树莓派4B-Python-控制舵机

一时失言乱红尘 2022-11-29 12:20 551阅读 0赞

### 树莓派4B-Python-控制舵机 ###

*  SG90舵机
 *  参数介绍
 *  工作原理
 *  与树莓派4B连接
 *  使用gpiozero库的代码
 *  使用RPI.GPIO库的代码
 *   *  再补充一下

本文采用的是SG90型号、转动角度为90°/180°的舵机和树莓派4B4G版，主要是实现对舵机的控制、问题的解决。

# SG90舵机 #

SG90舵机，常用在小型机器人、智能小车、机械臂、固定翼等小型模型上，因为内部的齿轮多数为塑料的，承受不了太大的扭力。  
![SG90舵机][SG90]

舵机类型又分为两种，一种是模拟舵机，另一种是数字舵机，像SG90就是模拟舵机。  
[模拟舵机和数字舵机的区别][Link 1]

转动角度为360°的舵机与转动角度为90°/180°的舵机工作的方式又是不一样的，**360°的舵机相当于是无极变速的减速电机，只能控制转动的速度和转动的方向，不能控制转动到想要的角度**，但控制的方式和一般舵机的控制信号相同。

# 参数介绍 #

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>型号</th> 
   <th>SG90</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>重量</td> 
   <td>9g</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>工作扭矩</td> 
   <td>1.6kg/cm</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>反应速度</td> 
   <td>0.12-0.13s/60°</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>建议使用温度</td> 
   <td>-30° ~ +60°</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>死区设定</td> 
   <td>5us</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>转动角度</td> 
   <td>90°/180°（与程序的写法有关）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>舵机类型</td> 
   <td>模拟舵机</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>使用电压</td> 
   <td>3 ~ 7.2V（推荐用5V）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>结构材质</td> 
   <td>塑料齿</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 工作原理 #

舵机的工作原理

> 控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

舵机的控制信号

> 舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。

# 与树莓派4B连接 #

![舵机连接树莓派][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ2NDc2MTYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
红色：5V---- +  
黑色：GND---- -  
黄色：GPIO14----信号端

**另外说明一下：如果舵机不是由树莓派供电的话，需要将该电源与树莓派共地，也就是说电源的负极必须与树莓派任意一个GND连接，否则会出现舵机控制失常等现象。**

# 使用gpiozero库的代码 #

以下为使用gpiozero库写的，转动的范围为90°

from gpiozero import Servo
    from time import sleep
     
    myGPIO = 14
    myCorrection = 0
    maxPW = (2.0 + myCorrection) / 1000
    minPW = (1.0 - myCorrection) / 1000
     
    servo = Servo(myGPIO, min_pulse_width=minPW, max_pulse_width=maxPW)
     
    while True:
        print("Set value range -1.0 to +0.0")
        for value in range(0,11,1):
            value2 = (float(value) - 10) / 10
            servo.value = value2
            print(value2)
            sleep(0.1)
     
        print("Set value range +0.0 to -0.9")
        for value in range(11,20,1):
            value2 = (float(value) - 10) / 10
            servo.value = value2
            print(value2)
            sleep(0.1)

# 使用RPI.GPIO库的代码 #

以下用RPI.GPIO库写的四自由度云台控制（两个舵机），转动的范围可为180°。

**该程序全为本人参考其他程序后转变而来的，自身技术还些欠缺，所以此程序多多少少会出现一些BUG，还请各位大佬见谅，例如：  
1.不能太频繁的发送信号给舵机，因为舵机内部转动和调整都是需要时间的；  
2.有时候会像接收不到控制信号似的，发送了两三次信号才转动（有点像信号不好那样），但转动的角度应该是正确；  
3.有时候可能存在一下子的抖动**

所以呢，以下代码可以作为参考

import RPi.GPIO as GPIO
    from time import sleep
    
    def tonum(num):  # 用于处理角度转换的函数
        fm = 10.0 / 180.0
        num = num * fm + 2.5
        num = int(num * 10) / 10.0
        return num
    
    servopin1 = 15   #舵机1,方向为左右转
    servopin2 = 18   #舵机2,方向为上下转
    
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(servopin1, GPIO.OUT, initial=False)
    GPIO.setup(servopin2, GPIO.OUT, initial=False)
    p1 = GPIO.PWM(servopin1,50) #50HZ
    p2 = GPIO.PWM(servopin2,50) #50HZ
    
    p1.start(tonum(85)) #初始化角度
    p2.start(tonum(40)) #初始化角度
    sleep(0.5)
    p1.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
    p2.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
    sleep(0.1)
    
    a = 0  #云台舵机1的执行次数
    c = 9  #云台舵机1初始化角度：90度
    b = 0  #云台舵机2的执行次数
    d = 4  #云台舵机2初始化角度：40度
    
    q = [0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90,
     100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180]  #旋转角度列表
    
    def left():
        global a, c   #引入全局变量
        a += 1
        if c > 2:  #判断角度是否大于20度
            c = c-1
            g = q[c]  #调用q列表中的第c位元素
            print('当前角度为',g)
            p1.ChangeDutyCycle(tonum(g))  #执行角度变化，跳转到q列表中对应第c位元素的角度
            sleep(0.1)
            p1.ChangeDutyCycle(0)  #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
        else:
            print('\n**超出范围**\n')
            c = 9
            g = 85  #调用q列表中的第c位元素
            p1.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第c位元素的角度
            sleep(0.1)
            p1.ChangeDutyCycle(0)  #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
           
    def right():
        global a, c    #引入全局变量
        if c < 16:
            c = c+1
            g = q[c]  #调用q列表中的第c位元素
            print('当前角度为',g)
            p1.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第c位元素的角度
            sleep(0.1)
            p1.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
        else:
            print('\n****超出范围****\n')
            c = 9
            g = 85  #调用q列表中的第c位元素
            p1.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第c位元素的角度
            sleep(0.1)
            p1.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
    
    def up():
        global b, d    #引入全局变量
        b += 1
        if d > 2:
            d = d-1
            g = q[d]  #调用q列表中的第d位元素
            print('当前角度为',g)
            p2.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第d位元素的角度
            sleep(0.1)
            p2.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
        else:
            print('\n**超出范围**\n')
            d = 4
            g = q[d]  #调用q列表中的第d位元素
            p2.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第d位元素的角度
            sleep(0.1)
            p2.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
    
    def down():
        global b, d    #引入全局变量
        if d < 11:
            d = d+1
            g = q[d]  #调用q列表中的第d位元素
            print('当前角度为',g)
            p2.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第d位元素的角度
            sleep(0.1)
            p2.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
        else:
            print('\n****超出范围****\n')
            d = 4
            g = q[d]  #调用q列表中的第d位元素
            p2.ChangeDutyCycle(tonum(g)) #执行角度变化，跳转到q列表中对应第d位元素的角度
            sleep(0.1)
            p2.ChangeDutyCycle(0) #清除当前占空比，使舵机停止抖动
            sleep(0.01)
    
    if __name__ == '__main__':
    	while True:
    		a = input('输入:')
    	    if a == 'a':
    	        left()
    	    elif a == 'd':
    	        right()
    	    elif a == 'w':
    	        up()
    	    elif a == 's':
    	        down()

## 再补充一下 ##

补充一下关于舵机抖动和消抖的方法（仅是个人观点哈）：  
舵机会发生抖动是因为它自身认为自己还没有真正转到要求的角度，所以会不断的左右纠正，最终产生抖动。一般抖动是因为占空比没有清零，所以当舵机转到指定的角度后，稍微给一端很短的时间停留后，就将当前的占空比清零，如：

p2.ChangeDutyCycle(0)
    sleep(0.01)

\#\#2020.8.22  
有写得不好、写得不对的地方还请各位指出，谢谢！

[SG90]: /images/20221124/465a0d25ff824a27844f8fbff31bc835.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_42562514/article/details/89435815
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ2NDc2MTYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221124/acf89f3c9c3c4fb0b56eab708a668e81.png