【.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();
编译，发布，上传到树莓派。注意舵机有三条线：
1、红线（一般在中间），接树莓派 5V 引脚（供电正极）。
2、黑线或棕色线，接树莓派任意一个 GND 引脚（供电负极）。
3、黄色（有的是白色）是信号线，用来控制舵机，接树莓派的 GPIO 18，这个是树莓派全系列通用的默认 PWM 引脚。
运行程序，第一步，输入 d 20000，设定周期（为了统一，所有时间参数都是以微秒为单位）。
输入 t 500 设置高电平控制角度的起始时间，就是持续最小值，取500。
输入 p 2500，设置高电平的结束时间，即持续的最大值，一般取 2500。
输入小写字母 o，开始PWM。
输入 a 120，旋转至 120 度。
输入 a 30 ，旋转至 30 度。
输入小写字母 s ，停止PWM信号，输入 x 退出。
看看效果。
相关源代码，请点这里下载
