Encoder

又稱: Rotary Encoder, Position Encoder, Magnetic Encoder, Optical Encoder, Absolute Encoder, Incremental Encoder, Quadrature Encoder
類別: Sensing › Proprioceptive
標籤: sensors, feedback

把位置或運動轉換成數位訊號、用於回饋控制的感測器。

定義

編碼器是將位置或運動轉換為電訊號的感測器。類型包括光學式、磁性式與電容式。絕對式編碼器提供確切位置；增量式編碼器追蹤相對移動。是精確馬達控制不可或缺的元件。

為何重要

編碼器是機器人得知自身身體位置的方式。沒有編碼器，控制器可以命令馬達，卻無法確認結果，因此所有下游能力，包括閉迴路位置控制、正向運動學、里程計，以及從馬達電流估計力，都建立在它之上。絕對式與增量式編碼器的區別，是機器人設計中影響最深遠的選擇之一：絕對式編碼器一開機就知道自己的角度，而增量式編碼器只計算變化量，每一次都必須以極限開關或機械限位進行歸原點。

主要應用

關節位置回饋：在伺服馬達與工業致動器中形成閉迴路
輪式里程計：計算每圈的計數，估計移動底盤走了多遠
速度估計：對位置隨時間微分，形成速度控制迴路
歸原點與校正：在啟動時為增量式系統建立已知的零點
背隙與磨耗診斷：比較指令位置與量測位置，偵測機構鬆動
手輪與寸動旋鈕：把操作員的輸入轉換成離散、可計數的步階

實際應用

打開 Feetech STS3215 或 Dynamixel 伺服機的外殼，你會看到輸出軸上有一個小磁鐵，位於磁性編碼器晶片上方，能在整圈範圍內提供絕對位置，這就是那些手臂無論在什麼姿態下開機，都能立即回報關節角度的原因。輪式機器人則採用相反的配置：每個驅動馬達上的正交編碼器計算脈衝數，軟體再把這些計數積分成行進距離。正是這個積分讓輪式里程計產生漂移，也是它幾乎總要與 IMU 融合、或以 SLAM 修正的原因。

常見誤解

所有編碼器都知道自己的絕對角度：增量式編碼器只計算變化量，斷電後就會失去所有位置資訊
每圈計數越多，控制就一定越好：超出機構與控制速率所能利用的解析度，只會增加雜訊與成本，而不會提高精度
編碼器位置等於末端執行器位置：編碼器與工具之間的一切，包括減速箱背隙與連桿變形，都在迴路之外
光學與磁性編碼器可以互換：光學式提供更高的解析度，但怕灰塵與油汙，磁性式則能承受髒汙環境與振動

誰需要了解

任何在除錯機器人回報錯誤關節角度、或在重複移動中產生漂移的人
指定致動器規格的工程師，編碼器類型決定了歸原點的行為與啟動程序
為移動底盤撰寫里程計或航位推算的開發者
學習為什麼正向運動學與實體機器人對不上的學生
任何在評估機器人能否在意外斷電後安全恢復工作的人

影片

How Rotary Encoder Works and How To Use It with Arduino: How To Mechatronics

維基百科

旋轉編碼器

Open Source Robotics