最近买了个小型舵机云台模块来玩，淘宝上卖这个的挺多的，一般三四十块钱，很多还卖配套的摄像头。说是云台，其实就是用两个舵机结合固定板做的支撑模块，两个舵机分别控制左右和上下的转动。

1 关于舵机

首先了解一下舵机的基本原理和工作过程（参考https://wenku.baidu.com/view/09ea6dd46bd97f192379e9b6.html?from=search）。

淘宝上卖的小舵机基本都是SG90，因此下面的相关数据都是针对SG90的。舵机就是可以自由指定转角的伺服马达，它有三根引出的线，红线是电源线，可以接5V输入；棕线是地线；橙线是信号线，也是我们唯一需要输入控制信号的线。在舵机内部，有一个周期20ms，脉宽1.5ms的基准脉冲，它对应于一个基准电压 V0 V 0 V_0 ；为了控制舵机，我们给信号线输入一个周期也为20ms，一定占空比的控制脉冲，这个脉冲经过调制芯片的处理成为一个偏置电压 V V V ，舵机内部首先通过比较ΔV=V−V0" role="presentation" style="position: relative;">ΔV=V−V0ΔV=V−V0\Delta V=V-V_0 的正负来进行正相或反相转动，同时舵机内部带有平衡电位器，内部齿轮转动的同时会带动电位器变化，电位器会逐渐减小电压差 ΔV Δ V \Delta V ，当电机转到指定角度时 ΔV Δ V \Delta V 刚好为0，舵机停止转动。所以归结起来，要控制舵机转到指定角度，就给它输入指定占空比的脉冲波。

舵机的转角范围是0-180度，我们输入周期为20ms的脉冲，其脉宽、相应占空比和舵机转角之间的关系可以用下表表示。

脉宽 / ms	占空比 / %	转角 / °
0.5	2.5	0
1.0	5	45
1.5	7.5	90
2.0	10	135
2.5	12.5	180

2 一些关键数据的推算

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 ) \theta (0\leq \theta \leq 180) ，则需要输入的脉冲占空比为：
D=2.5+θ180×(12.5−2.5)=2.5+θ180×10 D = 2.5 + θ 180 × ( 12.5 − 2.5 ) = 2.5 + θ 180 × 10 D=2.5+\frac{\theta}{180}\times (12.5-2.5)=2.5+\frac{\theta}{180}\times 10

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/° 0.003 s / ° 0.003 s/° 。而舵机的精度为 180°1024≈0.18° 180 ° 1024 ≈ 0.18 ° \frac{180°}{1024}\approx 0.18°，对应的脉冲占空比精度为 12.5−2.51024≈0.01 12.5 − 2.5 1024 ≈ 0.01 \frac{12.5-2.5}{1024}\approx 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 0.2 × 0.003 = 0.0006 s 0.2\times 0.003=0.0006 s ，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 180 × 0.2 60 = 0.4 s 180 \times \frac{0.2}{60}=0.4s，这是从0度转到180度的时间（当然可以根据比例关系精确计算两次指令的理论间隔时间，不过直接用0.4s就够了）。

此外，由于舵机上配套的固定板结构问题，可能舵机并不能完全从0转到180，比如我买的云台，下面控制水平转动的舵机可以自由180度转动，但上面控制垂直转动的舵机只能在90到180度转动，否则会被卡住。因此为了防止舵机损坏，需要注意舵机的转动范围，这个也需要在程序中体现。

3 程序设计

在树莓派中写python程序控制舵机。因为要给舵机输入脉冲波，需要使用RPi.GPIO库中的PWM方法，大概的GPIO控制逻辑可以由下面的代码表示：

GPIO.setmode(GPIO.BCM) #设定BCM编码模式
GPIO.setwarnings(False) #关闭警告
GPIO.setup(channel,GPIO.OUT) #设定通道为输出模式
pwm=GPIO.PWM(channel,frequency) #新建PWM对象，并指定频率
pwm.start(dutycycle) #启动PWM输出，并指定初始占空比
pwm.ChangeDutyCycle(dutycycle) #改变占空比
pwm.stop() #停止PWM
GPIO.cleanup()

为了使舵机云台模块化，设计类来封装GPIO操作。Rotation类表示的是单个的舵机，封装了所有的GPIO操作；而Steering类则表示云台，它包含两个Rotation对象。Rotation类的代码，里面专门区分了步进转动和指定转动：

# -*- coding: UTF-8 -*-
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=0else:self.min_theta=min_thetaif(max_theta<0 or max_theta>180):self.max_theta=180else:self.max_theta=max_thetaif(init_theta<min_theta or init_theta>max_theta):self.init_theta=(self.min_theta+self.max_theta)/2else: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*10/180self.max_dutycycle=2.5+self.max_theta*10/180def 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) #PWMself.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*10/180if self.dutycycle>self.max_dutycycle:self.dutycycle=self.max_dutycycleself.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*10/180if self.dutycycle<self.min_dutycycle:self.dutycycle=self.min_dutycycleself.pwm.ChangeDutyCycle(self.dutycycle)time.sleep(Rotation.min_delay)def specifyRotation(self,theta): '''转动到指定的角度'''if(theta<0 or theta>180):returnself.dutycycle=2.5+theta*10/180self.pwm.ChangeDutyCycle(self.dutycycle)time.sleep(Rotation.max_delay)def cleanup(self):self.pwm.stop()time.sleep(Rotation.min_delay)GPIO.cleanup()

Steering类的代码如下，它的两个Rotation属性分别代表了水平转动和垂直转动舵机：

import Rotationclass Steering:def __init__(self,channelH,min_thetaH,max_thetaH,channelV,min_thetaV,max_thetaV,init_thetaH=0,init_thetaV=0):'''构造函数channelH: 水平舵机的信号通道min_thetaH: 水平舵机最小转角max_thetaH: 水平舵机最大转角channelV: 垂直舵机的信号通道min_thetaV: 垂直舵机最小转角max_thetaV: 垂直舵机最大转角init_thetaH: 水平舵机初始转角init_thetaV: 垂直舵机初始转角'''self.hRotation=Rotation(channelH,min_thetaH,max_thetaH,init_thetaH)self.vRotation=Rotation(channelV,min_thetaV,max_thetaV,init_thetaV)def setup(self):self.hRotation.setup()self.vRotation.setup()def Up(self):'''向上步进转动（每次调用只转动0.2度）'''self.vRotation.positiveRotation()def Down(self):'''向下步进转动（每次调用只转动0.2度）'''self.vRotation.reverseRotation()def Left(self):'''向左步进转动（每次调用只转动0.2度）'''self.hRotation.positiveRotation()def Right(self):'''向右步进转动（每次调用只转动0.2度）'''self.hRotation.reverseRotation()def specify(self,thetaH,thetaV):'''转动到指定的角度'''self.hRotation.specifyRotation(thetaH)self.vRotation.specifyRotation(thetaV)def cleanup(self):self.hRotation.cleanup()self.vRotation.cleanup()

4 测试

导入Steering模块，编写测试程序，先是让云台在四个方向上都连续转动，再转到几个指定角度。代码和测试结果如下：

from Steering_Module.Steering import Steering
import time
steer=Steering(14,0,180,15,90,180,36,160) #初始位置为36和160，此时云台是正对前方，通过调试得到这两个值
steer.setup()
time.sleep(2)
for i in range(0,900):steer.Up()for i in range(0,900):steer.Down()for i in range(0,900):steer.Left()for i in range(0,900):steer.Right()steer.specify(80,120)
steer.specify(20,100)
steer.specify(170,180)
steer.cleanup()

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