多舵机控制在仿人机器人上的应用

舵机是机器人的重要部件。采用一种新颖的利用单片机产生多路控制舵机用PWM的方法，利用单片机内部定时器，分时复用技术，在不增加任何硬件电路的前提下，用单片机实现多达24路PWM输出。该方法取代了传统的使用分立元件产生PWM波的方法，大大减少了分立元器件数目及电路连线，改善了系统可靠性，提高了控制精度，并成功用在17自由度仿人机器人的控制系统中。

1 前言

小型仿人机器人由于控制结构简单，扩展性好，在仿人机器人研究和其他领域正在得到广泛的重视和应用。舵机是小型仿人机器人常用的输出执行机构。它接收一定的控制信号，输出相应的角度。

2 舵机的构造和控制方法

从图1可以看出，舵机主要是由外壳、一个小型直流电机、一组减速齿轮、一个用于检测转角位置的检测电位器和一块控制电路板组成。其中，高速转动的直流电动机提供了原始动力，经过减速齿轮组减速后，通过输出轴对外提供转距，齿轮组的减速比越大，舵机的输出力矩也越大。 标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2所示。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源,电压通常介于4～7.2 V，控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号。当方波的脉冲宽度改变时,舵机的角度发生改变,角度变化与脉冲宽度的变化成正比。机器人用的舵机型号是GM995，其输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3来表示。

舵机标称方波脉冲信号的周期为20ms，事实上舵机角度控制对信号的周期要求很宽松18～20ms均可，实验中发现，在周期为40ms时舵机仍然能够稳定工作。

3 舵机的设计

舵机的控制信号实质是一个脉冲宽度调制信号（PWM）。可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。采用FPGA或CPLD产生PWM波已经在很多重要的场合得到应用，依靠FPGA或CPLD特有的并行处理能力和大量的I/O接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，这种方法可靠、控制精度高，但是FPGA/CPLD用于产生PWM波时，并不具备事务处理能力，实际中还需要MCU协同工作，所以成本较高，适合于重要场合。用模拟电路实现较复杂，不适合多路输出，同时产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确，很难做到对舵机的精确控制。由于单片机具有性能稳定、编程灵活、精度较高、价格低廉等特点，一般采用单片机作为舵机。

最直接的方法就是用单片机本身所带的PWM口产生波形，但该方法受到MCU内部资源的限制，仅能实现2～6路PWM的输出，不适合需要空控制多路舵机的场合。文献《机器人的创意设计与实践》给出一种利用555振荡器产生的脉冲信号进行计数来产生PWM信号的方法。文献《基于AT89C2051的多路舵机设计》给出一种利用定时器中断来产生PWM波信号的方法。文献《用单片机产程7路舵机控制PWM波的方法》分时复用的思想，用单片机产生了7路舵机控制PWM信号，其控制脉冲的周期为14590，控制脉宽为1200～1800，将一个周期均匀划分为7份，在每一个时段控制其中一路输出。缺点占用MCU的许多计算时间，优点是换了控制的高精度。

3.1 舵机硬件电路设计

本文综合以上方案，采用分时复用技术，将一个PWM信号周期（20ms）分成8个时段，每一个时段并行产生3路PWM信号，则一共可以产生24路PWM信号，并且在以PIC16F877A单片机为核心，晶振频率为20M的条件下，所产生的PWM信号控制舵机的最大误差＜1°。

图4为舵机的原理图。该系统是一个典型的集中式控制方式，单片机作为控制的核心部分，完成与上位机通讯，实现对机器人的智能控制；通过IIC总线与EEPROM（24C512）进行数据存取操作实现读写仿人机器人的行为数据；产生24路PWM信号控制舵机；检测机器人的电池电压以及通过LED显示机器人的工作状态。

需要注意的是，舵机在工作的时候会吸入较大电流，多路舵机同时工作时对电源电压造成的波动很大，而舵机的信号电平最好是不要抖动的，因此图4中采用稳压电路对电源Vs进行稳压，否则，实验中发现个别舵机偶尔会产生振荡。

3.2 实现多路PWM信号及舵机调速原理

本文以MICROCHIP公司生产的增强型RISC内载Flash的高性能8位单片机PIC16F877A为主控芯片，晶振频率取值20MHz，则单片机每条指令执行时间为200ns。从图3可以看出，舵机角度变化一度时，脉宽改变为2000/180°=11.1/°，单片机能执行11.1/0.2/条≈55条指令，但是用C语言很难实现在55条指令内一次比较判断完24路舵机的PWM信号。

多路PWM信号产生的机理如图5所示。为了产生精确的时间信号，占用了一个16位硬件计数器，计数基准设为200ns，同时用24个16位匹配寄存器保存每一路PWM信号的计数匹配值，该匹配值正比于舵机的期望角度。24路PWM信号分为8组，每组3路进行分时控制。程序开始时，将第一组PWM信号相应的引脚全置高电平，并且将计数器清零。然后不断查询计数器的值是否与大于或等于匹配寄存器的值，若是的话，将该路PWM信号的引脚置为低电平。每一组PWM信号占用的时隙均为2.5ms（不足2.5ms的延时到2.5ms），这样保证每一路PWM信号的周期。

这种分时控制的方法的最大有点是保证每一路PWM信号的时间误差最小，且不会产生波形的抖动，对于处理速度不是很快的单片机，如MSC-51系列和PIC的中档系列单片机也能产生精确的多路PWM波形；缺点是占用CPU的资源较多，需要一定编程技巧对系统的其他任务进行处理，使得能够在0.5ms～1ms内完成。而事实上，对于PIC16F877A单片机在20M的系统时钟下，1ms内能执行5000条单周期指令，足以处理很多系统的事务，而且上文已经证实PWM的周期可以大于20ms。

4 软件设计

图6给出了多路PWM信号的发生流程图。PA、PB、PC、PD、PE的24个端口均为PWM输出端口，16位定时器1用来和每组的3路PWM信号匹配寄存器进行比较，基准为200nS。

设PIC16F877A的系统时钟频率为f，计数器对系统时钟的分频比为PS，PWM信号的高电平最长时间为Th，对应的最大角度为Amax，则可以的出比例系数：

则对于角度Ad，对应的比较寄存器的数值为:

舵机是一个位置伺服系统，可以对转角进行精确控制，事实上还可以用通过软件生成速度的梯形图，对舵机转动的角速度进行控制。该仿人机器人的行为数据由一组组的“关键帧”数据组成，要求控制各个关节的舵机必须在同一时刻到达行为数据设定的角度，所以对舵机的速度控制提出了比较高的要求。

由于比较寄存器的数值T正比于PWM波的高电平时间，即脉宽。舵机的角度从0度变化到180度，则T的值也应由小变大，因此改变T变化的步进量，则可以改变舵机转动的速度。

假设舵机的目标角度从Ad变化到Ad’，则对应的比较寄存器的数值也从T变化到T’, 程序以PWM的周期，即20ms为一个控制周期，并且以步进量Inc递增或递减比较寄存器的数值，从而控制PWM波的脉宽，因此改变步进量Inc的大小，就改变了舵机转动速度的快慢。即

（3）式中，Inc为步进量,取值从1到255，即舵机的速度有1到255个等级。步进量越大， 需要的控制周期N越小，则在更少的时间内舵机转到期望的角度。

5 结束语

本文成功实现了24路舵机用PWM波的产生，不仅控制精度高，而且实现了对舵机速度的控制。该应用在17自由度小型人形机器人上，达到较好的控制效果，并且具有很好的通用性。