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树莓派+.NET MF打造视频监控智能车——控制篇(.NET MF)

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白丁

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发表于 2014-7-11 22:00:21 |显示全部楼层
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。

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。

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:

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 = new OutputPort(pins, 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 = new PWM(motor_chanels, frequency, dutyCycle, false);        motor_pwm.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 = y;                if (e.y < 128)                {                    //前进                    for (int i = 0; i < In.Length; i++) In.Write(states2);                    //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.Write(states1);                    //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.DutyCycle = (values / 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 = new PWM(steering_chanels, periods, durations, PWM.ScaleFactor.Microseconds, false);        steering_pwm.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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