樹莓派小車——舵機

什麼是舵機

舵機是伺服電機下的一個小類，伺服電機常用於需要高精度定位的領域，比如機床、工業機械臂、機器人等。

而舵機則是國人起的俗稱，因為航模愛好者們最初用它控制船舵、飛機舵面而得名。是伺服電機的簡化版，原本伺服電機的三環控制被簡化成了一環，即只檢測位置環。內部由直流電機，電位器，一些邏輯晶元，出輪組成，價格和品質差異大。

以上是航模中常用的9g舵機，所使用材料基本上是塑料，輕盈、便宜。但是掉齒、卡齒、燒壞

是家常便飯。（之前做航模弄壞過好多這種，需要的話買好一點的比如銀燕）

我的小車上所使用這個MG996R，會比9g力量大穩定性強很多。

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如何驅動舵機

舵機有引出三根線（黑白灰或者棕紅橙）：

棕/黑---->GND

橙/白---->+5V

黃/灰---->PWM信號線

以上的前兩根提供舵機電源，最後一根是信號線。信號線使用的是PWM來控制電機的位置。什麼是PWM信號？

脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation）就是一種矩形波，通過高電平時間所佔周期的比例也就是占空比來表示不同信號。占空比可以從0%到100%。不過舵機往往不是360°都可以旋轉的，所以在控制舵機的占空比並不是從0%到100%都可以的。本文使用的舵機型號是MG996R，從數據手冊上可以看到，該舵機內部的基準信號是周期為20ms，寬度為1.5ms的PWM信號，如圖。

如果我們輸入一個和基準信號相同的占空比的信號，電機就轉到0°位置。該舵機的最小角度是-90°最大是90°,總共可用角度為180°。周期T=20ms，高電平脈衝寬度0.5ms對應角度為-90°，高電平脈衝寬度2.5ms對應的旋轉角度為90°中間為線性變化。如下如所示。

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Python編寫舵機程序

使用python來編寫程序前，先要確保樹莓派的設置GPIO時ENABLE狀態的，否則不能初始化GPIO。然後導入RPi.GPIO模塊。以下整理了GPIO的常用的一些操作。

import RPi.GPIO as GPIO#導入GPIO模塊#GPIO操作 written by K2OGPIO.setmode(GPIO.BCM) #可選擇GPIO編號方式BCM或者BOARDGPIO.setup(GPIO_PIN, GPIO.OUT) #配置GPIO為輸出模式GPIO.setup(GPIO_PIN, GPIO.IN) #配置GPIO為輸入模式GPIO.output(GPIO_PIN,GPIO.HIGH) #指定某一個GPIO通道輸出高電平GPIO.output(GPIO_PIN,GPIO.LOW) #指定某一個GPIO通道輸出低電平GPIO.wait_for_edge(GPIO_PIN, GPIO.RISING) #輸入模式檢測上升沿#有關PWM written by K2Op = GPIO.PWM(channel,frequency) #創建一個 PWM 實例p.start(dc) #啟用 PWM（0.0 <= dc >= 100.0）p.ChangeFrequency(freq) #更改頻率p.ChangeDutyCycle(dc) #更改占空比p.stop() #停止 PWM#最後釋放GPIOGPIO.cleanup()

在第一次我使用PWM時是按照51單片機的經驗直接用循環來寫的，後來發現樹莓派有直接控制GPIO口輸出PWM信號的語句，非常的方便。樹莓派的GPIO編號有兩種方式，分別是BCM和BOARD，這裡我使用BCM編號。當然舵機的兩個電源線可以連接樹莓派的5V和GND（這裡要注意樹莓派通常的GPIO是3.3V），只有兩個引腳是5V輸出，信號線是可以使用3.3V來使用。連接如下圖：

如果真正做工程，電源最好不要從樹莓派上取，可以統一做一塊管理各個部分的電源的PCB。

在我的程序里我對舵機部分定義了一個叫做steer的類。

我的程序使用舵機的步驟

1、在使用時先實例化steer1。

2、然後使用方法steer1.start()。初始化舵機，包括了配置GPIO模式為OUT輸出，設定頻率為50Hz。對17引腳創建一個PWM實例，設置初始的占空比為7.5%（1.5ms高電平每周期），這時舵機回中。

def start(self): print("start is called") self.p = GPIO.PWM(self.channel, self.frequency)#創建一個 PWM 實例 self.p.start(self.dc)#啟用 PWM（0.0 <= dc >= 100.0） print("channel=%d, dc=%f, frequency=%d" %(self.channel,self.dc,self.frequency))

3、之後要舵機轉向使用方法steer1.turn(cd)，需要參數cd，根據實際小車需求的角度，舵機的占空比範圍為5%~10%，turn(cd)中參數cd定為-2.5~2.5（對應5%~10%），0為回正，-2.5最左，2.5最右。實際可轉角度大約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、最後結束時使用方法steer1.stop()，舵機回中，調用PWM的方法stop（）。

5、全部程序執行完後要使用GPIO.cleanup()釋放GPIO，否則會佔用GPIO，之後的程序再使用就會報錯。

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小車整體連接（暫時）

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