如何使用树莓派控制舵机MG90D

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舵机介绍

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。我们这里使用的淘宝上常见的MG90舵机。如下图，需要注意，不同的型号，其转向的角度，力距不一样，可以根据自己的需求进行选用。

工作原理

舵机的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。 
  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，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的： 

脉宽、占空比和舵机转角之间的关系表格：

数据推算

在上表的基础上，我们需要计算一些关键参数。 
根据上表，如果我们要使舵机转到指定的角度θ(0≤θ≤180)θ(0≤θ≤180) ，则需要输入的脉冲占空比为： 
D=2.5+(θ×(12.5−2.5))/180=2.5+(θ×10)/180
舵机转动需要一定时间，给它发指令应避免引起冲突。舵机的转速大概为0.2秒每60度，即0.003s/° 。而舵机的精度为180°/1024≈0.18°，对应的脉冲占空比精度为(12.5−2.5)/1024≈0.01 ，因此，在步进转动内（即每次转0.18°，后面直接取0.2°），给舵机发的指令间隔时间不应该低于0.2×0.003=0.0006s ，舍入一下即0.001s。而如果我们是任意指定转角，那么两次指令的间隔时间则应该长于180×0.260=0.4s，这是从0度转到180度的时间。   

舵机接线

将舵机棕色线接到GND，红色线接到+5V引脚，橙色线接到GPIO.12（BCM18)引脚。

程序编写

Rotation.py

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 这个类表示单个的SG90模块
class Rotation:
    frequency=50 #脉冲频率(Hz)
    delta_theta=0.2 #步进转动间隔(度)
    min_delay=0.0006 #转动delta_theta的理论耗时(s)
    max_delay=0.4 #从0转到180的耗时(s)

    def __init__(self,channel,min_theta,max_theta,init_theta=0):
        '''
        构造函数：
            channel: 舵机信号线所连接的树莓派引脚编号（BCM编码）
            min_theta: 舵机转动的最小角度
            max_theta: 舵机转动的最大角度
            init_theta: 舵机的初始角度
        '''
        self.channel=channel 
        if(min_theta<0 or min_theta>180):
            self.min_theta=0
        else:
            self.min_theta=min_theta

        if(max_theta<0 or max_theta>180):
            self.max_theta=180
        else:
            self.max_theta=max_theta
            
        if(init_thetamax_theta):
            self.init_theta=(self.min_theta+self.max_theta)/2
        else:
            self.init_theta=init_theta #初始角度
                    
        #计算最小角度、最大角度的占空比
        self.min_dutycycle=2.5+self.min_theta*10/180
        self.max_dutycycle=2.5+self.max_theta*10/180


    def setup(self):
        '''
        初始化
        '''
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        GPIO.setwarnings(False)
        GPIO.setup(self.channel,GPIO.OUT)
        self.pwm=GPIO.PWM(self.channel,Rotation.frequency) #PWM
        self.dutycycle=2.5+self.init_theta*10/180 #脉冲占空比的初始值
        self.pwm.start(self.dutycycle) #让舵机转到初始位置
        time.sleep(Rotation.max_delay)

    def positiveRotation(self):
        '''
        正相步进转动，每次调用只转动delta_theta度
        '''
        self.dutycycle=self.dutycycle+Rotation.delta_theta*10/180
        if self.dutycycle>self.max_dutycycle:
            self.dutycycle=self.max_dutycycle
        self.pwm.ChangeDutyCycle(self.dutycycle)
        time.sleep(Rotation.min_delay)

    def reverseRotation(self):
        '''
        反相转动，每次调用只转动delta_theta度
        '''
        self.dutycycle=self.dutycycle-Rotation.delta_theta*10/180
        if self.dutycycle180):
            return
        self.dutycycle=2.5+theta*10/180
        self.pwm.ChangeDutyCycle(self.dutycycle)
        time.sleep(Rotation.max_delay)

    def cleanup(self):
        self.pwm.stop()
        time.sleep(Rotation.min_delay)
        GPIO.cleanup()

ServoCtrl.py

import time

rot = Rotation(18, 0, 180)

rot.setup()
time.sleep(2)

for i in range(0,900):
    rot.positiveRotation()
    
for i in range(0,900):
    rot.reverseRotation()
    
rot.cleanup()

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