用Python开发四足机器蜘蛛(三)

用Python开发四足机器蜘蛛(三)

David Zou

大家好，我是David。今天我们要将8个舵机连接到驱动板上，并用uPYBoord板进行舵机校准和调试。

舵机的控制原理：

舵机是一种位置伺服的驱动器，与马达不同，我们需要马达提供的是旋转，控制的是转速和方向。而舵机不需要整圈的旋转，需要的是旋转角度并维持住。一般舵机旋转的角度范围是0 度到180 度。舵机引线为3线，分别用棕、红、橙三种颜色进行区分，舵机品牌和生产厂家不同，会有些许差异，使用之前需查看资料。我们使用的是最常见的舵机，棕、红、橙分别对应"电源负极，电源正极，控制信号"。

厂家给出的技术数据：

舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，橙色的控制线是用来传送脉冲的。脉冲的参数有最小值，最大值，和频率。一般而言，舵机的基准信号周期为20ms，理论上脉宽分布应在1ms到2ms 之间，但是，实际上脉宽可由0.5ms 到2.5ms 之间，脉宽和舵机的转角0°～180°相对应。如下图：

舵机会根据脉冲宽度旋转至对应的角度，但要维持指定的角度，就需要不停的送相同脉宽的信号：

有一点值得注意的地方，由于舵机牌子和生产批次的不同，对于同一信号，不同牌子和生产批次的舵机旋转的角度也会有所不同。因此，为了能准确定位角度，需要对脉宽的值进行调校。

安装舵机驱动板：

舵机驱动板我们采用的是一块16路驱动板。如图：

首先将主框架上的螺丝孔用1.5的钻头清理通畅，找双面胶粘在驱动板的背后，将驱动板按照图中主框架前后方向粘好，注意：驱动板是要安装在主框架的背面，驱动板的安装孔要对准螺丝孔，控制接口插针朝向框架尾部。确认位置无误后，使用1.7x6的自攻螺丝拧紧固定驱动板。

在板上还可看到0-15的通道号，以及黄红黑三色插针。对于每个通道，黑色插针为舵机电源负极，红色插针对应舵机电源正极，黄色插针对应舵机控制信号。因此，将舵机插头以棕色对准黑针，橙色对准黄针的方向，按照下图所标通道号，插入驱动板上对应的通道接口。

至此完成舵机的接线，由于接线较多，请反复检查各个舵机对应的通道号及方向是否正确。

连接uPYBoard和舵机驱动板：

首先，找5根杜邦线依次插上舵机板后端插针上，OE插针不接。杜邦线另一端按照下图接在uPYBoard板的对应插针上。

请务必认真反复检查接线对应关系，细心和耐心是创客应该培养的基本素质。

uPYBoard控制板，舵机驱动板，舵机，三者连接关系如下图：

舵机的校准及固定：

以上接线准确后，我们准备要校准舵机了。由于我们使用的是USB接口通过uPYBoard给舵机驱动板供电，计算机的USB口无法给8只舵机一起供电，这会烧掉USB口的。为避免不必要的损失，这里有三种方案：

1 舵机驱动板上有个绿色的带螺丝接线的电源口，你可以找另找一个5V直流电源通过这个接线口供电。

2 将uPYBoard板通过带外部电源的USB HUB设备连接到计算机。

3 暂时拔掉7个舵机的接线，驱动板每次只接一个舵机，一个一个校准。

无论哪种方案，都不要直接将连着8只舵机的驱动板和uPYBoard板直接和计算机相连，以免电流过大，损坏USB口。

下面，我们默认使用第三方案来校准舵机。拔掉所有舵机连线，只保留0号通道的主框架右后舵机的连线。

按照《玩转microPython》的方法将uPYBoard控制板连接到计算机，并打开REPL控制台。将我编写的pca9685.py文件拷贝到PYBFLASH盘中，等待uPYBoard板上红灯熄灭。将一摇臂安在0号通道连接的舵机上，用于观察舵机旋转角度。在REPL中输入如下程序：

如果没有报错，说明变量pca已经获得了舵机驱动板的实例。我们可以通过pca来操作驱动板了。

控制舵机时，我们需要产生和角度相对应宽度的脉冲。而产生指定宽度脉冲的函数就是：

setPWM(channel, on, off)，其中channel就是通道号0-15中的一个。on和off又是什么呢？还记得我们产生脉冲的周期是20ms吗，为了维持舵机角度稳定，我们必须不停的给舵机脉冲信号，每个脉冲周期是20ms，现在将这20ms的时间分成4096份，用一个计数器计数(0 - 4095)，当计数器计数到on指定的数的时候，开始产生正脉冲，直到计数器计数到off指定的数的时候，我们就结束这个脉冲，这样，off 减去 on的计数值就可以确定脉冲宽度了。如下图：

为了方便计算，我们一般将on的值为0，这样off的值就是脉冲的宽度值了。这就是控制脉宽的原理。而我们现在要做的，就是要找到0°时对应的脉宽值，90°时对应的脉宽值以及180°时对应的脉宽值。

在上面的语句执行无误后，接下来，我们输入如下语句：

这会产生一个比较中间的脉宽，让舵机旋转到靠近中点（90°）左右的地方，观察舵机是否转动，如果没有任何动静，请检查舵机连线是否正确。

在舵机正常转动后，我们可以逐渐减小300那个数值，先以50为单位减小，再以20为单位减小。注意观察舵机是否转到头已经听一听舵机是否发出异响。如果听到异响，说明舵机不但已经转到头而且还超出机械允许的范围，此时，必须赶紧增大数值，以免损坏舵机。

脉宽数值的确定以10为单位即可，没必要非常精确到个位值。找到最小数值后，也就是0°对应的脉宽数值，记下这个值备用。在最小值的情况下，也要记下舵机摇臂的位置，找最大值时看是否摇臂旋转约180°了。找最大值，我们先回到中心值，再逐渐增大数值，观察摇臂旋转程度，及听舵机是否有异响。同样，遇到异响，要赶快回到上一个数值。

寻找中间值（90°），从理论上说，知道最大和最小值，它们的差的一半就应该是中间值了。这样也没什么不可以，不过实际观察摇臂的旋转，可能会有偏差，让我们设定90°时，产生较大误差。另外，机械齿轮间会有误差，如果，只确定两端的数值，误差累计较大，我们再确定一个中间数值，分段设置，会减小一半的累计误差。因此，按照之前的方法，我从两端（0°和180°）开始找中间90°对应的脉宽值，这个过程我就不废话了。

假设，我们现在得到了0号通道舵机的三个脉宽值：140(0°)，550(180°)， 345(90°)三个数。输入如下语句来设置0通道的校准值。

检验无误的话，0号通道舵机校准完成。按照以上步骤，依次校准8个舵机，并记录其3个参数。注意，所有8个舵机的校准参数一定要记录下来，后面还有用。

完成腿部舵机组装：

校准完成后，请将主框架上的0，6，8，14号通道舵机旋转角度分别设置为135°，45°，45°，135°：

将腿部关节部件以垂直主框架向两侧伸展的角度，安装在主框架四个舵机上。如下图：

将四条腿部的舵机2，4，10，12号通道，分别设置为45°，135°，135°，45°：

将腿部与地面水平背靠背的安装在四个腿关节上。如图：

再次检查各个舵机连接对应的通道号是否正确。验证无误后，使用8颗2.0x12的自攻螺丝垂直于腿关节上螺丝孔处拧入固定。

最后，将舵机线整理捆扎后，盖上腹部收纳舱盖。收纳舱盖使用4颗1.7x8的螺丝拧紧。

今天的工作全部完成，收工。请继续关注：创客DIY乐园(MakerDIY-Park)