzo prosta zasada działania potencjometru jest przedstawiona na poniższym rysunku.


A. Budowa potencjometru.    B. Schemat elektryczny potencjometru.

Wadami potencjometrów są:

  • skończona liczba obrotów
  • mechaniczne zużywanie się
  • nieliniowe przy dokładnych pomiarach

Enkodery magnetyczne

Ich zasada działania jest podobna do zasady działania enkoderów optycznych. Nośnikiem informacji jest tarcza z naniesionymi działkami magnetycznymi. Informację odczytuje głowica pomiarowa wyposażona w zespół czujników magnetycznych. Produkowane są także enkodery pomiarowe, w których pomiar odbywa się w oparciu o zjawisko magnetostrykcji, pojemności lub zmiany oporności magnetycznej obwodu magnetycznego.

Resolwery

Zasadę działania resolwera przedstawia poniższy schemat.

Faza wyjściowa jest proporcjonalna do kąta wału, a amplituda jest proporcjonalna do prędkości kątowej wału.

<- poprzednia  |   następna ->