【.NET 与树莓派】控制舵机

不管是小马达，还是大马达，嗯，也就是电机，相信大伙伴们也不会陌生。四驱车是一种很优秀的玩具，从老周小时候就开始流行（动画片《四驱兄弟》估计很多大朋友都看过），直到现在还能看到很多卖四驱车的。为啥会想起四驱车呢？因为小时候玩四驱车让老周认识了很多奇葩马达，什么“红魔鬼”、“蓝芯”、“紫魔鬼”……也不知道是什么逻辑的命名方式，反正那时候大家都这么叫。

这些马达的结构有一个转轴，绕有红色或橙色的线圈（记忆中是这些颜色），有四块磁铁。金属外壳，上部开有两个散热孔。整体形状有圆的也有扁的，许多遥控车的马达是圆的。还有一马达像个竹筒似的，一些太阳帽小风扇里面有。

一般的马达的特点，就是一通电就往一个方向转（正负接反它就反向转），但舵机比普通马达更好玩。360度的舵机与一般马达相似，加电后会往一个方向转动，信号线控制其转动方向和转速；不过我们常说的舵机一般是指 180 度的舵机，这种舵机可以通过信号线让它转动一定的角度，当到达指定的角度后舵机会停下来。

180 度舵机可以：

1、机器人各个关节的运动，可模拟人的关节活动。因为程序可以控制舵机转到指定的角度。

2、遥控小车可以用舵机来拐弯。

3、机械臂 / 机械爪。

4、制作可以转动的摄像头。

5、3D 打印的零部件。

……

只要需要控制转动方向的，都用得上。

舵机依据其工作负荷以及扭力可以有很多种，咱们用来开发做实验的，最好选 9 克舵机。尽管这种舵机力气不大，但是开发板可以直接供电，不用外加电源补电。就是这种，蓝色透明外壳的。

正因为外壳是透明的，所以你能看到里面有什么。当然了，你如果像老周这样喜欢搞破坏的，可以把拆开玩玩。

拆的时候最好戴个手套，毕竟这是电机，你拆过就知道，里面有很多润滑油的。装回去的时候要注意那几个减速齿轮，有的大伙伴一时冲动拆了，然后装不回去。虽然这种舵机一般几块钱一个，但你也不能这么浪费。

舵机里面主要这几个部件：

1、马达。这个肯定有的，不然怎么转。

2、电位器。不同角度会改变不同的电阻值，使控制板能驱动马达转多少圈。

3、控制板。

4、N 个减速齿轮。

上面只是了解一下舵机，接下来看重点——怎么控制角度。一般的教程会跟你说，通过 PWM 设置不同占空比来控制舵机转动角度。这并不算错，因为控制舵机确实是用 PWM 实现的。不过，这样说其实不准确。实际上，让舵机转动多少度是通过高电平的持续时间来控制的。

通常情况下，控制脉冲的周期时长是 20 毫秒，即 20000 微秒。故用PWM时，频率设定 50 Hz（1 / 0.02秒 = 50 Hz）。舵机识别高电平的时间范围为 0.5 ms 到 2.5 ms，即 500 us 到 2500 us。下图是老周盗来的动图。

这就是为什么PWM能控制舵机的原因，在 0.5ms 之前的时间舵机不关心，所以这段时间无论输出信号是高电平还是低电平都可以，因此关注的核心变为高电平什么时候关闭（变为低电平）。

如上图，如果高电平持续到 0.5 毫秒时变为低电平，则舵机旋转至 0 度。

如果高电平在 1.5 毫秒时关闭，则舵机旋转到 90 度。

如果高电平在 2.5 毫秒时关闭，舵机旋转至 180 度。

综上所述，将控制舵机的信号换算为PWM的占空比，需要准备以下条件：

1、周期时间长度，一般为 20000 us，换算为PWM频率为 50Hz。

2、高电平有效的持续时间，一般值为：min = 500us，max = 2500us。

3、500 - 2500 us，其时间段为 2500-500 = 2000us，用180度平分这2000微秒，即每一度角对应的时间为 2000 / 180 ≈ 11.11 us / deg。

综合一下，占空比可这样算：

假设要旋转 90 度，即占空比：

把公式翻译成中文，就是这样

有了上面的基础，写代码就好办了。这里老周写了一个测试程序，这个命令行程序可以通过输入命令来修改参数，这样方便大家做实验。命令帮助信息如下：

        using static System.Console;

        static void ShowHelps()
        {
            WriteLine("{0,-15}{1}", "h", "显示帮助信息");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "x", "退出");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "d n", "设置周期（微秒）");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "t n", "高电平起始时间（微秒）");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "p n", "高电平结束时间（微秒）");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "a n", "角度");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "o", "发送脉冲信号");
            WriteLine("{0,-15}{1}", "s", "停止脉冲");
            WriteLine();
        }

下面的代码是计算 1 度角对应的时间长度（微秒）。

        static void ComputeMicroToAngle()
        {
            microForAngle = (maxMicrosec - minMicrosec) / 180.0d;
        }

minMicrosec 是高电平持续的最小时间：500us；maxMicrosec 是高电平持续的最大时间：2500us。

这几个变量的声明如下：

        /// <summary>
        /// 高电平持续的最小时间，一般为 500us
        /// </summary>
        static int minMicrosec = 500;

        /// <summary>
        /// 高电平持续的最大时间，一般为 2500us
        /// </summary>
        static int maxMicrosec = 2500;

        /// <summary>
        /// 一度角对应的持续时间，单位为微秒（us）
        /// </summary>
        static double microForAngle = 0d;

主体代码如下，其余的可以下载源代码查看。

            // 创建PWM通道实例
            PwmChannel ch = PwmChannel.Create(0, 0);
            ShowHelps(); //运行后打印一次帮助信息
            bool working = true; //用来跳出循环的标志变量
            while(working)
            {
                Write(">>>");
                // 读取键盘输入的一行文本
                string line = ReadLine();
                // 读取第一个字符
                char first = line[0];
                // 分析命令
                switch(first)
                {
                    case 'h': //显示帮助信息
                        ShowHelps();
                        break;
                    case 'x': //跳出循环，退出程序
                        working = false;
                        break;
                    case 'd': //设置周期，一般是20000us
                        ch.Frequency = ParseFreq(line[1..].Trim());
                        break;
                    case 't': //设置高电平持续的最小时间
                        ParseMinMicrosecond(line[1..].Trim());
                        ComputeMicroToAngle();
                        break;
                    case 'p': //设置高电平持续的最大时间
                        ParseMaxMicrosecond(line[1..].Trim());
                        ComputeMicroToAngle();
                        break;
                    case 'a': //设置要旋转的角度
                        double angle = ParseAngle(line[1..].Trim());
                        ch.DutyCycle = ComputeDuty(angle, ch.Frequency);
                        break;
                    case 'o': //开始发送脉冲
                        ch.Start();
                        break;
                    case 's': //停止发送脉冲
                        ch.Stop();
                        break;
                    default:
                        WriteLine("<<< 无效命令");
                        break;
                }
            }
            ch.Dispose();