舵机控制型机器人设计课案
课程设计项目说明书
舵机控制型机器人设计
学院机械工程学院
专业班级2013级机械创新班
姓名吴泽群王志波谢嘉恒袁土良指导教师王苗苗
提交日期 2016年4 月1日
华南理工大学广州学院
任务书
兹发给2013级机械创新班学生吴泽群王志波谢嘉恒袁土良
《产品设计项目》课程任务书，内容如下：
1. 题目：舵机控制型机器人设计
2.应完成的项目： 1.设计舵机机器人并实现运动
2.撰写机器人说明书
3.参考资料以及说明：
[1] 孙桓.机械原理[M].北京.第六版;高等教育出版社，2001
[2] 张铁，李琳，李杞仪.创新思维与设计[M].国防工业出版社，2005
[3] 周蔼如.林伟健.C++程序设计基础[M].电子工业出版社.北京.2012.7
[4] 唐增宏.常建娥.机械设计课程设计[M].华中科技大学出版社.武汉.2006.4
[5] 李琳.李杞仪.机械原理[M].中国轻工业出版社.北京.2009.8
[6] 何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学[M].华南理工大学.广州.2007.1
4.本任务书于2016 年2 月27 日发出，应于2016 年4月2 日前完
成，然后提交给指导教师进行评定。
指导教师（导师组）签发2016年月日
评语：
总评成绩：
指导教师签字：
年月日
目录
摘要 (1)
第一章绪论 (2)
1.1机器人的定义及应用范围 (2)
1.2舵机对机器人的驱动控制 (2)
第二章舵机模块 (3)
2.1舵机 (3)
2.2舵机组成 (3)
2.3舵机工作原理 (4)
第三章总体方案设计与分析 (6)
3.1 机器人达到的目标动作 (6)
3.2 设计原则 (6)
3.3 智能机器人的体系结构 (6)
3.4 控制系统硬件设计 (6)
3.4.1中央控制模块 (7)
3.4.2舵机驱动模块 (7)
3.5机器人腿部整体结构 (8)
第四章程序设计 (9)
4.1程序流程图 (9)
4.2主要中断程序 (9)
4.3主程序 (11)
参考文献 (13)
附录 (14)
一．程序 (14)
二．硬件图 (17)
摘要
机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，在发达国家，工业机器人已经得到广泛的应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越亲身地感受到机器人的深入生产，深入生活，深入社会的坚实步伐。
机器人技术在不断发展提高，机器人系统中的驱动装置也在不断更新，用以满足更高的控制要求。舵机就是在机器人驱动装置发展中诞生的新型驱动装置。
本次课程设计应用MG995舵机与C51单片机来对二足机器人完成一系列制定的动作，用单片机实现了对舵机的控制，概述了程序控制思路。基于舵机实现对二足机器人关节控制信号产生，关节摆动速度和角度还有同步运动的控制，使其能完成如向前行走、向后行走、蹲下、起立、检测障碍等一系列动作。次设计可用于学校机器人教学，还可以用于机器人玩具产品开发等领域。
关键词：二足机器人；MG995舵机控制；动作设计；C51单片机
第一章绪论
1.1机器人的定义及应用范围
机器人是能自动执行工作的机器装置。既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则行动。它的任务是协助或取代人类的一些工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”
机器人的产生是一个科学技术发展的综合结果，也是生产力发展的必然结果，人们总是期待有种机器能够代替我们去从事复杂和繁重的体力劳动，社会的发展总是需要进行大批量的生产制造，需要不断的提高生产效率，可以说机器人是为了满足我们的发展需要而创造出来的。而后发展的各种各样的机器人也是由于人类的需要所设计的，随着人们需求角度的增加，各种各样的机器人还会在今后问世。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等。
1.2舵机对机器人的驱动控制
机器人上身的手臂结构是由多舵机组成的。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。
舵机与外界的连接端口只有三端，其中与单片机的接口只有一端，称之为控制线，另外两端分别接电源与电源地，为电源线与地线。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
本设计的二足机器人的6个运动关节都是用舵机实现，设计机器人的动作其实就是对结构机器人关节舵机的一个控制过程。
第二章舵机模块
2.1舵机
舵机是一个闭环控制系统。其输入信号为周期为20Ms，脉宽变化范围为0.5Ms到2.5Ms 的PWM波。PWM信号经过解调后得到一个直流偏置电压，舵机中的直流电机与一个电位器相连，直流电机的转动带动电位器转动，电位器又可以输出一个电压（这是反馈信号），直流偏置电压与这个电位器得到的电压经过电压比较器后得到的电压差输入控制芯片中，来完成对对舵机的控制。所以对舵机的控制，即对PWM波形的控制。
以上说的是位置伺服舵机的原理，其实速度伺服舵机的原理是大同小异的，只不过随直流电机转动的电位器变成了事先固定好的电位器或电阻，输出一个固定的电压，这个电压对应的就是使舵机停转的PWM信号得到的直流偏置电压值，所以也可以通过调整这个电压的值，来调整舵机停转的PWM脉宽。
当PWM的脉宽为0.5Ms或2.5Ms时，舵机正转或反转的速度最快，当脉宽越接近1.5Ms 时转速越慢，当脉宽为1.5Ms时舵机停转
2.2舵机组成
图2-1舵机内部结构
舵机的输入线共有三条，如图2-1所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。本次用的舵机型号为MG995，接地线为褐色，控制线为橙色。
2.3舵机工作原理
控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。
流，才可发挥舵机应有的性能。
舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图7所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。
图2-2 舵机输出转角与输出脉冲的关系
第三章总体方案设计与分析
3.1 机器人达到的目标动作
1）外形与人手相似，包括肩、上臂、下臂、手腕及手等几部分；
2）双手可以做出各种简单的动作并实现自主行走的功能；
3.2 设计原则
本项目中的机器人，它不但具有人类的外形特征，手臂能实现各种不同的动作，要求成本低廉，功能相对来说也比较单一，因此在保证性能的情况下，我们尽量不要采用高档的材料和元器件。基于以上的考虑，我们有下面几条设计原则：
1)经济性：在满足功能的前提下尽可能采用简单的方案，使用常见的、供应丰富的材料和元器件，以降低生产成本：
2)可靠性：机器人的使用环境比较恶劣，有电机启制动火花对无线通讯及控制系统的干扰，有可能遇到的碰撞以及关节被卡住造成电机堵转等各种情况，对机器人控制系统提出了一定的要求。
3)易维护性：包括机械维护和控制系统软硬件维护。机械上尽可能采用模块化设计方法，减少零部件种类，提高通用性，便于安装拆卸，同时也可以提高可靠性和经济性。控制系统软硬件设计同样采用模块化设计，便于检测调试。
4)强壮性：机器人的手臂都是由各个关节链接起来的，对刚性的要求比较高。在机械设计上，机器人应具有较好的刚性和较小的传动间隙，不至于发生严重的机械变形，各种接插件不能松动、脱落。
3.3 智能机器人的体系结构
机器人的体系结构是定义一个智能机器人系统各部分之间相互关系和功能分配,确定一个智能机器人或多个智能机器人的信息流通关系和逻辑上的结构。本设计的控制系统是以微处理器为基础,采用二级结构,即协调级和执行级。协调级实现和外界环境的信息交换功能,包括人2机信息交换、外界环境信息的获取和处理、生成控制指令等功能;执行级实现对各个关节进行伺服控制,将接受的控制指令,分解成各关节的坐标,并对执行器进行伺服控制。
3.4 控制系统硬件设计
按照机器人控制系统结构,设计控制系统硬件结构由中央控制模块、舵机驱动模块组
成。
3.4.1中央控制模块
该模块是整个控制系统的核心,采用微处理器AT89S52为核心构成,负责输入数据处理、舵机协调动作处理和显示数据处理等功能。
机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机器人控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构和生产目的而开发，它采用了专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器的封闭式体系结构。这种结构的控制器存在制造和使用成本高，开发周期长，升级换代困难，无法添加系统的新功能等一系列缺点。该系统基于TRIO运动控制卡的开放式结构机器人控制系统，采用IPC+DSP的结构来实现机器人的控制。这种机器人控制系统采用开放式硬件、软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具有良好的开放性和扩展性，能适应于不同类型机器人或机器人自动生产线。通过运动控制卡在工业机器人控制系统中的应用，根据运动控制的相关理论和直流伺服电机的具有不易受干扰、易于用微机实现数字控制、无积累误差等特性以及其动作迅速、反映快、维护简单、可实现过载自动保护等特点作为相关背景的基础之上提出了基于TRIO运动控制卡的自动化程度和定位精度均较高的工业机器人控制系统。这种机器人控制系统的重要特点在于它采用通用个人计算机加DSP—多控制回路的开放式体系结构以及它的网络控制特性。
图3-1 51单片机最小系统
3.4.2舵机驱动模块
舵机是一种位置伺服的驱动器。控制电路板接受来自信号线的控制信号,控制电机转动机带动一系列齿轮组,减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的舵
盘转动的同时,带动位置反馈电位计,电位计将输出一个电压信号到控制电路板,进行反馈。然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。才可发挥舵机应有的性能。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。它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
驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理,知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样,知道可以拿它来做开关管或放大管就行了,至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。
（1）电机参数：空心杯电机；金属齿轮结构；双滚珠轴承；连接线长度30厘米；
（2）技术参数: 尺寸：40mmX20mmX36.5mm 重量：62g 技术参数：无负载速度0.17秒/60度(4.8V) 0.13秒/60度(6.0V) 扭矩：13KG 使用温度:-30~~+60摄氏度死区设定:4微秒工作电压:3.0V-7.2V；
3.5机器人腿部整体结构
图3-2
机器人下半部分共有4个舵机，其中脚部两个，主要实现抬腿功能；腿部两个，主要实现向前前进功能。
第四章程序设计4.1程序流程图
图4-1
4.2主要中断程序
void tt1() interrupt 1
{
//右脚迈出
if (k { a1=1; a2=1; } else { a1=0; a2=0; } //左脚抬起 if(k //右脚抬起 if (k //手部动作 if(k { a5=1; a6=1; } else { a5=0; a6=0; } if (c==10000) { k=0; x4=16; } if(c==15000) { k=0; x3=10; x5=13; } //2秒后左脚迈出 if (c==20000) { k=0; x1=12; } if(c==25000) { x3=8; } //3秒循环一次 if(c==30000) { k=0; c=0; x1=22; x4=13; x5=22; } k++; c++; } 本次设计机器人行走的思路主要是模仿人走路。中断函数设定为0.1毫秒执行一次。因此，给K一定的值便可以实现舵机转一定的角度，K的变化范围为5 4.3主程序 void main() { TMOD=0x02; TH0=156; TL0=156;//定时0.1毫秒 EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1); } 函数采用定时器2计时方式，定时0.1毫秒，计算方式为256-100=156，高四位和低四位都为156。 参考文献 [1] 孙桓.机械原理[M].北京.第六版;高等教育出版社，2001 [2] 张铁，李琳，李杞仪.创新思维与设计[M].国防工业出版社，2005 [3] 周蔼如.林伟健.C++程序设计基础[M].电子工业出版社.北京.2012.7 [4] 唐增宏.常建娥.机械设计课程设计[M].华中科技大学出版社.武汉.2006.4 [5] 李琳.李杞仪.机械原理[M].中国轻工业出版社.北京.2009.8 [6] 何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学[M].华南理工大学.广州.2007.1 附录一．程序 # include # define uint unsigned int # define uchar unsigned char uint c=0; uchar x1=22,k=0,x3=8,x4=13,x5=22; sbit a1=P1^1;//右腿 sbit a2=P1^2;//左腿 sbit a3=P1^3;//左脚 sbit a4=P1^4;//右脚 sbit a5=P1^5;//左手 sbit a6=P1^6;//右手 void main() //主函数 { TMOD=0x02; TH0=156; TL0=156;//定时0.1毫秒 EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1); } void tt1() interrupt 1 //中断函数 { //右脚迈出 if (k { a1=1; a2=1; } else { a1=0; a2=0; } //左脚抬起 if(k //右脚抬起 if (k //手部动作 if(k { a5=1; a6=1; } else { a5=0; a6=0; } if (c==10000) { k=0; x4=16; } if(c==15000) { k=0; x3=10; x5=13; } //2秒后左脚迈出 if (c==20000) { k=0; x1=12; } if(c==25000) { x3=8; } //3秒循环一次 if(c==30000) { k=0; c=0; x1=22; x4=13; x5=22; } k++; c++; } 1076 计算机测量与控制.2010.18(5) Computer Measurement &Control 控制技术 收稿日期:2009-09-27; 修回日期:2009-11-09。 作者简介:杨百平(1982-),男,陕西人,在读研究生,主要从事电路系统与自动控制方向的研究。 杨金孝(1964-),男,陕西人,副教授,主要从事电子电路的研究与设计、控制理论与控制工程方向的研究。 文章编号:1671-4598(2010)05-1076-03 中图分类号:T P274 5 文献标识码:A 无人机舵机控制系统的硬件设计与实现 杨百平,杨金孝,赵 强 (西北工业大学电子信息学院,陕西西安 710129) 摘要:给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人机全数字舵机控制系统硬件实现方案,该方案以STM 32F103VB 作为主控芯片,无刷直流电机作为该系统的伺服电机,采用三闭环的控制策略,实现了脉宽调制(PWM )控制信号的采样和输出,通过采样PW M 信号实现舵机的控制,针对无人机对数据传输实时性的要求,利用CAN 总线与上位机通讯,很好地满足了要求;该系统具有成本低廉、安全可靠且实现容易的特点,实现了舵机控制系统的数字化与小型化;经多次试验,证明是安全实用的。 关键词:S TM 32F103VB 微控制器;无人机;伺服;电动舵机 Hardware Design and Implementation for a S ervo System of UAV Rudder Yang Baiping ,Yang Jinxiao,Zhao Qiang (Colleg e of Electr onics and Infor mat ion,No rthw ester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710129,China) Abstract:A set of fu lly-digital-signal ser vo system bas ed on S TM 32F103VB for UAV electrom echanical rudder is in tr odu ced in th is paper.It takes S TM 32F103VB as the master control unit and bru shless DC m otor as its drive.T his project uses the digital th ree clos ed-loop control strategy,sampled and gen erated puls e width modulation w ave,through sampling one of th e PW M w aves to realize control tran sfer,in view of U AV to data transmis sion tim elin es s r equest,com municated w ith upper sys tem by CAN bu s.It featu red low cos t,s afe,easy to realize,made it smaller and digital,and w as testified that the sy stem is ap plicable and safety. Key words :S TM 32F103VB M CU;UAV;servo;electr om ech anical rudder 0 引言 舵机控制系统是飞行控制计算机和舵机之间的接口,它采集接收机多路PW M 信号,与上位机进行通讯,产生控制舵机的PW M 信号,是舵机系统的核心部分。现有的舵机伺服控制线路大部分还都是模拟的,因其固有的一些缺点而限制了它的使用,相比之下,数字舵机系统具有很多模拟式舵机所没有的优点。本文给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人飞行器舵机伺服控制系统,具有高性能、低功耗、低成本、安全可靠和实现容易的特点,可在线编程并成功应用于实践。 1 系统综述 舵机主要是由无刷电机、舵机控制器、舵机机械结构和传感器4部分组成。其中舵机控制器又包括:数据接口部分、中央控制单元、逻辑单元、隔离放大部分与功率驱动模块。一般舵机的工作过程如下:首先由上位机给出一舵偏角指令,舵机控制器接受该指令后与检测得到的实际舵面偏转角送入舵面位置调节单元从而得到参考P WM 占空比A;然后测量实际转速,当速度大于预设值时输出一给定PW M 占空比B;最后检测实际电流,当电流大于电流预设值时,输出另一给定的PWM 占空比C [1]。无刷直流电机中的H A LL 传感器检测转子位置,产生H A ,H B,H C 三相霍尔信号,H A 、HB 、H C 、和ST M 32输出的P WM 波和电机换相信号逻辑综合得到6路电机控制信号驱动电机转动 [2] 。电机输出轴连接精密减速器和 各种传感器,减速器输出驱动舵面。系统实现图如图1所示。 图1 系统组成结构图 2 舵机控制器的硬件组成 舵机控制器的硬件由图2中框线部分组成,该控制器以ST M 32F103V B 为核心。整个系统的硬件设计主要由ST M 32F103V B 工作电路、可编程逻辑电路、隔离及驱动电路、检测信号处理电路、A D 转换电路、数据接口电路及温度检测电路等部分组成。在系统中ST M 32F103V B 通过其自身的CA N 总线控制器与上位机进行数据传输,并使用自身集成的A D 转换器和内置通用定时器实时监测舵机位置、转速和电流等参数。 控制器根据内置的控制算法进行位置环、速度环和电流环计算,并产生控制数据,控制数据通过转换算法产生控制量(PW M 信号和DI R 信号),控制量进入逻辑阵列CPL D 与无刷电机位置传感器信号(H A L L 信号)进行逻辑综合后,输出6路电机控制信号。电机控制信号经隔离电路后控制电机功率驱动模块进行功率放大,驱动无刷电机运行。2 1 主控芯片STM32F 103VB [3] ST M 32F103VB 是意法半导体(ST )公司推出的基于A RM 32位CORT EX -M 3CPU ,是目前性能比较突出的微处理器之一,其增强型系列特别适合做电机控制。它的主要特点如下: 机器人专用舵机SR430P金属齿轮双轴承14公斤180度舵机产品简介 J型插头，180度机器人舵机，1铜齿轮＋4塑胶齿轮，双轴承 产品包装 ◇彩盒包装 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件×1袋、说明书×1张 包装规格：尺寸-57×38×48mm、净重-46g、毛重-52.1g ◇散装（PE袋） 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件×1袋 包装规格：尺寸-120×85×0.07mm、净重-46g、毛重-49.1g 市场价格：80元左右 2 机器人专用舵机春天SR-431 180度舵机产品简介 J型插头，180度机器人舵机，全铜齿轮，双轴承 产品包装 ◇彩盒包装 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件臂×1袋、说明书1张 包装规格：尺寸-57×38×48mm、净重-62g、毛重-84.4g ◇散包装（PE袋） 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件×1袋 包装规格：PE袋120×85×0.07mm、净重-62g、毛重-79g 市场价格：100左右 3 机器人专用舵机春天SR-310 180度舵机 产品简介 用于机器人，1金属齿轮+4塑胶齿轮，转动范围180度产品包装 ◇散装（PE袋） 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件×1袋 包装规格：尺寸-95×85×0.07mm、净重-20g、毛重-25.8g 市场价：45元左右 3 机器人专用舵机春天SR-403 180度舵机 产品简介“ 机器人舵机，金属齿轮，双轴承，转动范围180度，输出齿有“花键”和“六角”两种。 产品包装 ◇彩盒包装 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件×1袋、说明书1张 包装规格：尺寸-57×38×48mm 净重-67g 毛重-87.55g ◇散装 包装内容：舵机本体×1个、摆臂附件×1袋 包装规格：尺寸-120×85×0.07mm 净重-67g 毛重-72.4g 目录 一．舵机PWM信号介绍 (1) 1．PWM信号的定义 (1) 2．PWM信号控制精度制定 (2) 二．单舵机拖动及调速算法 (3) 1．舵机为随动机构 (3) （1）HG14-M舵机的位置控制方法 (3) （2）HG14-M舵机的运动协议 (4) 2．目标规划系统的特征 (5) （1）舵机的追随特性 (5) （2）舵机ω值测定 (6) （3）舵机ω值计算 (6) （4）采用双摆试验验证 (6) 3．DA V的定义 (7) 4．DIV的定义 (7) 5．单舵机调速算法 (8) （1）舵机转动时的极限下降沿PWM脉宽 (8) 三．8舵机联动单周期PWM指令算法 (10) 1．控制要求 (10) 2．注意事项 (10) 3．8路PWM信号发生算法解析 (11) 4．N排序子程序RAM的制定 (12) 5．N差子程序解析 (13) 6．关于扫尾问题 (14) （1）提出扫尾的概念 (14) （2）扫尾值的计算 (14) 一．舵机PWM 信号介绍 1．PWM 信号的定义 PWM 信号为脉宽调制信号，其特点在于他的上升沿与下降沿之间的时间宽度。具体的时间宽窄协议参考下列讲述。我们目前使用的舵机主要依赖于模型行业的标准协议，随着机器人行业的渐渐独立，有些厂商已经推出全新的舵机协议，这些舵机只能应用于机器人行业，已经不能够应用于传统的模型上面了。 目前，北京汉库的HG14-M 舵机可能是这个过渡时期的产物，它采用传统的PWM 协议，优缺点一目了然。优点是已经产业化，成本低，旋转角度大（目前所生产的都可达到185度）；缺点是控制比较复杂，毕竟采用PWM 格式。 但是它是一款数字型的舵机，其对PWM 信号的要求较低： （1） 不用随时接收指令，减少CPU 的疲劳程度； （2） 可以位置自锁、位置跟踪，这方面超越了普通的步进电机； 其PWM 格式注意的几个要点： （1 ） 上升沿最少为0.5mS ，为0.5mS---2.5mS 之间； （2） HG14-M 数字舵机下降沿时间没要求，目前采用0.5Ms 就行；也就是说PWM 波形 可以是一个周期1mS 的标准方波； （3） HG0680为塑料齿轮模拟舵机，其要求连续供给PWM 信号；它也可以输入一个周 期为1mS 的标准方波，这时表现出来的跟随性能很好、很紧密。 舵机控制实验 舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其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。经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。 舵机有很多规格，但所有的舵机都有外接三根线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，由于舵机品牌不同，颜色也会有所差异，棕色为接地线，红色为电源正极线，橙色为信号线。 舵机的转动的角度是通过调节PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms （50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到2ms 之间，但是，事实上脉宽可由0.5ms 到2.5ms 之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。有一点值得注意的地方，由于舵机牌子不同，对于同一信号，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。 了解了基础知识以后我们就可以来学习控制一个舵机了，本实验所需要的元器件很少只需要舵机一个、跳线一扎就可以了。 RB—412 舵机*1 面包板跳线*1 扎 用Arduino 控制舵机的方法有两种，一种是通过Arduino 的普通数字传感器接口产生占空比不同的方波，模拟产生PWM 信号进行舵机定位，第二种是直接利用Arduino 自带的Servo 函数进行舵机的控制， 机器人常用舵机整理 机器人专用舵机SR430P金属齿轮双轴承 14公斤180度舵机 产品简介 J型插头，180度机器人舵机，1铜齿轮+ 4塑胶齿轮，双轴承 产品包装 ?彩盒包装 包装内容：舵机本体X1个、摆臂附件X1袋、说明书X1张 包装规格：尺寸-57為8 >48mm、净 重-46g、毛重-52.1g ?散装（PE袋） 包装内容：舵机本体X1个、摆臂附件X1 袋 包装规格：尺寸-120 35 X）.07mm、净重-46g、毛重-49.1g 市场价格：80元左右 2机器人专用舵机春天 SR-431 180度舵机 产品简介 J 型插头，180度机器人舵机，全铜齿轮，双轴承 产品包装 ?彩盒包装 包装内容：舵机本体 X1个、摆臂附件臂X 1袋、说明书1张 包装规格：尺寸-57 X 38 M8mm 、净重-62g 、毛重-84.4g ?散包装（PE 袋） 包装内容：舵机本体 X1个、摆臂附件X 1袋 包装规格：PE 袋120 X85 X0.07mm 、净重-62g 、毛重-79g 市场价格：100左右 安装示意 白U 红匸: 黑色一地线? 红色一电源+ 白色一信号线 外形尺寸代码图 接口示意图 产品规格技朮養数 尺寸（mm] 重里线长 6V7 + 4V 转动角度 扭力扭力 A B C7E g OZ cm secy 50° kg ■ :IT or in sec/60°kg'em oz'in 斗1.3 20.7 40 50.3 10.0 62 2.19 30.0 0.2 12.2169.720.18 14.5 201.7 180° 3机器人专用舵机春天 SR-310180度舵机 产品简介 用于机器人，1金属齿轮+4塑胶齿轮，转动范围180度 产品包装 白匸白d 虹匸X红口 黑匸JR回外形尺寸代码图 孵色一地线- 红色一电源+ 白色一信号线 接口示意图 舵机控制程序 Final revision on November 26, 2020 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片， 获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为的基准信号，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。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信 号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图1所示。 图1 舵机的控制要求 单片机实现舵机转角控制 可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件 的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV 以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都 远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。 也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，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。 具体的设计过程： 例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms- 2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后 Computer Knowledge and Technology 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)15-3719-03Design of Servo Control System Based on Arduino CAI Rui-yan (Information and Engineering College of Dalian University,Dalian 116622,China) Abstract:The servo is the traditional angle control driver and has been widely used in robot and other fields.In general,servo is driven by microcontroller system,but the driving effect of microcontroller system is not satisfactory for multiple servos.So,the Arduino,an open source control board,is used to output different pulse width signal to control the servo rotation angle,experiment showed that,this system realizes the angle control of servo,meets the requirement of angle control precision and provides a new way to drive servo. Key words:Arduino;servo;pulse width signal;angle control 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:kfyj@https://www.wendangku.net/doc/418918382.html, https://www.wendangku.net/doc/418918382.html, Tel:+86-551-56909635690964 ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.8,No.15,May 2012.3719 课程设计项目说明书 舵机控制型机器人设计 学院机械工程学院 专业班级2013级机械创新班 姓名吴泽群王志波谢嘉恒袁土良指导教师王苗苗 提交日期 2016年4 月1日 华南理工大学广州学院 任务书 兹发给2013级机械创新班学生吴泽群王志波谢嘉恒袁土良 《产品设计项目》课程任务书，内容如下： 1. 题目：舵机控制型机器人设计 2.应完成的项目： 1.设计舵机机器人并实现运动 2.撰写机器人说明书 3.参考资料以及说明： [1] 孙桓.机械原理[M].北京.第六版;高等教育出版社，2001 [2] 张铁，李琳，李杞仪.创新思维与设计[M].国防工业出版社，2005 [3] 周蔼如.林伟健.C++程序设计基础[M].电子工业出版社.北京.2012.7 [4] 唐增宏.常建娥.机械设计课程设计[M].华中科技大学出版社.武汉.2006.4 [5] 李琳.李杞仪.机械原理[M].中国轻工业出版社.北京.2009.8 [6] 何庭蕙.黄小清.陆丽芳.工程力学[M].华南理工大学.广州.2007.1 4.本任务书于2016 年2 月27 日发出，应于2016 年4月2 日前完 成，然后提交给指导教师进行评定。 指导教师（导师组）签发2016年月日 评语： 总评成绩： 指导教师签字： 年月日 目录 摘要 (1) 第一章绪论 (2) 1.1机器人的定义及应用范围 (2) 1.2舵机对机器人的驱动控制 (2) 第二章舵机模块 (3) 2.1舵机 (3) 2.2舵机组成 (3) 2.3舵机工作原理 (4) 第三章总体方案设计与分析 (6) 3.1 机器人达到的目标动作 (6) 3.2 设计原则 (6) 3.3 智能机器人的体系结构 (6) 3.4 控制系统硬件设计 (6) 3.4.1中央控制模块 (7) 3.4.2舵机驱动模块 (7) 3.5机器人腿部整体结构 (8) 第四章程序设计 (9) 4.1程序流程图 (9) 4.2主要中断程序 (9) 4.3主程序 (11) 参考文献 (13) 附录 (14) 一．程序 (14) 二．硬件图 (17) 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 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，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。 其工作原理是： 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它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。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。 3. 舵机的控制： 舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的： 0.5ms--------------0度； 1.0ms------------45度； 1.5ms------------90度； 2.0ms-----------135度； 2.5ms-----------180度； 这只是一种参考数值，具体的参数，请参见舵机的技术参数。 小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，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度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖。在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有 舵机工作原理 标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。 以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。 3003舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为O，电机停止转动。 舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化，改变舵机的位置。 有个很有趣的技术话题可以稍微提一下，就是BA6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速时候电机最大转速。 原理是这样的: 收到1个脉冲以后，BA6688内部也产生1个以5K电位器实际电压为基准的脉冲，2个脉冲比较以后展宽，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生EMF，这个和转速成正比的。 因为取的是中心电压，所以正常不能检测到的，但是运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过EMF判断电压时候就减小展宽，甚至关闭，让马达减速或者停车。这样的好处是可以避免过冲现象(就是到了定位点还继续走,然后回头,再靠近) 一些国产便宜舵机用的便宜的芯片，就没有EMF控制，马达、齿轮的机械惯性就容易发生过冲现象，产生抖舵电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能 提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3来表示。 可变脉宽输出试验(舵机控制) 原创：xidongs 整理：armok / 2004-12-05 / https://www.wendangku.net/doc/418918382.html, 舵机的原理，以及数码舵机VS模拟舵机 一、舵机的原理 标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。 以日本FUTABA-S3003型舵机为例，图1是FUFABA-S3003型舵机的内部电路。 3003舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为O，电机停止转动。 舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化，改变舵机的位置。 有个很有趣的技术话题可以稍微提一下，就是BA6688是有EMF控制的，主要用途是控制在高速时候电机最大转速。 原理是这样的: 收到1个脉冲以后，BA6688内部也产生1个以5K电位器实际电压为基准的脉冲，2个脉冲比较以后展宽，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生EMF，这个和转速成正比的。 因为取的是中心电压，所以正常不能检测到的，但是运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过EMF 判断电压时候就减小展宽，甚至关闭，让马达减速或者停车。这样的好处是可以避免过冲现象(就是到了定位点还继续走,然后回头,再靠近) 一些国产便宜舵机用的便宜的芯片，就没有EMF控制，马达、齿轮的机械惯性就容易发生过冲现象，产生抖舵 电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms(即频率为50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用围3来表示。 舵机在仿生机器人中的应用 摘要：根据控制方式，舵机应该称为微型伺服电机。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机。舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比较精确的角度，所以非常适合在关节型机器人产品使用。仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。舵机的结构、类型及控制原理等知识，是机械专业学生需要掌握的基本知识，了解舵机在机器人中的应用，对我们下学期科技创新活动制作仿生机器人有着重要作用。 关键词:舵机的结构、类型、工作及控制原理、应用。 一、舵机的结构及工作原理。 舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。 工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 结构：舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文servo。 舵机的主体结构如下图所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。简单的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号，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。 舵机及转向控制原理 1、概述 2、舵机的组成 3、舵机工作原理 4、舵机选购 5、舵机使用中应注意的事项 6、辉盛S90舵机简介 7、如何利用程序实现转向 8、51单片机舵机测试程序 1、概述 舵机也叫伺服电机，最早用丁船舶上实现其转向功能，由丁可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中，如图1、图2所示。 舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分，图3为舵机的外形图。 2、舵机的组成 一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等,如图4、图5所示。 变速齿轮组 诃调电位器小型宜流电机 fff 图4舵机的组成示意图 图5舵机组成 舵机的输入线共有三条，如图6所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有 两种规格，一是4.8V, 一是6.0V,分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同， 6.0V 对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANW曲某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。 输出转轴 电源线知 地线GND 控制线 图6舵机的输出线 3、舵机工作原理 控制电路板接受来自信号线的控制信号, 控制电机转动,电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘 转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进 行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到 目标停止。其工作流程为：控制信号T控制电路板T电机转动T齿轮组减速T舵盘转动T位置反馈电位计T控制电路板反馈。流，才可发挥舵机应有的性能。 舵机的控制信号周期为20MS的脉宽调制（PWM信号，其中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为0—180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上如图7所求。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS宽度1.5MS的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用丁那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关 节、飞机的舵面等。 电子科技大学：（清晰明了，代码看不懂） 其实在车速不快的情况下只用车前40cm 内的黑线偏差就可以让赛车沿黑线行驶，问题是在赛车高速行驶时需要对前方 更远的赛道信息进行预判，例如控制赛车入弯前减速、使赛车走最优路径等。因此我们使用距离车前第21 行、22 行、23 行的黑线平均位置计算赛车离黑线 的偏差控制舵机拐向，用更远端的黑线来进行赛道预判。计算相邻两段黑线的 斜率还可以判断出小S 弯，让赛车在小S 弯直冲。 如图5.5.3.1 所示，Mid_Erro 为赛车当前的方向偏差，用于控制舵机当前时 刻的转向。Top_Erro 为图像最远端离中线的偏差，用于进行赛车前方赛道预判，Top_Erro 越大，减速越大 如图5.5. 3.2 所示，只要计算相隔S_Row 行的黑线的相对斜率Up_Erro 和Down_Erro ，如果Up_Erro 和Down_Erro 方向相反而且大于预设的阈值就可 以判定出小S 弯，让输出的偏移量Erro 缩小，减小舵机的转向，使小车减小 抖动。 桂林理工： D_zhongxin DJ_chu+ (D_Kp = + + xiu_D_Kp) (error dd_error)/ 10 - * error/10 D_Kd * 其中，D_zhongxin是车模前轮摆正时的参数，为1460；D_Kp是舵机PD控制的P值；xiu_D_Kp 是舵机P值的修正值；error是当前图像的黑线中心的偏差；D_Kd是舵机PD控制中的D值；dd_error是上次图像黑线中心的偏差。DJ_chu是输出给舵机的PWM值。 军械工程：斜率做赛道判断（同桂林） void Direction_Control(void) { Control_Row = Good_Road_End-1; if(Control_Row_Far == 1) //40 行控制 机器人交流群：187095505 从学习单片机，制作双足机器人到现在半年多了。机械部分入门比较简单，只要耐心，细心完全可以搞定。控制部分一开始自己做不了，买了32路舵机板。后来参加了一个大赛，当时自己用32位的LPC1114编写了一个，但编写动作很不方便。一直想把它完善，但总是有事，最近，上周刚考完试，终于要时间搞一搞了。现在，这个机器人终于完全都是自己的东西了。 下面和大家分享一下一些经验 分控制部分和上位机 材料购买 1.舵机。做机器人最重要的就是舵机了，它是机器人的主要部分，也是最耗资的东西。 本人对舵机也没做过深入的研究，不敢给大家推荐。说一下我用过的几款吧。 1.MG995.扭矩13KG.M这款舵机是市场上最常用的，价位在40~60之间吧。我买的第一批价格 是35元/个，但性能不怎么样，是山寨的，后来买过45一个的也不是原厂的，店主说是副厂的， 比第一批要好很多。其实这款舵机山寨的比较多。 2.春天SR403。现在用的就是这个，淘宝价80，和别人团购的61一个。这款性能不错，没有出 现抖动，也没有虚位，（用一段时间后就有了，正常）。 2.电源。很多新手一开始会碰到一些莫名其妙的问题，这里面有不少是因为电源问题，因为很多人一开始都用普通干电池或者手机电池供电。那是绝对不行的。舵机电流是很大的，一个0.6A左右吧，启动电流则更大，这样普通电源根本不行。最好是用动力锂电池。选择的时候有个计算电流的方法：放电电流=容量*放电倍率。电池中有个参数叫放电倍率，“15C”、“20C”等，这个C就是，比如某电池容量是1800mah，标有20C，则他允许的工作电流为1.8*30=36A。用锂电池有一个电压问题，舵机一般额定电压是6V，而锂电池是7.2A，充满电能达到8.4A。这个问题不好解决，稳压芯片我知道的最大的也就3A，远远不够，到目前我也没有好的办法，我是串联两个大功率二极管来降压的。 3.铝板，螺丝，等可以到当地五金店购买，如果没有，这些东西都可以在淘宝买。 1. 机械部分： 首先是设计图纸。三维设计很重要，第一个机器人完全是凭想象加工的，中间出现了很多差错，各个部分装备不上，尤其是螺孔的位置，经常对不上。所以，最好先用三维软件设计，然后再去加工。三维图纸要考虑到舵机与钣金零件之间的连接，钣金各部分之间的连接，电池，控制电路板的安放位置及固定方法，还有开关的位置及固定。 上一些三维图片 舵机详解 舵机（英文叫Servo）：它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一般而言都有最大旋转角度（比如180度。）与普通直流电机的区别主要在，直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在一定角度内转动，不能一圈圈转（数字舵机可以在舵机模式和电机模式中切换，没有这个问题）。普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。用途也不同，普通直流电机一般是整圈转动做动力用，舵机是控制某物体转动一定角度用（比如机器人的关节）。 舵机的形状和大小多的让人眼花缭乱，大致可以分为下面这几种（如图所示） 最右边的是常见的标准舵机，中间两个小的是微型舵机，左边魁梧的那个是大扭力舵机。图上这几种舵机都是三线控制。 制作机器人常用的舵机有下面几种，而且每种的固定方式也不同，如果从一个型号换成一个型号，整个机械结构都需要重新设计。 第一种是MG995，优点是价格便宜，金属齿轮，耐用度也不错。缺点是扭力比较小，所以负载不能太大，如果做双足机器人之类的这款舵机不是很合适，因为腿部受力太大。做做普通的六足，或者机械手还是不错的。 第二种是SR 403，这款舵机是网友xqi2因MG995做双足机器人抖动太厉害，摸索找到的，经过测试。制作双足机器人不错~~~至少不抖了。优点是扭力大，全金属齿轮，价格也还算便宜。缺点嘛。。。做工很山寨。。。其他缺点等待反馈 第三种就是传说中的数字舵机AX12+，这个是久经考验的机器人专用舵机。除了价格高，使用RS485串口通信（控制板就得换数字舵机专用控制板），其他都是优点。 下图是一个普通模拟舵机的分解图，其组成部分主要有齿轮组、电机、电位器、电机控制板、壳体这几大部分。 电机控制板主要是用来驱动电机和接受电位器反馈回来的信息。电机嘛，动力的来源了，这个不用太多解释。电位器这里的作用主要是通过其旋转后产生的电阻的变化，把信号发送回电机控制板，使其判断输出轴角度是否输出正确。齿轮组的作用主要是力量的放大，使小功率电机产生大扭矩。 利用单片机PWM信号进行舵机控制(图) 基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵 活应用。 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它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。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。 图1舵机的控制要求 舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图1所示。 单片机实现舵机转角控制 可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。 也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，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设无人机舵机控制系统的硬件设计与实现_杨百平
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