【正文】 課 題： 基于單片機的舵機控制裝置 的設計 — 軟件設計部分 姓 名： 錢曉英 班 級： P312110 學 號： 01 指導老師： 林方聰 2021 年 5 月 浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文設計 2 目 錄 引言 一、 舵機概述 二、 舵機的結(jié)構(gòu)和控制 三、 單片機控制原理 四、 系統(tǒng)軟件設計 位置環(huán)設計 速度反饋 電流反饋 4 、試驗結(jié)果 五、 結(jié)語 參考文獻 浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文設計 3 引 言 舵機作為無人機制導系統(tǒng)的主要組成部分，是操縱機動飛行 的重要執(zhí)行機構(gòu)。舵機的作用是根據(jù)飛行器制導控制電路輸出的一定大小和極性的信號，操縱無人機的舵面或副翼或改變發(fā)動機的推力矢量，控制舵面按要求快速、精確的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)舵機控制的各項指標，以達到對無人機的飛行穩(wěn)定控制。飛行器經(jīng)過近半個多世紀的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)漸已成熟，但輸出力巨大，響應速度快，控制精度高，體積小，重量輕，高可靠性始終是無人機舵機發(fā)展的目標。 PLC 單片機的突出特點是體積小，功耗低，、指令集精簡，抗干擾性好，有較強的模擬接口，代碼保密性好，其兼容的 Flash 程序儲存器，支持低電壓快速擦寫，程序修改方便。 在一些小型的應用中比傳統(tǒng)的 51 單片機更靈活，外圍電路更少，因而得到了廣泛應用。在無人機舵機控制系統(tǒng)的設計中， PLC 單片機很好的滿足了其小體積限制，抗干擾高，功耗低等要求。 本文介紹以 PLC 單片機為控制核心的無人機舵機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，并給出了調(diào)試結(jié)果。 浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文設計 4 一、 舵機概述 舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制： ，來控制發(fā)動機的拉力（或推力）； （安裝在飛機 機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動； ，用來控制飛機的俯仰角； ，用來控制飛機的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機的運動狀態(tài)。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。 不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn)。 二、結(jié)構(gòu)和控制 一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計 5k、直流電機、控制電路板等。 工作原理： 控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文設計 5 從而達到目標停止。 舵機的基本結(jié)構(gòu)是這樣，但實現(xiàn)起來有很多種。例如電機就有有刷和無刷之分，齒輪有塑料和金屬之分，輸出軸有滑動和滾動之分，殼體有塑料和鋁合金之分，速度有 快速和慢速之分，體積有大中小三種之分等等，組合不同，價格也千差萬別。例如，其中小舵機一般稱作微舵，同種材料的條件下是中型的一倍多，金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據(jù)需要選用不同類型。 舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這輛根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是 ，一是 ，分別對應不同的轉(zhuǎn)矩標準，即輸出力矩不同， 對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線， Futaba 的一般為白色， JR 的一般為桔黃色。 另外要注意一點， SANWA 的某些型號的舵機引線電源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。 舵機的控制信號為周期是 20ms 的脈寬調(diào)制（ PWM）信號，其中脈沖寬度從 ，相對應舵盤的位置為 0－ 180 度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期 20ms，寬度 的基準信號，有一 個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文設計 6 電機的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過 180 度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當中。比方說機器人的關(guān)節(jié)、飛機的舵面等。 常見的舵機廠家有： 日本的 Futaba、 JR、 SANWA 等，國產(chǎn)的有北京的新幻想、吉林的振華等?，F(xiàn)舉 Futaba S3003 來介紹相關(guān)參數(shù)，以供大家設計時選用。之所以用 3003 是因為這個型號是市場上最常見的，也是價格相對較便宜的一種（以下數(shù)據(jù)摘自 Futaba 產(chǎn)品手冊）。 尺 寸 (Dimensions)： mm 重 量 (Weight)： g 工作速度 (Operating speed)： sec/60176。 () sec/60176。 () 輸出力矩 (Output torque)： () () 由此可見，舵機具有以下一些特點： 體積緊湊，便于安裝； 輸出力矩大，穩(wěn)定性好； 控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口； 正是因為舵機有很多優(yōu)點，所以，現(xiàn) 在不僅僅應用在航模運動中，已經(jīng)擴展到各種機電產(chǎn)品中來，在機器人控制中應用也越來越廣泛。 三、單片機控制原理 正是舵機的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號，所以很方便和數(shù)字系浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文設計 7 統(tǒng)進行接口。只要能產(chǎn)生標準的控制信號的數(shù)字設備都可以用來控制舵機，比方 PLC、單片機等。這里介紹利用 51 系列單片機產(chǎn)生舵機的控制信號來進行控制的方法，編程語言為 C51。之所以介紹這種方法只是因為筆者用 2051 實現(xiàn)過，本著負責的態(tài)度，所以敢在這里寫出來。程序用的是我的四足步行機器人，有刪改。單片機并不是控制舵機的最好的方法，希望在此能起到 拋磚引玉的作用。 2051 有兩個 16 位的內(nèi)部計數(shù)器，我們就用它來產(chǎn)生周期 20 ms的脈沖信號，根據(jù)需要，改變輸出脈寬?；舅悸啡缦拢ㄕ垖φ障旅娴某绦颍? 我用的晶振頻率為 12M， 2051 一個時鐘周期為 12 個晶振周期，正好是 1/1000 ms，計數(shù)器每隔 1/1000 ms 計一次數(shù)。以計數(shù)器 1 為例，先設定脈寬的初始值，程序中初始為 ，在 for 循環(huán)中可以隨時通過改變 a 值來改變，然后設定計數(shù)器計數(shù)初始值為 a，并置輸出 p12為高位。當計數(shù)結(jié)束時，觸發(fā)計數(shù)器溢出中斷函數(shù)，就是 void timer0(void) interrupt 1 using1 ，在子函數(shù)中，改變輸出 p12 為反相（此時跳為低位），在用 20210（代表 20ms 周期）減去高位用的時間 a，就是本周期中低位的時間， c=20210a，并設定此時的計數(shù)器初值為 c，直到定時器再次產(chǎn)生溢出中斷，重復上一過程。 include define uchar unsigned char