【分享帖】舵机在机器人技术中的应用及编程方法
Jellyfish
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2016-02-17
舵机结构及工作原理
舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位器、直流电机、控制电路板组成，其工作原理（图1 所示）：控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
舵机的控制方法
舵机的控制信号为周期为20ms 的脉宽调制信号，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms，对应的舵机转动角度为0~180°，理想情况下脉冲高电平宽度与舵机转动角度成正比。即舵机转动角度=180°×（脉冲高电平宽度-0.5）/2。可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM 信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，整个系统工作可靠。单片机控制系统对舵机输出转角的控制，分为两个步骤。第一步是产生基本的周期为20ms 的PWM信号，第二步是PWM 信号脉宽的确定，调整占空比。控制系统中实现一个舵机的控制，通常采用使用单片机的一个定时器来实现。根据PWM 信号占空比，分别设定定时器中断的初值，将20ms 分为两次中断执行，一次短时间中断和一次较长时间中断，控制输出信号的电平变换，产生要求的PWM 信号。
3 应用举例及编程方法
我们采用宏晶STC12C5A60S2 单片机，它是宏晶科技生产的高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快近十倍。制作的自动投球机器人，机器人每次携带6 个小球，通过单片机控制两个舵机制作两个挡板，挡板配合动作，将小球投到指定位置。两个挡板初始位置为：下面的挡板1 在“挡”位置、上面的挡板2 在“缩”位置，开始向投球机器人装入小球。启动投球机器人后，挡板2 运动到“挡”位置，按照规定的路线循迹运动，运动到指定位置后，投球机器人开始投球。具体动作为：挡板1“缩”，投下一个小球，然后挡板1“挡”，挡板2“缩”，第二个小球落到最下面的位置，然后挡板2“挡”，等待投球；依次类推，投入六个小球后，工作结束。
单片机晶振频率为12MHz，P36 输出舵机1 的PWM控制信号，P37 作为输出舵机2 的PWM 控制信号，分别采用16 位定时器T0、T1 产生两路PWM 信号P36、P37。以舵机1 控制为例，通过设定定时器T0 工作在定时模式，定时时间到产生中断来产生PWM 信号。特殊功能寄存器AUXR 中的T0x12、T1x12 位分别设定T0、T1 对系统时钟进行12 分频还是不分频计数定时，我们设定T0x12、T1x12 为“0”，选择对系统时钟12 分频计数定时，则定时器计一个数时间为1us,产生2ms 时间需计数2000个。初始时舵机1 带动挡板1 运动到“挡”位置，根据挡板运动位置（舵机转动角度） 确定脉宽的初始值a，即a=(2000/180)* 舵机转动角度+500。然后设定定时器T0 的初值TH0=-(65536-a)/256、TL0=-(65536-a)%256；并置输出P36 为高电平，启动定时器T0，T0 开始定时。当定时器计数溢出时，触发计数器溢出中断函数void timer0() interrupt1 using 1，在子函数中，改变输出P36 为反相（此时变为低电平），计算ci =20000-a，并重新设定定时器T0 的初值，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。
舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位器、直流电机、控制电路板组成，其工作原理（图1 所示）：控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
舵机的控制方法
舵机的控制信号为周期为20ms 的脉宽调制信号，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms，对应的舵机转动角度为0~180°，理想情况下脉冲高电平宽度与舵机转动角度成正比。即舵机转动角度=180°×（脉冲高电平宽度-0.5）/2。可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM 信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，整个系统工作可靠。单片机控制系统对舵机输出转角的控制，分为两个步骤。第一步是产生基本的周期为20ms 的PWM信号，第二步是PWM 信号脉宽的确定，调整占空比。控制系统中实现一个舵机的控制，通常采用使用单片机的一个定时器来实现。根据PWM 信号占空比，分别设定定时器中断的初值，将20ms 分为两次中断执行，一次短时间中断和一次较长时间中断，控制输出信号的电平变换，产生要求的PWM 信号。
3 应用举例及编程方法
我们采用宏晶STC12C5A60S2 单片机，它是宏晶科技生产的高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快近十倍。制作的自动投球机器人，机器人每次携带6 个小球，通过单片机控制两个舵机制作两个挡板，挡板配合动作，将小球投到指定位置。两个挡板初始位置为：下面的挡板1 在“挡”位置、上面的挡板2 在“缩”位置，开始向投球机器人装入小球。启动投球机器人后，挡板2 运动到“挡”位置，按照规定的路线循迹运动，运动到指定位置后，投球机器人开始投球。具体动作为：挡板1“缩”，投下一个小球，然后挡板1“挡”，挡板2“缩”，第二个小球落到最下面的位置，然后挡板2“挡”，等待投球；依次类推，投入六个小球后，工作结束。
单片机晶振频率为12MHz，P36 输出舵机1 的PWM控制信号，P37 作为输出舵机2 的PWM 控制信号，分别采用16 位定时器T0、T1 产生两路PWM 信号P36、P37。以舵机1 控制为例，通过设定定时器T0 工作在定时模式，定时时间到产生中断来产生PWM 信号。特殊功能寄存器AUXR 中的T0x12、T1x12 位分别设定T0、T1 对系统时钟进行12 分频还是不分频计数定时，我们设定T0x12、T1x12 为“0”，选择对系统时钟12 分频计数定时，则定时器计一个数时间为1us,产生2ms 时间需计数2000个。初始时舵机1 带动挡板1 运动到“挡”位置，根据挡板运动位置（舵机转动角度） 确定脉宽的初始值a，即a=(2000/180)* 舵机转动角度+500。然后设定定时器T0 的初值TH0=-(65536-a)/256、TL0=-(65536-a)%256；并置输出P36 为高电平，启动定时器T0，T0 开始定时。当定时器计数溢出时，触发计数器溢出中断函数void timer0() interrupt1 using 1，在子函数中，改变输出P36 为反相（此时变为低电平），计算ci =20000-a，并重新设定定时器T0 的初值，直到定时器再次产生溢出中断，重复上一过程。
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