实例4：树莓派GPIO控制舵机转动

实验目的

通过背景知识学习，了解舵机的外观及基本运动方式。
了解四足机器人mini pupper腿部单个舵机的组成结构。
通过GPIO对舵机进行转动控制，熟悉PWM。
了解mini pupper舵机组的整体调零。

实验要求

使用Python语言编程，在编程中使用PWM方法，通过树莓派GPIO控制外部舵机来回摆动，角度范围为0°~180°，周期为四秒。

实验知识

1. 什么是舵机？

舵机（servomotor）是一种简化版本的伺服电机，是位置伺服的驱动器，能够通过输入PWM信号控制旋转角度，具备轻量、小型、简化和性价比高的特点。
舵机适用于那些需要角度不断变化并可以保持的简单控制系统，它能实现较为精确的电机控制，在航模、遥控玩具、机器狗等品类上运用良好。
在这里插入图片描述

图片1：一般舵机的外观

2. 舵机的运动方式

舵机的运动方式是绕轴摆动，“舵机”一词也和它的运动方式有关，舵机常用来摆动调整方向，就像海洋上的水手的舵一样，航模和船模常常用舵机的摆动来调整一些零部件的角度。

图片2：舵机的运动动图

3. 舵机的组成结构

舵机一般是由保护外壳、内部集成控制芯片、小型直流电机、减速器齿轮组、位置检测单元构成的。

当主控给舵机发出转动信号时，控制芯片驱动电机开始转动，通过减速器将动力传达到输出轴上的摆臂，由位置检测单元反馈转动结果信号给主控进行反馈调节。
一般来说，位置检测单元可以是可变电阻，当舵机转动时，可变电阻随之改变，由此可得转动的角度信息。舵机包含了电机、传感器和控制器，是一个集成度高的、完整的伺服电机系统。
在这里插入图片描述

图片3：舵机的内部结构拍摄

4. mini pupper定制舵机的部分硬件参数

芒砀科技MANGDANG针对mini pupper的运动需求，在原型舵机的基础上优化改进了机械结构，定制了mini pupper专用舵机，这使得mini pupper的控制更加精确、动力更加澎湃。
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图片3：定制舵机的外观

参考链接：mini pupper定制电机规格书课程附件 MiniPupper-Servo-Spec.pdf

5.mini pupper舵机的控制方法

对于舵机的控制，首先要了解其基本硬件参数以及舵机对信号通讯的要求。
如图所示，mini pupper一代舵机允许PWM的直接使用，也就是说，舵机可以直接连接到树莓派上的GPIO_PWM端口使用而不需要考虑通讯协议，这对机器人入门开发者来说较为友好。
在这里插入图片描述
图片4：舵机端口的连线

mini pupper一代舵机部分参数表

name	value
端口1(黄)	PWM Signal
端口2(红)	Vcc 4.8v~6v
端口3 (棕)	GND
信号周期	20ms
信号频率	50HZ
脉冲长度范围	500us-2500us to 0°~180°
脉冲长度对应占空比	2.5% - 12.5%
信号高电平范围	2V-5V
信号低电平范围	0.0V-0.45V
中间位对应脉冲	1500 μsec

需要注意的是：
占空比=脉宽/周期
脉宽500us-2500us对应的占空比为2.5% - 12.5%

6. RPi的GPIO库中PWM的用法

import RPi.GPIO as GPIO	#	引入GPIO库

GPIO.setmode(GPIO.BOARD) #初始化GPIO引脚编码方式，需放在代码正式开始处
GPIO.setup(12, GPIO.OUT) #初始化GPIO引脚设置，需放在代码正式开始处

p = GPIO.PWM(channel, frequency)	#	创建pwm实例 channel为引脚号 frequency为频率

p.start(dc)	#	开始pwm	dc为初始占空比(0.0 <= dc <= 100.0)

p.stop() # 停止pwm

p.ChangeFrequency(freq)   # 改变频率（Hz）freq

p.ChangeDutyCycle(dc)  # 改变占空比(0.0 <= dc <= 100.0)

GPIO.cleanup() # 清理GPIO引脚

参考链接：RPi GPIO库中PWM()函数的详细资料

实验步骤

1. 编写Python程序 servo_PWM_GPIO.py

#!/usr/bin/python
# coding:utf-8
# servo_PWM_GPIO.py
# 树莓派GPIO控制外部舵机来回摆动，角度范围为0~180°，周期为4秒。
try:
    import RPi.GPIO as GPIO
except RuntimeError:
    print("Error importing RPi.GPIO!  This is probably because you need superuser privileges. "
          " You can achieve this by using 'sudo' to run your script")
import time


def servo_map(before_value, before_range_min, before_range_max, after_range_min, after_range_max):
    """
    功能:将某个范围的值映射为另一个范围的值
    参数：原范围某值，原范围最小值，原范围最大值，变换后范围最小值，变换后范围最大值
    返回：变换后范围对应某值
    """
    percent = (before_value - before_range_min) / (before_range_max - before_range_min)
    after_value = after_range_min + percent * (after_range_max - after_range_min)
    return after_value


GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  # 初始化GPIO引脚编码方式
servo_SIG = 32
servo_VCC = 4
servo_GND = 6
servo_freq = 50
servo_time = 0.01
servo_width_min = 2.5
servo_width_max = 12.5
# servo_degree_div =servo_width_max - servo_width_min)/180
GPIO.setup(servo_SIG, GPIO.OUT)
# 如果你需要忽视引脚复用警告，请调用GPIO.setwarnings(False)
# GPIO.setwarnings(False)
servo = GPIO.PWM(servo_SIG, servo_freq)  # 信号引脚=servo_SIG 频率=servo_freq in HZ
servo.start(0)
servo.ChangeDutyCycle((servo_width_min+servo_width_max)/2)  # 回归舵机中位
print('预设置完成，两秒后开始摆动')
time.sleep(2)
try:  # try和except为固定搭配，用于捕捉执行过程中，用户是否按下ctrl+C终止程序
    while 1:
        for dc in range(1, 181, 1):
            dc_trans = servo_map(dc, 0, 180, servo_width_min, servo_width_max)
            servo.ChangeDutyCycle(dc_trans)
            # print(dc_trans)
            time.sleep(servo_time)
        time.sleep(0.2)
        for dc in range(180, -1, -1):
            dc_trans = servo_map(dc, 0, 180, servo_width_min, servo_width_max)
            servo.ChangeDutyCycle(dc_trans)
            # print(dc_trans)
            time.sleep(servo_time)
        time.sleep(0.2)
except KeyboardInterrupt:
    pass
servo.stop()  # 停止pwm
GPIO.cleanup()  # 清理GPIO引脚

2. 运行程序servo_PWM_GPIO.py并观察效果

在servo_PWM_GPIO.py的目录下执行以下命令：

sudo python servo_PWM_GPIO.py

此时应观察到舵机在树莓派的控制下来回摆动，角度范围为0°~180°，周期为四秒。

3. 尝试运行Python程序 servo_PWM_GPIO_2.py[可选]

如果你希望尝试手动输入一个角度值来转动舵机，你可以试试servo_PWM_GPIO_2.py

#!/usr/bin/python
# coding:utf-8
# servo_PWM_GPIO_2.py
# 输入一个角度值，舵机将转动到对应的角度
try:
    import RPi.GPIO as GPIO
except RuntimeError:
    print("Error importing RPi.GPIO!  This is probably because you need superuser privileges. "
          " You can achieve this by using 'sudo' to run your script")
import time


def servo_map(before_value, before_range_min, before_range_max, after_range_min, after_range_max):
    """
    功能:将某个范围的值映射为另一个范围的值
    参数：原范围某值，原范围最小值，原范围最大值，变换后范围最小值，变换后范围最大值
    返回：变换后范围对应某值
    """
    percent = (before_value - before_range_min) / (before_range_max - before_range_min)
    after_value = after_range_min + percent * (after_range_max - after_range_min)
    return after_value


GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  # 初始化GPIO引脚编码方式
servo_SIG = 32
servo_VCC = 4
servo_GND = 6
servo_freq = 50
servo_time = 0.01
servo_width_min = 2.5
servo_width_max = 12.5
# servo_degree_div =servo_width_max - servo_width_min)/180
GPIO.setup(servo_SIG, GPIO.OUT)
# 如果你需要忽视引脚复用警告，请调用GPIO.setwarnings(False)
# GPIO.setwarnings(False)
servo = GPIO.PWM(servo_SIG, servo_freq)  # 信号引脚=servo_SIG 频率=servo_freq in HZ
servo.start(0)
servo.ChangeDutyCycle((servo_width_min+servo_width_max)/2)  # 回归舵机中位
print('预设置完成，两秒后开始等待输入')
time.sleep(2)
# 为舵机指定位置
try:    # try和except为固定搭配，用于捕捉执行过程中，用户是否按下ctrl+C终止程序
    while 1:
        position = input("请输入0°-180°的角度值：\n")
        if position.isdigit()==1:
            dc = int(position)
            if (dc>=0) and (dc<=180):
                dc_trans=servo_map(dc, 0, 180,servo_width_min,servo_width_max)
                servo.ChangeDutyCycle(dc_trans)
                print("已转动到%d°处"%dc)
            else:
                print("Error Input:Exceed Range")
        else:
            print("Error Input:Not Int Input")
except KeyboardInterrupt:
    pass

servo.stop()  # 停止pwm
GPIO.cleanup()  # 清理GPIO引脚

4.尝试整机调零[可选]

为了确保控制精度，mini pupper上的舵机组通常在使用前先进行一次调零。
试试在命令行中运行舵机调零脚本 run_set_neatral.sh

sudo ./run_set_neatral.sh

#!/usr/bin/env sh

# step 1 stop robot service
systemctl stop robot

# step 2 set neatral position

echo 1500000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle
echo "pwm 0 setting pwm off parameter --> 90 degree "

echo 1500000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm1/duty_cycle
echo "pwm 1 setting pwm off parameter --> 90 degree"

echo 500000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm2/duty_cycle
echo "pwm 2 setting pwm off parameter --> 0 degree"

echo 2500000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm3/duty_cycle
echo "pwm 3 setting pwm off parameter --> 180 degree"

sleep 1

echo "Done ! "

如果希望了解校准的详细信息，你可以查看mini pupper的官方文档：校准

确保 Mini Pupper 已预先组装好，使用GUI校准工具来优化腿部的位置。
对于每条腿，移动杆，使所有腿都成 45 度角。腿的角度会随着滑动条在屏幕上的位置而变化。
如果它不动，则说明您执行的步骤不正确。
您可以使用 iPhone 的倾斜传感器app、尺子或量角器来测量角度。

实验总结

经过本知识点的学习和实验操作，你应该能达到以下水平：

知识点	内容	了解	熟悉
舵机	舵机的外观及基本运动方式	✔
舵机	单个舵机的组成结构	✔
PWM	PWM方法对舵机进行转动控制		✔
调零与校准	mini pupper舵机组的调零与校准	✔

版权信息：教材尚未完善，此处预留版权信息处理方式
mini pupper相关内容可访问：https://github.com/mangdangroboticsclub