昉·星光系列课程16：昉·星光开发板机器人舵机控制
本次课程为昉·星光开发板IoT开发系列课程的第十六讲，将带领同学们在昉·星光开发板上，通舵机控制板，实现机器人舵机控制。
本次课程，在昉·星光开发板V1和V2上，操作步骤相同。
一、学习目标
- 学习昉·星光开发板通过 PCA9685 舵机控制板，实现两个自由度方向的机器人舵机控制。
二、准备工作
在开始本次课程的实际操作之前，同学们需要做好一些准备工作，课程中涉及到的硬件如下：
- 开发板：昉·星光开发板
- 舵机控制板：PCA9685 16路舵机控制板
- 机器人平台：底座、支架、及两个DS3120 20KG舵机
- 数字电源：5V数字电源
- 杜邦线：若干
三、舵机控制原理
在本次课程中，使用PCA9685控制机器人舵机。
舵机的核心是直流电机，通过电位器和齿轮，当输入不同的PWM（脉冲宽度调制）信号时，就能实现不同的转动角度。通常标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20ms（50Hz），理论上脉宽分布应在1ms到 2ms之间，但是，实际上脉宽预期0.5ms到2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°〜180°相对应。由于舵机生产厂家不同，对于同一信号 ，不同牌子的舵机旋转的角度也会有所不同。本次课程中，使用的为DS3120 20KG舵机，可以用60Hz的WPM信号进行控制。
一个舵机，通常会有三个引脚，分别为电源+、接地GND、控制信号PWM：
由于控制舵机本质上是控制其内部直流电机的运转，而直流电机需要的电流通常会超过开发板的GPIO口输出电流，所以使用的舵机的时候，一般都需要专门的外接电源来给舵机进行供电，以免烧坏开发板。
在进行机器人设计的时候，往往需要相当多的舵机，来实现不同部位的动作，如果都连接到开发板，可能会引脚不够，所以在控制舵机的时候，一般都会使用舵机控制板。
本次课程中，使用的是PCA9685 16路舵机控制板，具体如下：
这个舵机控制板，与开发板连接使用I2C接口，使用4个GPIO即可进行通讯，而通过它能够控制16个舵机。在实际使用中，还可以通过将多个控制板串联起来，实现更多的舵机控制。
四、实物连线
首先，参考下图，将温度传感器和LED到昉·星光开发板：
实物连接如下：
本次课程中使用的机器人平台，一共有两个舵机，将其分别连接到舵机控制板的0、1接口即可。
连接完成后，需要使用如下的指令，检查确保舵机控制板连接无误：
上图中输出结果的 40，表示 PCA9685 的默认I2C地址0x40，说明连接无误。
注意：
- 应根据实际使用的传感器，确定供电电压。本次课程中使用的模块使用5V供电电压。
- 另外还需要使用数字电源，给舵机控制板进行供电。
- 舵机控制板上，VCC用于连接星光派开发板的5V输出引脚，V+用于连接数字电源的5V输出，不能弄错。
- 如果控制的舵机需要更高的电压，可以使用绿色供电端子供电，电压根据实际需要，可为6~12V。
五、代码编写
在Python程序中，我们可以通过第三方库 PCA9685-driver ，来与PCA9685舵机控制板通信，实现对舵机的控制。
首先，我们编写如下的程序 robot_test.py：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/robot/robot_test.py
from pca9685_driver import Device
import time
SERVOMIN = 150
SERVOMAX = 650
# 0x40 from i2cdetect -y -r 0
dev = Device(0x40, bus_number=0)
# set the pwm frequency (Hz)
dev.set_pwm_frequency(60)
dev.set_pwm(0, SERVOMIN)
dev.set_pwm(1, SERVOMIN)
while True:
for i in range(SERVOMIN,SERVOMAX,1):
print(i)
duty = i
dev.set_pwm(0, duty)
dev.set_pwm(1, duty)
time.sleep(0.01)
for i in range(SERVOMAX,SERVOMIN,-1):
print(i)
duty = i
dev.set_pwm(0, duty)
dev.set_pwm(1, duty)
time.sleep(0.01)
在上述代码中，首先定义了舵机控制的PWM上下限范围150~650，对应0~180°。
然后使用 pca9685_driver 初始化舵机控制板，设置PWM频率为60Hz，并设置0路和1路都为最小值。
而在最后的循环中，先将舵机的角度从小到大变化，再从大到小变化，并持续循环。
六、运行效果
要运行以上的程序，还需要安装相应的支持库，具体如下：
# 安装扩展库
sudo pip install PCA9685-driver
编写完成后，运行 robot_test.py，就可以看到舵机的动作了。
python3 robot_test.py
实际动作情况，可查看B站视频：https://www.bilibili.com/video/BV1es4y1v7qL/
在上面程序的基础上，我们可以设计一个更实用的程序。
下面的实例，是在上层舵机上，贴上了一个小人。我们的程序，让小人分别前方、左则、右则的"观众"鞠躬感谢，最后面向前方。
具体的代码如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/robot/robot_test.py
from pca9685_driver import Device
import time
SERVOMIN = 150
SERVOMAX = 650
SERVOMID = int((SERVOMIN+SERVOMAX)/2)
# 0x40 from i2cdetect -y -r 0
dev = Device(0x40, bus_number=0)
# set the pwm frequency (Hz)
dev.set_pwm_frequency(60)
dev.set_pwm(0, SERVOMID)
dev.set_pwm(1, SERVOMID)
time.sleep(1)
if __name__ == '__main__':
for i in [SERVOMID, SERVOMIN, SERVOMAX]:
dev.set_pwm(0, i)
time.sleep(0.5)
for j in range(SERVOMID,SERVOMAX):
dev.set_pwm(1, j)
time.sleep(0.01)
for j in range(SERVOMAX,SERVOMID,-1):
dev.set_pwm(1, j)
time.sleep(0.01)
time.sleep(2)
dev.set_pwm(0, SERVOMID)
编写完成后，运行 robot_test2.py，就可以看到舵机上小人的实际动作了。
python3 robot_test2.py
实际动作情况，可查看B站视频：https://www.bilibili.com/video/BV1wN411k7Rp/
七、总结
在本次课程中，我们学习了通舵机控制板，实现机器人舵机控制，来实现特定的动作。
因为PCA9685舵机控制板可以控制多达16路舵机，多个级联还能控制更多，所以在涉及到机器人舵机应用的场合中应用广泛。
如果我们有4个舵机，配合适当的辅助器材，就可以实现简单的机器人前进和后退。当然，要实现稳定的控制，需要使用专门的算法进行控制。
八、课后作业
- 了解舵机和舵机控制板的知识
- 结合其他传感器和模块，进行传感器信息的发布，以及控制风扇电机的运转。
- 编写程序，控制舵机，控制舵机上固定的笔，画出不同长度的圆弧。
- 编写程序，控制舵机，控制舵机上固定的棉签，从左侧的瓶中沾染墨水，然后将沾染的墨水转运到右则的清水中