嵌入式人工智能（17-基于树莓派4B的电机控制-伺服电机SG90）

伺服电机主要适用于角度需要不断变化且可以保持的控制系统，常见的机械臂、多足机器人、遥
控船、摄像头云台等都可以使用伺服电机来实现。

1、简介

伺服电动机又被称为执行电动机、舵机，如图9.4所示，是由直流电机、减速齿轮组、电位器和控制电路组成的，封装在一个便于安装的外壳里，其主要作用是根据输入信号准确地转动到设定的角度。在自动控制系统中，通常用作执行元件，把接收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。当给伺服电机地信号零电压时会出现无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
通常情况下，伺服电机有3个输入引脚，GND(棕色、黑色)、VCC(红色)和 Signal(控制线、信号线，一般为橘色)，中间的一条通常为电源线。

可以通过树莓派连接控制线，并发送一个PWM信号控制伺服电机转动到一个固定角度。这个PWM信号必须周期性发送，否则伺服电机就会转到一个
任意的角度。通常控制伺服电机的PWM 信号周期为20ms(50Hz),宽度在0.5~2.5ms(对应最小角度0°和最大角度180°)，以周期为20ms、最大角度为180°为例的伺服电机为例。

由于RPiGPIO库只提供了控制PWM 信号占空比的功能，所以要将伺服电机旋转到指定的角度
就需要计算出对应的占空比，可以得出一个公式用于计算占空比(duty):

例如:如果转动的角度 direction为36°，代入公式中可得占空比为4.5%。

2、实验代码

控制sg90舵机旋转也比较简单，只需要给它输出PWM波，修改占空比就可以调整角度。这个和直流电机的PWM调制类似，只不过直流电机无法控制旋转的角度，只能控制旋转速度，而伺服电机可以精准的控制旋转的角度。SG90舵机的VCC接3.3V供电不足，要接5V供电引脚。

# 引入RPi.GPIO库
import RPi.GPIO as GPIO

# 指定编号方式为BOARD
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 定义接口
signal = 37
# 设置输出模式
GPIO.setup(signal, GPIO.OUT)

# PWM信号频率（1000/周期T）
frequency = 50

# 创建PWM对象，并设置频率为50
pwm = GPIO.PWM(signal, frequency)


def get_duty(direction):
    """计算占空比"""
    # 如果转化为百分数，使用ChangeDutyCycle()方法时还需再转化回来
    duty = (1 / 18) * direction + 2.5
    return duty

if __name__ == '__main__':
    try:
        # 启动PWM，并设置初始占空比0
        pwm.start(0)
        while True:
            # 输入一个角度
            # 应该先判断用户输入是否合法
            # 计算占空比
            direction = float(input("Pleas input a direction between 0 an 180:"))
            duty = get_duty(direction)
            # 改变PWM占空比
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
    except Exception as e:
        print('An exception has happened', e)

    finally:    
        # 停止PWM
        pwm.stop()
        # 结束进程，释放GPIO引脚
        GPIO.cleanup()

3、PCA9685

如果要驱动多个舵机，控制机械臂、摄像头云台等，为了防止占用过多的GPIO端口，可以使用PCA9685模块来驱动多个舵机。

PCA9685是一款基于I²C总线通信的12位精度16通道PWM波输出的芯片，该芯片最初由NXP推出时主要面向LED开关调光，同样可用于控制舵机、电机等任何可以适用PWM控制的电气设备。

利用I²C总线通信的功能特性，使其常用于拓展主控芯片的控制能力，因为其仅需两根线同主机芯片建立I²C通信，即可替代主控芯片的GPIO引脚来输出PWM波，节省主控芯片资源，这项特点在需要控制的设备数量超过主控芯片的可用GPIO引脚数量时将尤为突出。

供电部分
大多数的舵机设计电压都是在5~6V，尤其在多个舵机同时运行时，跟需要有大功率的电源供电。如果直接使用5V或3.3V引脚直接为舵机供电，会出现一些难以预测的问题，所以需要合适的外部电源为驱动板供电。外部电源通常5-7V或稍微高点也可以，接中央部分的绿色V+和GND。

4、安装adafruit_pca9685驱动多个舵机代码

# sudo pip3 install adafruit-blinka
# sudo pip3 install adafruit-circuitpython-pca9685
# sudo pip3 install adafruit-circuitpython-servokit

import time

from adafruit_pca9685 import PCA9685
from board import SCL, SDA
import busio
from adafruit_motor import servo


i2c_bus = busio.I2C(SCL, SDA)
pwm = PCA9685(i2c_bus)                                     # 使用默认地址初始化PWM设备

pwm.frequency = 50                                         # 将频率设置为50 Hz

servo_12 = servo.Servo(pwm.channels[12])                   # 指定第12通道的舵机（从0开始）
servo_15 = servo.Servo(pwm.channels[15])                   # 指定第15通道的舵机


print('Moving servo on channel 0, press Ctrl-C to quit...')
servo_12.angle = 90
servo_15.angle = 90
while True:
    # 伺服电机转动最小角度和最大角度
    servo_12.angle = 0
    servo_15.angle = 0
    time.sleep(1)
    servo_12.angle = 0
    servo_15.angle = 180
    time.sleep(1)