树莓派小车——舵机

什么是舵机

舵机是伺服电机下的一个小类，伺服电机常用于需要高精度定位的领域，比如机床、工业机械臂、机器人等。
而舵机则是国人起的俗称，因为航模爱好者们最初用它控制船舵、飞机舵面而得名。是伺服电机的简化版，原本伺服电机的三环控制被简化成了一环，即只检测位置环。内部由直流电机，电位器，一些逻辑芯片，出轮组成，价格和品质差异大。

以上是航模中常用的9g舵机，所使用材料基本上是塑料，轻盈、便宜。但是掉齿、卡齿、烧坏

是家常便饭。（之前做航模弄坏过好多这种，需要的话买好一点的比如银燕）

我的小车上所使用这个MG996R，会比9g力量大稳定性强很多。

如何驱动舵机

舵机有引出三根线（黑白灰或者棕红橙）：

棕/黑—->GND
橙/白—->+5V
黄/灰—->PWM信号线
以上的前两根提供舵机电源，最后一根是信号线。信号线使用的是PWM来控制电机的位置。什么是PWM信号？

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）就是一种矩形波，通过高电平时间所占周期的比例也就是占空比来表示不同信号。占空比可以从0%到100%。不过舵机往往不是360°都可以旋转的，所以在控制舵机的占空比并不是从0%到100%都可以的。本文使用的舵机型号是MG996R，从数据手册上可以看到，该舵机内部的基准信号是周期为20ms，宽度为1.5ms的PWM信号，如图。

如果我们输入一个和基准信号相同的占空比的信号，电机就转到0°位置。该舵机的最小角度是-90°最大是90°,总共可用角度为180°。周期T=20ms，高电平脉冲宽度0.5ms对应角度为-90°，高电平脉冲宽度2.5ms对应的旋转角度为90°中间为线性变化。如下如所示。

Python编写舵机程序

使用python来编写程序前，先要确保树莓派的设置GPIO时ENABLE状态的，否则不能初始化GPIO。然后导入RPi.GPIO模块。以下整理了GPIO的常用的一些操作。

import RPi.GPIO as GPIO#导入GPIO模块

#GPIO操作  written by K2O
GPIO.setmode(GPIO.BCM)			#可选择GPIO编号方式BCM或者BOARD
GPIO.setup(GPIO_PIN, GPIO.OUT)		#配置GPIO为输出模式
GPIO.setup(GPIO_PIN, GPIO.IN)		#配置GPIO为输入模式
GPIO.output(GPIO_PIN,GPIO.HIGH)		#指定某一个GPIO通道输出高电平
GPIO.output(GPIO_PIN,GPIO.LOW)			#指定某一个GPIO通道输出低电平
GPIO.wait_for_edge(GPIO_PIN, GPIO.RISING)	#输入模式检测上升沿

#有关PWM  written by K2O
p = GPIO.PWM(channel,frequency)		#创建一个 PWM 实例
p.start(dc)				#启用 PWM（0.0 <= dc >= 100.0）
p.ChangeFrequency(freq)			#更改频率
p.ChangeDutyCycle(dc)			#更改占空比
p.stop()				#停止 PWM

#最后释放GPIO
GPIO.cleanup()

在第一次我使用PWM时是按照51单片机的经验直接用循环来写的，后来发现树莓派有直接控制GPIO口输出PWM信号的语句，非常的方便。树莓派的GPIO编号有两种方式，分别是BCM和BOARD，这里我使用BCM编号。当然舵机的两个电源线可以连接树莓派的5V和GND（这里要注意树莓派通常的GPIO是3.3V），只有两个引脚是5V输出，信号线是可以使用3.3V来使用。连接如下图：

如果真正做工程，电源最好不要从树莓派上取，可以统一做一块管理各个部分的电源的PCB。

在我的程序里我对舵机部分定义了一个叫做steer的类。

我的程序使用舵机的步骤

1、在使用时先实例化steer1。

2、然后使用方法steer1.start()。初始化舵机，包括了配置GPIO模式为OUT输出，设定频率为50Hz。对17引脚创建一个PWM实例，设置初始的占空比为7.5%（1.5ms高电平每周期），这时舵机回中。

def start(self):
        print("start is called")
        self.p = GPIO.PWM(self.channel, self.frequency)#创建一个 PWM 实例
        self.p.start(self.dc)#启用 PWM（0.0 <= dc >= 100.0）
        print("channel=%d, dc=%f, frequency=%d" %(self.channel,self.dc,self.frequency))

3、之后要舵机转向使用方法steer1.turn(cd)，需要参数cd，根据实际小车需求的角度，舵机的占空比范围为5%~10%，turn(cd)中参数cd定为-2.5~2.5（对应5%~10%），0为回正，-2.5最左，2.5最右。实际可转角度大约90°。

def turn(self, deg):
        if -2.5<=deg<=2.5:
            dc = deg +7.5
            steer.duty(self, dc)
        else:
            rdeg = float(input("please input the steering angle again:"))
            print(rdeg)
            steer.turn(self, rdeg)

def duty(self, dc):
        #dc = int(input("change dutycycle:"))
        if 5<=dc<=10:
            self.p.ChangeDutyCycle(dc)#更改占空比
        else:
            rdc = float(input("please input the dutycycle valve again:"))
            print(rdc)
            steer.duty(self, rdc)

4、最后结束时使用方法steer1.stop()，舵机回中，调用PWM的方法stop（）。

5、全部程序执行完后要使用GPIO.cleanup()释放GPIO，否则会占用GPIO，之后的程序再使用就会报错。

小车整体连接（暂时）

始发于知乎专栏：氧化鉀君