舵機(jī)在機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用及編程方法

 1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
舵機(jī)主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位器、直流電機(jī)、控制電路板組成，其工作原理（圖1所示）：控制電路接收信號源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。
2 舵機(jī)的控制方法
舵機(jī)的控制信號為周期為20ms的脈寬調(diào)制信號，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms～2.5ms，對應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0～180°，理想情況下脈沖高電平寬度與舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度成正比。即舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度=180°×（脈沖高電平寬度-0.5）/2?？梢杂脝纹瑱C(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。單片機(jī)控制系統(tǒng)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，分為兩個(gè)步驟。第一步是產(chǎn)生基本的周期為20ms的PWM信號，第二步是PWM信號脈寬的確定，調(diào)整占空比。控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，通常采用使用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)PWM信號占空比，分別設(shè)定定時(shí)器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短時(shí)間中斷和一次較長時(shí)間中斷，控制輸出信號的電平變換，產(chǎn)生要求的PWM信號。
3 應(yīng)用舉例及編程方法
我們采用宏晶STC12C5A60S2單片機(jī)，它是宏晶科技生產(chǎn)的高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快近十倍。制作的自動(dòng)投球機(jī)器人，機(jī)器人每次攜帶6個(gè)小球，通過單片機(jī)控制兩個(gè)舵機(jī)制作兩個(gè)擋板，擋板配合動(dòng)作，將小球投到指定位置。兩個(gè)擋板初始位置為：下面的擋板1在“擋”位置、上面的擋板2在“縮”位置，開始向投球機(jī)器人裝入小球。啟動(dòng)投球機(jī)器人后，擋板2運(yùn)動(dòng)到“擋”位置，按照規(guī)定的路線循跡運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到指定位置后，投球機(jī)器人開始投球。具體動(dòng)作為：擋板1“縮”，投下一個(gè)小球，然后擋板1“擋”，擋板2“縮”，第二個(gè)小球落到最下面的位置，然后擋板2“擋”，等待投球；依次類推，投入六個(gè)小球后，工作結(jié)束。
單片機(jī)晶振頻率為12MHz，P36輸出舵機(jī)1的PWM控制信號，P37作為輸出舵機(jī)2的PWM控制信號，分別采用16位定時(shí)器T0、T1產(chǎn)生兩路PWM信號P36、P37。
以舵機(jī)1控制為例，通過設(shè)定定時(shí)器T0工作在定時(shí)模式，定時(shí)時(shí)間到產(chǎn)生中斷來產(chǎn)生PWM信號。特殊功能寄存器AUXR中的T0x12、T1x12位分別設(shè)定T0、T1對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行12分頻還是不分頻計(jì)數(shù)定時(shí)，我們設(shè)定T0x12、T1x12為“0”，選擇對系統(tǒng)時(shí)鐘12分頻計(jì)數(shù)定時(shí)，則定時(shí)器計(jì)一個(gè)數(shù)時(shí)間為1us，產(chǎn)生2ms時(shí)間需計(jì)數(shù)2000個(gè)。初始時(shí)舵機(jī)1帶動(dòng)擋板1運(yùn)動(dòng)到“擋”位置，根據(jù)擋板運(yùn)動(dòng)位置（舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度）確定脈寬的初始值a，即a=（2000/180）*舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度+500。然后設(shè)定定時(shí)器T0的初值TH0=-（65536-a）/256、TL0=-（65536-a）%256；并置輸出P36為高電平，啟動(dòng)定時(shí)器T0，T0開始定時(shí)。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器溢出中斷函數(shù)void timer0（） interrupt 1 using 1，在子函數(shù)中，改變輸出P36為反相（此時(shí)變?yōu)榈碗娖剑?，?jì)算ci =20000-a，并重新設(shè)定定時(shí)器T0的初值，直到定時(shí)器再次產(chǎn)生溢出中斷，重復(fù)上一過程。
參考程序（部分）：
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit dj1=P3^6；
sbit dj2=P3^7；
uint a，bi，ci，d；
void timer0（ ） interrupt 1 using 1
{
dj1=！dj1；
ci=20000-a；
TH0=（65536-ci）/256；
TL0=（65536-ci）%256；
TF0=0；
}
void djdang1（）/*擋板1擋位置函數(shù)*/
{
dj1=1；
a=（2000/180）*130+500；
TH0=-（a/256）；
TL0=-（a%256）；
EA=1；
ET0=1；TR0=1；
}
void djsuo1（）/*擋板1縮位置函數(shù)*/
{
dj1=1；
a=（2000/180）*70+500；
TH0=-（a/256）；
TL0=-（a%256）；
EA=1；
ET0=1；TR0=1；
}
void S_T（） /*程序初始化*/
{
TMOD=0X11；
P3M1=0x00；
P3M0=0xff；
AUXR=0X00；
start_=1；
while（start_==1） //等待按鍵
{；}
}
void main（） /*主函數(shù)*/
{
S_T（）；
djdang1（）；
djsuo2（）；
delay_ms（10000）； /裝入小球
djdang2（）；
delay_ms（900）；
……… ；//運(yùn)行到指定位置
djsuo1（）；
delay_ms（800）；
djdang1（）；
delay_ms（850）；
djsuo2（）；
delay_ms（800）；
djdang2（）；//投入一個(gè)小球
……………
}