【.NET 與樹莓派】控制舵機
不管是小馬達，還是大馬達，嗯，也就是電機，相信大夥伴們也不會陌生。四驅車是一種很優秀的玩具，從老周小時候就開始流行（動畫片《四驅兄弟》估計很多大朋友都看過），直到現在還能看到很多賣四驅車的。為啥會想起四驅車呢？因為小時候玩四驅車讓老周認識了很多奇葩馬達，什麼「紅魔鬼」、「藍芯」、「紫魔鬼」……也不知道是什麼邏輯的命名方式，反正那時候大家都這麼叫。
這些馬達的結構有一個轉軸，繞有紅色或橙色的線圈（記憶中是這些顏色），有四塊磁鐵。金屬外殼，上部開有兩個散熱孔。整體形狀有圓的也有扁的，許多遙控車的馬達是圓的。還有一馬達像個竹筒似的，一些太陽帽小風扇裏面有。
一般的馬達的特點，就是一通電就往一個方向轉（正負接反它就反向轉），但舵機比普通馬達更好玩。360度的舵機與一般馬達相似，加電後會往一個方向轉動，信號線控制其轉動方向和轉速；不過我們常說的舵機一般是指 180 度的舵機，這種舵機可以通過信號線讓它轉動一定的角度，當到達指定的角度後舵機會停下來。
180 度舵機可以：
1、機械人各個關節的運動，可模擬人的關節活動。因為程序可以控制舵機轉到指定的角度。
2、遙控小車可以用舵機來拐彎。
3、機械臂 / 機械爪。
4、製作可以轉動的攝像頭。
5、3D 打印的零部件。
……
只要需要控制轉動方向的，都用得上。
舵機依據其工作負荷以及扭力可以有很多種，咱們用來開發做實驗的，最好選 9 克舵機。儘管這種舵機力氣不大，但是開發板可以直接供電，不用外加電源補電。就是這種，藍色透明外殼的。
正因為外殼是透明的，所以你能看到裏面有什麼。當然了，你如果像老周這樣喜歡搞破壞的，可以把拆開玩玩。
拆的時候最好戴個手套，畢竟這是電機，你拆過就知道，裏面有很多潤滑油的。裝回去的時候要注意那幾個減速齒輪，有的大夥伴一時衝動拆了，然後裝不回去。雖然這種舵機一般幾塊錢一個，但你也不能這麼浪費。
舵機裏面主要這幾個部件：
1、馬達。這個肯定有的，不然怎麼轉。
2、電位器。不同角度會改變不同的電阻值，使控制板能驅動馬達轉多少圈。
3、控制板。
4、N 個減速齒輪。
上面只是了解一下舵機，接下來看重點——怎麼控制角度。一般的教程會跟你說，通過 PWM 設置不同占空比來控制舵機轉動角度。這並不算錯，因為控制舵機確實是用 PWM 實現的。不過，這樣說其實不準確。實際上，讓舵機轉動多少度是通過高電平的持續時間來控制的。
通常情況下，控制脈衝的周期時長是 20 毫秒，即 20000 微秒。故用PWM時，頻率設定 50 Hz（1 / 0.02秒 = 50 Hz）。舵機識別高電平的時間範圍為 0.5 ms 到 2.5 ms，即 500 us 到 2500 us。下圖是老周盜來的動圖。
這就是為什麼PWM能控制舵機的原因，在 0.5ms 之前的時間舵機不關心，所以這段時間無論輸出信號是高電平還是低電平都可以，因此關注的核心變為高電平什麼時候關閉（變為低電平）。
如上圖，如果高電平持續到 0.5 毫秒時變為低電平，則舵機旋轉至 0 度。
如果高電平在 1.5 毫秒時關閉，則舵機旋轉到 90 度。
如果高電平在 2.5 毫秒時關閉，舵機旋轉至 180 度。
綜上所述，將控制舵機的信號換算為PWM的占空比，需要準備以下條件：
1、周期時間長度，一般為 20000 us，換算為PWM頻率為 50Hz。
2、高電平有效的持續時間，一般值為：min = 500us，max = 2500us。
3、500 – 2500 us，其時間段為 2500-500 = 2000us，用180度平分這2000微秒，即每一度角對應的時間為 2000 / 180 ≈ 11.11 us / deg。
綜合一下，占空比可這樣算：
假設要旋轉 90 度，即占空比：
把公式翻譯成中文，就是這樣
有了上面的基礎，寫代碼就好辦了。這裡老周寫了一個測試程序，這個命令行程序可以通過輸入命令來修改參數，這樣方便大家做實驗。命令幫助信息如下：
using static System.Console; static void ShowHelps() { WriteLine("{0,-15}{1}", "h", "顯示幫助信息"); WriteLine("{0,-15}{1}", "x", "退出"); WriteLine("{0,-15}{1}", "d n", "設置周期（微秒）"); WriteLine("{0,-15}{1}", "t n", "高電平起始時間（微秒）"); WriteLine("{0,-15}{1}", "p n", "高電平結束時間（微秒）"); WriteLine("{0,-15}{1}", "a n", "角度"); WriteLine("{0,-15}{1}", "o", "發送脈衝信號"); WriteLine("{0,-15}{1}", "s", "停止脈衝"); WriteLine(); }
下面的代碼是計算 1 度角對應的時間長度（微秒）。
static void ComputeMicroToAngle() { microForAngle = (maxMicrosec - minMicrosec) / 180.0d; }
minMicrosec 是高電平持續的最小時間：500us；maxMicrosec 是高電平持續的最大時間：2500us。
這幾個變量的聲明如下：
/// <summary> /// 高電平持續的最小時間，一般為 500us /// </summary> static int minMicrosec = 500; /// <summary> /// 高電平持續的最大時間，一般為 2500us /// </summary> static int maxMicrosec = 2500; /// <summary> /// 一度角對應的持續時間，單位為微秒（us） /// </summary> static double microForAngle = 0d;
主體代碼如下，其餘的可以下載源代碼查看。
// 創建PWM通道實例 PwmChannel ch = PwmChannel.Create(0, 0); ShowHelps(); //運行後打印一次幫助信息 bool working = true; //用來跳出循環的標誌變量 while(working) { Write(">>>"); // 讀取鍵盤輸入的一行文本 string line = ReadLine(); // 讀取第一個字符 char first = line[0]; // 分析命令 switch(first) { case 'h': //顯示幫助信息 ShowHelps(); break; case 'x': //跳出循環，退出程序 working = false; break; case 'd': //設置周期，一般是20000us ch.Frequency = ParseFreq(line[1..].Trim()); break; case 't': //設置高電平持續的最小時間 ParseMinMicrosecond(line[1..].Trim()); ComputeMicroToAngle(); break; case 'p': //設置高電平持續的最大時間 ParseMaxMicrosecond(line[1..].Trim()); ComputeMicroToAngle(); break; case 'a': //設置要旋轉的角度 double angle = ParseAngle(line[1..].Trim()); ch.DutyCycle = ComputeDuty(angle, ch.Frequency); break; case 'o': //開始發送脈衝 ch.Start(); break; case 's': //停止發送脈衝 ch.Stop(); break; default: WriteLine("<<< 無效命令"); break; } } ch.Dispose();
編譯，發佈，上傳到樹莓派。注意舵機有三條線：
1、紅線（一般在中間），接樹莓派 5V 引腳（供電正極）。
2、黑線或棕色線，接樹莓派任意一個 GND 引腳（供電負極）。
3、黃色（有的是白色）是信號線，用來控制舵機，接樹莓派的 GPIO 18，這個是樹莓派全系列通用的默認 PWM 引腳。
運行程序，第一步，輸入 d 20000，設定周期（為了統一，所有時間參數都是以微秒為單位）。
輸入 t 500 設置高電平控制角度的起始時間，就是持續最小值，取500。
輸入 p 2500，設置高電平的結束時間，即持續的最大值，一般取 2500。
輸入小寫字母 o，開始PWM。
輸入 a 120，旋轉至 120 度。
輸入 a 30 ，旋轉至 30 度。
輸入小寫字母 s ，停止PWM信號，輸入 x 退出。
看看效果。
相關源代碼，請點這裡下載
