对机器人实现位置和速度的控制需要使用传感器获取机器人运动的信息，编码器是常用的方式。常见的编码器有增量式编码器和绝对式编码器。

1.绝对式编码器

绝对式编码器通过对码盘上的各个位置设计特定的编码，可以输出转动轴的绝对位置信息。

绝对式编码器码盘

2.增量式编码器

增量式编码器无法直接得到轴的绝对位置信息。对于轴的每一圈转动，增量式编码器提供一定数量的脉冲（通常编码器参数中用n线/n脉冲来表示）。通过测量脉冲的数量可以得到旋转的角度，或者测量单位时间内的脉冲数可以得到轴的转速。

增量式编码器原理

但这里涉及到方向的问题，单纯从一相的脉冲输出无法判断轴的旋转方向，所以通常增量式编码器通过输出AB两相脉冲实现方向的测量。AB两相脉冲之间相差90°。

AB相脉冲

例如上图中的增量式编码器脉冲，当编码器正转时，B相脉冲的上升沿对应A相高电平，而当编码器反转时，B相上升沿对应A向低电平。如此判断旋转方向。

旋转编码器很重要的参数是其每圈输出的脉冲数，以400线的编码器为例，每转动一圈，AB相各输出400个脉冲。通过4倍频可以实现更高的测量精度。

4倍频

所谓4倍频就是对AB相的上升沿和下降沿均作检测，这样在一个周期内有四种状态，如下：

正向

旋转方向为正向时，A相上升沿对应B相低电平 -> B相上升沿对应A相高电平 -> A相下降沿对应B相高电平 -> B相下降沿对应A相低电平

反向

旋转方向为反向时，B相上升沿对应A相低电平 -> A相上升沿对应B相高电平 -> B相下降沿对应A相高电平 -> A相下降沿对应B相低电平

测试代码

具体代码实现可以通过Arduino中的中断判断CHANGE很容易实现4倍频。

#define Phase_A 2   //定义A相引脚
#define Phase_B 3   //定义B相引脚

unsigned long time;
long Position = 0;

boolean A = false;
boolean B = false;

void setup()
{
    pinMode(Phase_A, INPUT_PULLUP);//内部上拉，防止信号干扰
    pinMode(Phase_B, INPUT_PULLUP);

    attachInterrupt(0, Interrupt_A, CHANGE);//检测上升沿、下降沿
    attachInterrupt(1, Interrupt_B, CHANGE);//检测上升沿、下降沿

    Serial.begin(115200); //初始化Arduino串口
}

void loop(){
    time = millis();
    if(time%30 == 0){
        Serial.println(Position,DEC);
    }
}

void Interrupt_A(){ 
    if(A == false){
        if( B == false){Position = Position + 1;A == true;}
        else{Position = Position - 1;A == true;}
    }
    else{
        if( B == false){Position = Position - 1;A == false;}
        else{Position = Position + 1;A == false;}
    }
}

void Interrupt_B(){ 
    if(B == false){
        if( A == false){Position = Position - 1;B == true;}
        else{Position = Position + 1;A == true;}
    }
    else{
        if( A == false){Position = Position + 1;B == false;}
        else{Position = Position - 1;B == false;}
    }
}

3.接口定义

Encoder.h 接口类

#ifndef PIBOT_ENCODER_H_
#define PIBOT_ENCODER_H_

class Encoder{
public:
    virtual void clear()=0;
    virtual long get_total_count()=0;

    virtual long get_increment_count_for_dopid()=0;  
    virtual long get_increment_count_for_odom()=0;  
};

#endif

EncoderImp.h实现类使用Arduino库实现，地址 https://www.pjrc.com/teensy/td_libs_Encoder.html(这里涉及到跟自定义接口类重名，我们修改了该库文件名为ArduinoEncoder)

#ifndef PIBOT_ENCODER_IMP_H_
#define PIBOT_ENCODER_IMP_H_

#include "Encoder.h"
#include "ArduinoEncoder.h"

#define ENCODER_USE_INTERRUPTS
#define ENCODER_OPTIMIZE_INTERRUPTS

class EncoderImp:public Encoder{
    public:
        EncoderImp(unsigned char pinA, unsigned char pinB);
        void clear();
        long get_total_count();
        long get_increment_count_for_dopid();  
        long get_increment_count_for_odom();  
    private:
        ArduinoEncoder encoder;
        long pid_pos, odom_pos;
};

#endif

EncoderImp.cpp实现类

#include "EncoderImp.h"


EncoderImp::EncoderImp(unsigned char pinA, unsigned char pinB):encoder(pinA, pinB){
    clear();
}

void EncoderImp::clear(){
    encoder.write(0);
    pid_pos = odom_pos = 0;
}

long EncoderImp::get_total_count(){
    return encoder.read();
}

long EncoderImp::get_increment_count_for_dopid(){
    long l = encoder.read()-pid_pos;
    pid_pos = encoder.read();
    return l;
}

long EncoderImp::get_increment_count_for_odom(){
    long l = encoder.read()-odom_pos;
    odom_pos = encoder.read();
    return l;
}

4.实现

robot.cpp

    Encoder*        encoder[MOTOR_COUNT];
  
#if MOTOR_COUNT>0
    static EncoderImp encoder1(MOTOR_1_ENCODER_A_PIN, MOTOR_1_ENCODER_B_PIN);
    encoder[0] = &encoder1;
#endif

#if MOTOR_COUNT>1
    static EncoderImp encoder2(MOTOR_2_ENCODER_A_PIN, MOTOR_2_ENCODER_B_PIN);
    encoder[1] = &encoder2;
#endif

#if MOTOR_COUNT>2
    static EncoderImp encoder3(MOTOR_3_ENCODER_A_PIN, MOTOR_3_ENCODER_B_PIN);
    encoder[2] = &encoder3;
#endif

ROS机器人底盘(5)-编码器基础