-基于Arduino的舵机控制系统设计

ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第15期(2012年5月)基于Arduino的舵机控制系统设计蔡睿妍（大连大学信息工程学院，辽宁大连116622）摘要：舵机是传统的角度控制驱动器，在机器人等领域得到了广泛应用。传统的舵机主要采用单片机系统驱动控制，但单片机系统对多个舵机同时进行驱动效果并不理想，因此，采用了流行的开源Arduino控制板，通过输出不同脉宽的信号进行舵机转动角度控制，实验证明，该系统实现了舵机角度控制，满足舵机角度控制精度要求，为舵机的驱动提供了新方式。关键词：Arduino；舵机；脉宽信号；角度控制中图分类号：TM383.4文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)15-3719-03DesignofServoControlSystemBasedonArduinoCAIRui-yan(InformationandEngineeringCollegeofDalianUniversity,Dalian116622,China)Abstract:Theservoisthetraditionalanglecontroldriverandhasbeenwidelyusedinrobotandotherfields.Ingeneral,servoisdrivenbymicrocontrollersystem,butthedrivingeffectofmicrocontrollersystemisnotsatisfactoryformultipleservos.So,theArduino,anopensourcecontrolboard,isusedtooutputdifferentpulsewidthsignaltocontroltheservorotationangle,experimentshowedthat,thissystemrealizestheanglecontrolofservo,meetstherequirementofanglecontrolprecisionandprovidesanewwaytodriveservo.Keywords:Arduino;servo;pulsewidthsignal;anglecontrol舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。传统对舵机的控制主要采用单片机，利用定时器和中断的方式来完成控制，这样的方式控制一个舵机还是相当有效的，但是随着舵机数量的增加，控制起来就没有那么方便了，尤其对机器人等需要多个舵机同时工作的系统中，单片机驱动复杂且精度难以保证。因此，本文采用目前较为流行的开源Arduino来实现舵机的精确控制。1Arduino简介Arduino是源自意大利的一个教学用开源硬件项目，主要是为希望尝试创建交互式物理对象的实践者、喜欢创造发明的人及艺术家所构建的，它秉承开源硬件思想，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。Arduino引脚如图1所示：图1Arduino控制板其硬件系统是高度模块化的，通过USB接口与计算机连接，包括14通道数字输入/输出，其中包括6通道PWM输出、6通道10位ADC模拟输入/输出通道，电源电压主要有5V和3.3V[1]。在核心控制板的外围，有开关量输入输出模块、各种模拟量传感器输入模块、总线类传感器的输入模块，还有网络通信模块，只要在核心控制板上增加网络控制模块，就可以容易地与互联网连接。Arduino还提供了自己的开发语言[2,3]，支持Windows、Linux、MacOS等主流的操作系统。Arduino系统是基于单片机开发的，并且大量应用通用和标准的电子元器件，包括硬件和软件在内的整个设计，代码均采用开源方式发布，因此采购的成本较低，在各种电子制作竞赛、收稿日期：2012-04-23作者简介：蔡睿妍（1979-），黑龙江林甸县人，讲师，硕士，主要从事电子技术、通信与网络方向的研究。E-mail:[e-mail]电脑知识与技术Vol.8,No.15,May2012.3719ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第15期(2012年5月)电子艺术品创意设计等越来越多地使用Arduino作为开发平台。甚至可以接受MacromediaFlash软件制作的动画发送的信号,并由此来控制一些动作器件(如舵机等)。2舵机的工作原理舵机是一种位置伺服的驱动器，具有闭环控制系统的机电结构，由小型直流电机、变速齿轮组、可调电位器、控制板等部件组成[4]，如图2所示。由于可以方便地控制舵机旋转的角度（舵角，但是舵角一般不超过180°），因此，舵机在要求角度不断变化的控制系统中得到了广泛应用。图2舵机组成结构舵机在工作中，控制器发出脉冲宽度调制（PWM）信号给舵机，获得直流偏置电压。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出到电机驱动芯片，驱动芯片根据电压差的正负控制电机的正反转。舵机转动的角度是通过调节PWM信号的占空比来实现的，标准PWM信号的周期固定为20ms，理论上脉宽（脉冲的高电平部分）范围在1ms~2ms之间，但实际上脉宽可以在0.5ms~2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°~180°相对应。如以脉宽为0.5ms~2.5ms范围控制舵机的角度转动，转动范围为0°~180°，对应的控制关系如图3所示。0°90°180°脉宽0.5ms脉宽1.5ms脉宽2.5ms图3脉宽与舵角关系图3给出了转动角度为0°、90°和180°时对应的脉宽，当转动角度处于0°~180°之间的其它角度时，脉宽在0.5ms~2.5ms之间线性变化。舵机收到控制信号后，首先判断转动方向，然后计算转动角度，接着驱动无核心马达开始转动，并通过减速齿轮将动力传输至摆臂，最后由位置检测器返回转动后的位置信号，以此判断舵机是否已经到达设定的位置。小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，所以假如更改角度控制脉宽太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180°的话，其控制的角度精度是可以达到180°1024≈0.18°，如果假定脉宽为0.5ms~2.5ms范围，则要求的脉宽控制精度为(2.5-0.5)ms1024≈2μs。3Arduino控制舵机转角实验舵机转动时电流较大，Arduino上的芯片可能会因为过流保护发热而损坏，因此不能采用Arduino板上的电源给舵机供电，需要采用外部电源。舵机有三根引线，棕色（或黑色）为地线，红色线为电源线（4.8-6V），黄色是数据线。选择Arduino的9号数字口作为舵机的脉冲控制信号输出接口。采用Arduino控制舵机角度转动的实验中，通过计算机的USB口输出电压为Arduino控制板供电，然后外接电源插到舵机的电源引脚，舵机的地线与Arduino控制板GND接口相连，信号口接数字9号口。连接原理图如图4所示。具体的线路连接如图5所示。连接好舵机和Arduino主控板之后，开始编写控制程序。首先，需要将Arduino的9号数字口定义为输出接口，代码如下：pinMode(9,OUTPUT)前文所述，舵机分别用0.5ms~2.5ms之间的脉宽来对应0到180°左右的角度，且转动的角度与脉宽呈线性关系，按照图3的对应关系，则舵机每转动1°，对应的脉宽为（2.5-0.2）ms180°，该值除不尽，因此，用一个除不尽的脉冲宽度控制舵机转动，显然转动角度的精度很难控制，为此，实验中以接近2.5ms且能够整除180的值最为脉宽的变化范围，则取脉宽的范围为0.5ms~2.48ms，此时，舵机每3720ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第8卷第15期(2012年5月)转动1°，则脉宽变化（2.48-0.5）ms180=11μs。因此，定义脉宽与转动角度之间的关系为：pulsewidth=(angle*11)+500（1）其中，pulsewidth为输出脉冲的宽度，单位为μs，angle为控制舵机转动的角度。用公式（1）把0°到180°的转角映射到500μs到2480μs的脉冲时间，控制舵机转动的函数如下所示：voidpulse(intangle){intpulsewidth=(angle*11)+500;digitalWrite(9,HIGH);delayMicroseconds(pulsewidth);digitalWrite(9,LOW);}将编写好的控制代码通过Arduino的IDE烧录到控制板之后，输入不同的角度值，便会看到舵机执行不同角度的转动信号了。4结束语本文采用现今较为流行的Arduino控制板进行了舵机的角度控制，实验验证结果表明，Arduino控制板具有较高的控制精度，完全满足舵机角度的精度控制。当有多个舵机同时需要驱动时，Arduino控制板驱动也会达到很高的精度要求。参考文献：[1]JonathanOxer,HughBlemings.PracticalArduino:CoolProjectsforOpenSourceHardware[M].NewYork:Springer-Verlag,2009:1-10.[2]杨继志，杨宇环.基于Arduino的网络互动产品创新设计[J].机电产品开发与创新,2012,25(1):99-100.[3]翁浩峰.利用Arduino和Flash开发DISLab[J].物理教师,2010,31(3):45-47.[4]胡小江,董飞垚,雷虎民,等.基于虚拟仪器的舵机半实物仿真系统研究[J].测控技术，2011,30(1):75-78.3V35VVinD13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0A0A1A2A3A4A5RSTAREFArduino+_123GNDPowerServo5V图4Arduino控制板驱动舵机原理图图5实验电路图3721