树莓派+.NET MF打造视频监控智能车——控制篇(.NET MF)

作者: 叶帆风
上传时间为: 2014-07-11 10:00 PM
2014-07-11
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在上一篇《遥控篇》文章中,我们介绍了Sony PS2手柄信号的采集和编程,通过简单的封装,以事件的方式向我们提供按键信息。本篇文章主要介绍.NET Micro Framework系统接受到按键信息后,如何驱动小车马达和控制机械手的。

无论是驱动小车马达还是控制机械手,都是通过输出PWM来控制的,只是控制PWM输出的方式有些不同而已,我们先介绍一下小车马达的控制。

由于驱动马达需要相对比较大的电流,所以主芯片的IO是无法直接驱动的,中间需要连接一个驱动器。也就是说主芯片输出PWM控制驱动器,由驱动器输出大电流来驱动马达。

一般情况下一个驱动器可以驱动两路马达,而驱动一个马达一般需要两路信号,通过控制两路PWM的输出,来控制马达的转速和方向。我们这款小车选用的是一个带光电隔离,高功率的一个驱动器,一路马达,需要三路IO控制,其中2路是控制方向,一路输出PWM控制小车的转速。驱动器马达

一个驱动器模块,需要4个GPIO(控制方向)2路PWM,加上一路3V3和GND,共8路,我们采用标准.NET Gadgeteer接口进行连接(10个pin:1个3V3,1个5V,1个GND,7个GPIO通道),可以直接插入凌霄开发板上的两个.NET Gadgeteer接口上,接线显的简单直接(上图所示的两个扁平电缆就是)。

机械手控制就更为容易了,一个舵机三根线,电源(5V),地和信号线(PWM),三个舵机,一共需要3路PWM输出控制。注意电源也需要特别提供。PWM由凌霄开发板IO直接输出。机械手控制

下面介绍一下.NET Micro Framework的PWM接口函数类。

public class PWM : IDisposable
    {
        public PWM(Cpu.PWMChannel channel, double frequency_Hz, double dutyCycle, bool invert);
        public PWM(Cpu.PWMChannel channel, uint period, uint duration, PWM.ScaleFactor scale, bool invert);
        public uint Duration { get; set; }
        public double DutyCycle { get; set; }
        public double Frequency { get; set; }
        public uint Period { get; set; }
        public void Start();
       public void Stop();
      //… 省略一些非主要函数
   }

两个构造函数,分别介绍一下。

PWM(Cpu.PWMChannel channel, double frequency_Hz, double dutyCycle, bool invert);

channel – 通道,不同的系统,支持的通道个数不同,比如凌霄系统支持16路,应该算比较多的。

frequency_Hz – 频率,单位是Hz,发出脉冲的频率值。

dutyCycle – 占空比, 一个0~1之间的数,表示一个周期中,高电平持续时间和整个周期的比值。

Invert – 信号翻转,高低电平翻转切换,一般底层都没有处理该参数,所以一般设置为false。

public PWM(Cpu.PWMChannel channel, uint period, uint duration, PWM.ScaleFactor scale, bool invert);

channel – 通道。

period – 周期。单位和scale的选项一致。

duration – 高电平持续时间,单位和周期一致。

scale – 周期的时间单位,可以是毫秒、微秒、纳秒,建议选择微秒。

Invert – 信号翻转。

第一个构造函数,一般控制马达用,参数设置显的比较直观。频率可以是1K~250KHz(建议10K左右),通过设置占空比的大小(0就是停止,1就是全速),来进行调速。

第二个构造函数,适合控制舵机用,舵机典型的控制曲线如下:舵机典型的控制曲线

F就是所谓的周期了,如果我们设置scale为微秒,则可以直接设置为20000,所谓的脉宽就是duration的值,你可以设置为1000~2000之间(不同舵机,这个区域的值会有不同,请根据实际进行调整)。

有了以上的介绍,我们就可以很容易地完成马达驱动和舵机控制了。

A.驱动马达

马达驱动控制参数定义:   

static PWM[] motor_pwm = new PWM[4];
static double[] frequency = new double[] { 10000, 10000, 10000, 10000 };
static double[] dutyCycle = new double[] { 0, 0, 0, 0};
static bool[] states1 = new bool[] { true, false, true, false, true, false, true, false };
static bool[] states2 = new bool[] { false, true, false, true, false, true, false, true };
static OutputPort[] In = new OutputPort[8];
马达驱动初始化:
    //初始化马达控制
    //方向IO
    Cpu.Pin[] pins = new Cpu.Pin[] { Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin4, Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin5, Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin6, Mainboard.Gadgeteer.Socket2.Pin7,
                                        Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin4, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin5, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin6, Mainboard.Gadgeteer.Socket1.Pin7};
    for (int i = 0; i < In.Length; i++)
    {
        In[i] = new OutputPort(pins[i], false);
    }
    //马达速度PWM输出
    Cpu.PWMChannel[] motor_chanels = new Cpu.PWMChannel[] { Mainboard.PWM.Channel13, Mainboard.PWM.Channel14, Mainboard.PWM.Channel2, Mainboard.PWM.Channel3 };
    for (int i = 0; i < motor_pwm.Length; i++)
    {
        motor_pwm[i] = new PWM(motor_chanels[i], frequency[i], dutyCycle[i], false);
        motor_pwm[i].Start();
    }

马达控制:

在Sony PS2的事件代码中,我们填写如下代码:

static void ps2_Click(object sender, PS2.ButtonArgs e)
    {
if(e.key == PS2.Key.RRocker)
        {
            PS2 ps2 = (PS2)sender;
            PS2.ButtonArgs button = ps2.GetButton(PS2.Key.L2);
            if (button.state == 1) //L2按下
            {
                byte[] buffer = new byte[] { 0xAA, (byte)e.x, (byte)e.y, 0x55 };
                piPort.Write(buffer, 0, 4);
                piPort.Flush();
                //左右旋转
                steering_pwm[3].Duration = (UInt32)(durations[3] + (128 - e.x) * 5);
                //上下旋转
                steering_pwm[4].Duration = (UInt32)(durations[4] + (128 - e.y) * 5);
            }
            Else  //L2抬起
            {
                //小车运动
                UInt32[] values = new UInt32[4];
                UInt32 x = (UInt32)(System.Math.Abs(e.x - 128));
                UInt32 y = (UInt32)(System.Math.Abs(e.y - 128));
                for (int i = 0; i < values.Length; i++) values[i] = y;
                if (e.y < 128)
                {
                    //前进
                    for (int i = 0; i < In.Length; i++) In[i].Write(states2[i]);
                    //拐弯
                    if (x > 30)
                    {
                        if (e.x < 128)
                        {
                            values[2] = x;
                            values[3] = x;
                        }
                        else
                        {
                            values[0] = x;
                            values[1] = x;
                        }
                    }
                }
                else
                {
                    //后退
                    for (int i = 0; i < In.Length; i++) In[i].Write(states1[i]);
                    //拐弯
                    if (x > 30)
                    {
                        if (e.x < 128)
                        {
                            values[0] = x;
                            values[1] = x;
                        }
                        else
                        {
                            values[2] = x;
                            values[3] = x;
                        }
                    }
                }
                //设置占空比
                for (int i = 0; i < motor_pwm.Length; i++) motor_pwm[i].DutyCycle = (values[i] / 128.0);
            }
        }
    }

B、驱动舵机

舵机参数定义:

static PWM[] steering_pwm = new PWM[5];
static UInt32[] periods = new UInt32[] { 20000, 20000, 20000, 20000, 20000 };//周期        
static UInt32[] durations = new UInt32[] { 1390, 1500, 1390, 1550, 1420 };   //脉宽

舵机初始化:

Cpu.PWMChannel[] steering_chanels = new Cpu.PWMChannel[] { Mainboard.PWM.Channel8, Mainboard.PWM.Channel9, Mainboard.PWM.Channel6, Mainboard.PWM.Channel0, Mainboard.PWM.Channel4 };
    for (int i = 0; i < steering_pwm.Length; i++)
    {
        steering_pwm[i] = new PWM(steering_chanels[i], periods[i], durations[i], PWM.ScaleFactor.Microseconds, false);
        steering_pwm[i].Start();
    }

舵机控制:

static void ps2_Click(object sender, PS2.ButtonArgs e)
    {
       if (e.key == PS2.Key.LRocker) //左摇杆事件
        {
            //控制机械臂左右旋转
            steering_pwm[0].Duration = (UInt32)(durations[0] + (128 - e.x) * 5);
            //控制机械臂上下旋转
            steering_pwm[1].Duration = (UInt32)(durations[1] + (128 - e.y) * 5);
        }
        else if (e.key == PS2.Key.R2)  //按下右R2键
        {
            //打开钳子
            value += 10; if (value > 255) value = 255;
            steering_pwm[2].Duration = (UInt32)(durations[2] + (value - 128) * 5);
        }
        else if (e.key == PS2.Key.R1)  //按下右R1键
        {
            //闭合钳子
            value -= 10;if (value < 0) value = 0;
            steering_pwm[2].Duration = (UInt32)(durations[2] + (value - 128) * 5);
        }
     }

C、视频演示

小结:

1、 .NET Micro Framework PWM类的设计,非常符合用户的认知和使用习惯,可以非常方便地实现相应功能。

2、 通过VS2010/VS2012在线调试,可以快速地测试出合适的控制值。

3、 以上代码大概十几分钟就可以完成,充分体现了.NET Micro Framework快速开发的特性。

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