Arduino 第十二章：舵机
一、舵机概述
舵机是一种常见的执行机构，在机器人、航模、自动化控制等领域应用广泛。它能够根据输入信号精确地控制转动角度，具有控制简单、精度较高、扭矩较大等优点。舵机通常由直流电机、减速齿轮组、角度传感器和控制电路组成。
二、工作原理
舵机的控制基于脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation）信号。控制信号是一个周期性的脉冲序列，周期一般为 20ms（50Hz），而舵机的转动角度由脉冲的高电平持续时间（脉冲宽度）决定。常见的舵机转动角度范围是 0° - 180°，对应脉冲宽度范围通常为 0.5ms - 2.5ms，具体对应关系如下：
- 脉冲宽度为 0.5ms 时，舵机转到 0°位置。
- 脉冲宽度为 1.5ms 时，舵机转到 90°位置。
- 脉冲宽度为 2.5ms 时，舵机转到 180°位置。
舵机内部的控制电路会根据输入的脉冲宽度，调整直流电机的转动方向和角度，同时角度传感器会实时反馈舵机的实际角度，形成闭环控制，确保舵机准确到达指定位置。
三、硬件连接
（一）所需材料
- Arduino 开发板（如 Arduino Uno）
- 舵机
- 杜邦线若干
（二）引脚说明
舵机一般有三根线：
- 红色线：电源正极，通常接 5V。
- 棕色线（或黑色线）：电源负极，接地（GND）。
- 橙色线（或黄色线）：控制信号线，连接到 Arduino 的一个数字引脚。
（三）连接方式
将舵机的红色线连接到 Arduino 的 5V 引脚，棕色线连接到 Arduino 的 GND 引脚，橙色线连接到 Arduino 的一个数字引脚，这里选择数字引脚 2。
（四）连接图
四、代码实现
（一）使用 Servo 库
Arduino 提供了 Servo 库，方便我们控制舵机。以下是一个简单的示例代码，让舵机在 0° - 180°之间来回转动：
#include <Servo.h>// 创建一个舵机对象
Servo myServo;// 定义舵机控制引脚
const int servoPin = 2;void setup() {// 将舵机控制引脚连接到舵机对象myServo.attach(servoPin);
}void loop() {// 舵机从 0° 转到 180°for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {myServo.write(angle);delay(15);}// 舵机从 180° 转到 0°for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {myServo.write(angle);delay(15);}
}
（二）代码解释
- 库的引入：
#include <Servo.h>：引入Servo库，该库提供了控制舵机的函数和方法。
- 变量定义：
Servo myServo;：创建一个Servo类的对象myServo，用于控制舵机。const int servoPin = 9;：定义舵机控制信号线连接到 Arduino 的数字引脚 9。
setup()函数：myServo.attach(servoPin);：将舵机对象myServo与指定的控制引脚servoPin关联起来。
loop()函数：- 第一个
for循环：for (int angle = 0; angle <= 180; angle++)，让舵机从 0° 逐渐转动到 180°。myServo.write(angle);函数用于设置舵机的转动角度，delay(15);用于控制舵机转动的速度，避免转动过快。 - 第二个
for循环：for (int angle = 180; angle >= 0; angle--)，让舵机从 180° 逐渐转动到 0°。
- 第一个
五、注意事项
- 电源供应：舵机在转动时需要较大的电流，特别是在启动和负载较大的情况下。如果直接使用 Arduino 的 5V 引脚为舵机供电，可能会导致 Arduino 电源不足，影响其正常工作。可以使用外部电源为舵机供电，但要注意将外部电源的地与 Arduino 的地连接在一起，以保证信号的一致性。
- 角度范围：不同型号的舵机转动角度范围可能有所不同，大多数舵机是 0° - 180°，但也有一些舵机可以达到 270° 甚至连续旋转。在使用时要根据舵机的实际规格进行设置。
- 负载能力：舵机有一定的负载能力，在使用时要确保负载不超过舵机的额定扭矩，否则可能会导致舵机无法正常转动或损坏。
六、应用拓展
（一）机器人关节控制
在机器人的设计中，舵机可以作为关节的驱动部件，通过控制多个舵机的转动角度，实现机器人的各种动作，如手臂的伸展、弯曲，腿部的行走等。
（二）航模控制
在航模（如飞机、轮船、汽车模型等）中，舵机用于控制模型的舵面（如机翼、尾翼等），实现模型的转向、升降等操作。
（三）自动化设备
在一些自动化设备中，舵机可以用于控制阀门的开关、物料的抓取和放置等操作，实现自动化生产和控制。
