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

中圖分類號:TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0073-03

Design of Multi-channel Servo Controller

HUO Li-xia1， LUO Wei-bing2， CHI Xiao-peng1

(1. Post-graduate Management Team， Engineering College of CAPF， Xi’an 710086， China;

2. Department of Communication Engineering， Engineering College of CAPF， Xi’an 710086， China)

Abstract: In order to realize the control of the robot and the unmanned aircraft， a method of generating control signals by a servo microprocessor is proposed in this paper. Taking the AT89C52 single chip microcomputer as a control chip， eight steering servo control pulse is realized by the method， which can be widely used in robotics， unmanned aircraft and other control systems. In order to meet the needs of real-time control， a simple communication protocol is designed according to the communication requirement of the uper computer and the lower computer.

Keywords: robot; servo controller; multi-channel; communication protocol

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[1]。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[2]。

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。

圖1 一種9克舵機(jī)

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[3]，如圖2所示。

圖2 單路舵機(jī)控制信號波形

其中脈沖寬度從0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[4]。

圖3 舵機(jī)脈寬—轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

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)[5-6]，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)[7]。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1/12 μs，而它的一個(gè)機(jī)器周期則是12×(1/12)=1 μs。如果舵機(jī)的有效行程為(°)/10 μs，其控制的角度定時(shí)精度是可以達(dá)到1 μs，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P1.0～P1.7端口為控制輸出，8路舵機(jī)控制脈沖[8]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。

圖4 8路舵機(jī)控制脈沖

圖5 程序流程圖

中斷復(fù)位程序依次修改各個(gè)通道對應(yīng)I/O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[9]，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 F0”時(shí)，則表示CH1~CH4通道都居中，CH5，CH6為+30°;CH7，CH8為-30°。

圖6 單通道信令格式

圖7 多通道信令格式

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)。

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