多通道舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

   摘要：為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人、無人機(jī)的控制，提出一種利用微處理器產(chǎn)生多路舵機(jī)控制信號的方法。該方法以AT89C52單片機(jī)作為控制芯片，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了8路舵機(jī)控制脈沖的生成，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人機(jī)等控制系統(tǒng)，并按上位機(jī)與下位機(jī)的通信要求設(shè)計(jì)了一種簡單的通信協(xié)議，以滿足實(shí)時(shí)控制的需要。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；舵機(jī)控制器；多通道；通信協(xié)議

    在機(jī)器人、無人機(jī)等運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行控制系統(tǒng)器的設(shè)計(jì)中，舵機(jī)控制效果是系統(tǒng)性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制和輸出會(huì)涉及到多路控制信號的產(chǎn)生問題。如機(jī)器人的頭、肩、肘、腕、指等關(guān)節(jié)，無人飛機(jī)的舵面，無人駕駛汽車的方向盤和油門等，都需要由舵機(jī)信號來驅(qū)動(dòng)，所以在這一類的控制器中需要多路的PWM信號來控制舵機(jī)，從而完成多通道并行控制任務(wù)。

1 單路舵機(jī)輸出控制原理
1．1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
    舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，主要由以下幾個(gè)部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。
    舵機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)(如圖1所示)，它的工作原理如下，控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到定位。


1．2 單路舵機(jī)的控制信號原理
    舵機(jī)的控制信號通常為PWM信號，即脈寬控制信號，如圖2所示。


    其中脈沖寬度從O．6～2．4 ms，相對應(yīng)舵盤的位置為-90°～+90°，呈線性變化，如圖3所示。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號，它才會(huì)改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。


    舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20 ms，寬度1．5 ms的基準(zhǔn)信號，有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。例如機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面以及無人駕駛汽車的方向盤和油門等。

2 用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)PWM控制信號輸出
    對一個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制僅需要一個(gè)舵機(jī)就可以了，但在機(jī)器人、無人機(jī)等系統(tǒng)的控制過程中，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)舵機(jī)的控制，也就是說，需要多路PWM信號來完成控制任務(wù)。如圖1所示，單路舵機(jī)信號在20 ms周期內(nèi)，考慮保護(hù)時(shí)隙，t的最大取值為2．5 ms，則20 ms內(nèi)最多可以周期性地輸出8路控制信號(20／2．5=8)。若使用微處理器的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的話，每個(gè)定時(shí)器可以控制8路輸出，N個(gè)定時(shí)器則可以輸出8N個(gè)通道。
    本文所設(shè)計(jì)的舵機(jī)控制器若以MSC-51單片機(jī)為核心，使用12 MHz的晶振，它的時(shí)間周期就是1／12μs，而它的一個(gè)機(jī)器周期則是12×(1／12)=1μs。如果舵機(jī)的有效行程為(°)／10μs，其控制的角度定時(shí)精度是可以達(dá)到1μs，約0．1°，因此，任意類型的單片機(jī)都能夠滿足舵機(jī)的控制精度要求。利用單片機(jī)的串行通信口可以實(shí)現(xiàn)與上位的PC機(jī)的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)的同步控制。以AT89C52為例說明該方法的實(shí)現(xiàn)過程，設(shè)單片機(jī)的P1．O～P1．7端口為控制輸出，8路舵機(jī)控制脈沖如圖4所示。


    本文的設(shè)計(jì)中，采用P1口作為舵機(jī)信號輸出控制端口，分別對應(yīng)CH1～CH8通道，在晶振為12 MHz，采用定時(shí)器方式1工作方式。
    舵機(jī)控制器軟件控制分為兩個(gè)部分，即主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成定時(shí)器初始化、串口信令解析、舵機(jī)位置刷新的工作。設(shè)置各通道序號為i，當(dāng)前定時(shí)器脈寬定時(shí)為Time，Tab[i]為各通道最新定時(shí)值。定時(shí)器初始化進(jìn)行定時(shí)器工作模式及初值設(shè)置，各舵機(jī)位置初始化使所有舵機(jī)的位置定在0°的位置，使舵機(jī)處于等待指令的狀態(tài)。串口信令程序?qū)⒔邮盏降闹噶罱馕?，并隨時(shí)提取信令中各通道舵機(jī)的最新值。舵機(jī)位置刷新程序?qū)崟r(shí)計(jì)算最新舵量并修改每個(gè)通道的定時(shí)值Tab[i]，供定制中斷服務(wù)程序調(diào)用。中斷程序流程圖如圖5所示。
    中斷復(fù)位程序依次修改各個(gè)通道對應(yīng)I／0口的輸出電平，并依次加載下一通道的定時(shí)器計(jì)數(shù)值，通道號計(jì)數(shù)指針累加。當(dāng)計(jì)數(shù)指針為8時(shí)表明各通道輸出結(jié)束，剩余時(shí)間I／O口全部置0，下一輪循環(huán)開始。

3 串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
    為了滿足上位機(jī)對舵機(jī)控制器的實(shí)時(shí)控制，可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡單通用的控制協(xié)議。從便于輸出控制的角度來考慮，可以設(shè)置單通道控制和多通道控制兩個(gè)信令，采用二進(jìn)制命令行格式，固定幀長。
    本文采用基于短幀的協(xié)議設(shè)計(jì)思想，每個(gè)舵機(jī)動(dòng)作對應(yīng)的控制信號是一幀一幀發(fā)送的，動(dòng)作的分解和步長由功能強(qiáng)大的上位機(jī)完成，而下位機(jī)只負(fù)責(zé)完成對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度執(zhí)行。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信短幀包含幀首、數(shù)據(jù)和幀尾幾部分，每個(gè)部分可以根據(jù)實(shí)際需要定義。
    (1)幀首，表示本數(shù)據(jù)幀的開始，用于數(shù)據(jù)幀的同步和控制的類型屬于串口通信協(xié)議，并為下位機(jī)是否接收此數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志。一般可以設(shè)0xFE為單通道控制幀，0xFF為多通道控制幀。
    (2)數(shù)據(jù)，表示上位機(jī)通過串口要控制的舵機(jī)輸出通道號以及通道所對應(yīng)的舵量偏轉(zhuǎn)值。
    (3)幀尾，表示此幀信號的結(jié)束，一般可以用0xF0表示。
    單通道控制信令較為簡單，如圖6所示，其幀首為0xFE，CHn表示該幀所控制的通道號，Dn則表示所控制的通道對應(yīng)的舵量偏轉(zhuǎn)值，0xF0作為該幀結(jié)束的標(biāo)志。例如，當(dāng)幀數(shù)據(jù)為“FE 01 5A F0”時(shí)，表示CH1通道信號置于中位(90°=0x5A)。


    多通道控制信令格式如圖7所示，幀首為0xFF，其控制命令的數(shù)據(jù)長度可以每個(gè)字節(jié)對應(yīng)一個(gè)通道，±90°可以用數(shù)字0～180表示，對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)為0x00～0XB4。例如，當(dāng)幀數(shù)據(jù)為“FF 5A 5A 5A 5A 78 78 3C 3C FO”時(shí)，則表示CH1～CH4通道都居中，CH5，CH6為+30°；CH7，CH8為-30°。

4 結(jié)語
    本文所提出的多路舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方法是以微處理器為核心，利用定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)了對多路舵機(jī)的控制信號輸出，并可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信控制，可適用于機(jī)器人、無人機(jī)等需要控制多個(gè)舵機(jī)的場合，以及其他需要產(chǎn)生多路PWM系統(tǒng)。