作业2关于四足机器的认识

题目

一）无刷航机 普通航机 数字航机 模拟航机

航机的认识

刷式”电动机具有旋转定子（线圈），其用作具有两个极的电磁铁。外壳是固定的（不移动），因此通常可以在不使用任何螺钉的情况下安装有刷电机。（如图左）

“无刷”电动机使用永磁体并通过电子切换极性而不是刷子来完成切换，因此称为“无刷”。由于移动电机罩，电机通常使用螺钉安装在底座上。

无刷航机电机可以转动是因为电机内线圈产生周期变化的磁场，通过电磁力，使转子转动。线圈内的磁场方向与电流方向有关，每改变一次磁场方向，称之为换向。无刷电机最显著的特征是有三条导线，通过电子调速器控制电机内定子线圈无刷航机特点： 没有碳刷，理论上转子无需与外界有导体上的连接。运行过程中，无刷电机的转数通过交流电频率改变的，因此频率越高无刷电机可以转得越快。无刷电机的转速由KV值设定，1000KV表示每1V电压电机转速加快1000转。因此5V电压，电机转速5000RPM。 在电机旋转时，同转速的电机扭力是靠电调输出的电流强度决定的，电流越大扭力越大。

无刷电机有别于有刷电机，有刷电机通过电机上的电刷和整流子靠机械方式换向，如果电机堵转，则磁场无法换向，电机内电流会持续升高，磁场力也会越来越强；而无刷电机是通过电子调速器换向，即使电机堵转，线圈内的磁场依旧会换向，所以我们在无刷电机转动时捏住转子，会感到电机有抖动感

数字舵机（Digital Servo）和模拟舵机（Analog Servo）在基本的机械结构方面是完全一样的，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成，而数字舵机和模拟舵机的最大区别则体现在控制电路上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器和晶振。不要小看这一点改变，它对提高舵机的性能有着决定性的影响。
原理
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0， 电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。
区别
1.数码舵机在位置准确度方面要高于模拟舵机。
2、在同样标称1.6公斤的舵机面前数码舵机在实际表现中会感觉更加“力气大”而模拟舵机就会“肉”点。
3、模拟舵机由于控制芯片是模拟电路，所以即便是相同型号的舵机会存在小小的性能差异，而数码舵机在一致性方面就非常好。
4、数码舵机一般均采用PID优化算法，所以，线性要好过模拟舵机。
5、对于高灵敏度的控制，建议选择数码舵机，如直升机的控制，高速固定翼飞机，高速滑翔机，比赛用车膜型，云台的控制等
6、对于不是特别需要灵敏度的场合，如低速固定翼（二战飞机，练习机，低速滑翔机等），船模，娱乐用车模等。可以考虑模拟舵机

数码舵机的反应速度为何比模拟舵机快很多模友错误以为：“数码舵机的 PWM 驱动频率 300Hz 比模拟舵机的 50Hz 高
6 倍，则舵机电机转速快 6 倍，所以数码舵机的反应速度就比模拟舵机快 6 倍” 。这里请大家注意占空比的概念，脉宽为每周期有效电平时间，占空比为脉宽/周期的百分比，所以大小与频率无关。占空比决定施加在电机上的电压，在负载转矩不变时，就决定电机转速，与 PWM 的频率无关。

模拟舵机是直流伺服电机控制器芯片一般只能接收 50Hz 频率（周期 20ms）~300Hz 左右的 PWM外部控制信号，太高的频率就无法正常工作了。若 PWM 外部控制信号为 50Hz，则直流伺服电机控制器芯片获得位置信息的分辨时间就是 20ms，比较 PWM 控制信号正比的电压与反馈电位器电压得出差值，该差值经脉宽扩展（占空比改变，改变大小正比于差值

后驱动电机动作，也就是说由于受 PWM 外部控制信号频率限制，最快
20ms 才能对舵机摇臂位置做新的调整。

数码舵机通过 MCU 可以接收比 50Hz 频率（周期 20ms）快得多的 PWM 外部控制信号，就可在更短的时间分辨出 PWM 外部控制信号的位置信息，计算出 PWM 信号占空比正比的电压与反馈电位器电压的差值，去驱动电机动作，做舵机摇臂位置最新调整。

结论：不管是模拟还是数码舵机，在负载转矩不变时，电机转速取决于驱动信号占空比大小而与频率无关。数码舵机可接收更高频率的 PWM 外部控制信号，可在更短的周期时间后获得位置信息，对舵机摇臂位置做最新调整。所以说数码舵机的反应速度比模拟舵机快，而不是驱动电机转速比模拟舵机快。数码舵机的无反应区范围为何比模拟舵机小根据上述对模拟舵机的分析可知模拟舵机约 20ms 才能做一次新调整。而数码舵机以更高频率的 PWM 驱动电机。PWM 频率的加快使电机的启动/停止，加/减速更柔和，更平滑，更有效的为电机提供启动所需的转矩。就象是汽车获得了更小的油门控制区间，则启动/停止，加/减速性能更好。所以数码舵机的无反应区比模拟舵机小。
（二iic协议，PCA9685如何通过IIC协议控制多个舵机）

结构

I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

I2C通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信，485也为半双工，SPI和uart为双工。

2 I2C总线特征

I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(地址通过物理接地或者拉高，可以从I2C器件的数据手册得知，如TVP5158芯片，7位地址依次bit6~bit0:x101

1xxx, 最低三位可配，如果全部物理接地，则该设备地址为0x58, 而之所以7bit因为1个bit要代表方向，主向从和从向主)，主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。

I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址位的限制。

I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。

I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

3 I2C总线协议

I2C协议规定，总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生(意味着从设备不可以主动通信？所有的通信都是主设备发起的，主可以发出询问的command，然后等待从设备的通信)。

起始和结束信号产生条件：总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件；当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。

在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线；而在停止条件产生后，本次数据传输的主从设备将释放总线，总线再次处于空闲状态。起始和结束如图所示：

在了解起始条件和停止条件后，我们再来看看在这个过程中数据的传输是如何进行的。前面我们已经提到过，数据传输以字节为单位。主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位， 此时才认为一个字节真正的被传输完成。当然，并不是所有的字节传输都必须有一个应答位，比如：当从设备不能再接收主设备发送的数据时，从设备将回传一个否

定应答位。数据传输的过程如图所示：

在前面我们还提到过，I2C总线上的每一个设备都对应一个唯一的地址，主从设备之间的数据传输是建立在地址的基础上，也就是说，主设备在传输有效数据之前要先指定从设备的地址，地址指定的过程和上面数据传输的过程一样，只不过大多数从设备的地址是7位的，然后协议规定再给地址添加一个最低位用来表示接下来数据传输的方向，0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据。向指定设备发送数据的格式如图所示：(每一最小包数据由9bit组成，8bit内容+1bit

ACK, 如果是地址数据，则8bit包含1bit方向)

对I2C总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下三种操作情况：

·
主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

·
主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下：

·
主设备往从设备中写数据，然后重启起始条件，紧接着从从设备中读取数据；或者是主设备从从设备中读数据，然后重启起始条件，紧接着主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

第三种操作在单个主设备系统中，重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。

（三)，提出三点对于课程的疑惑和建议。

疑惑1；Python在四角机器人中有点不懂如何运用而且也不了解小白的水平是否可以来完成机器人的哪种水平

疑惑2；航机的运用只是能运用到机器人的领域当中吗？

疑惑3；Python可以理解和程序一样运用io分配来实线内部闭环控制吗？

建议；即将要面对就业的我比较紧张希望老师多提一些关于就业要掌握的技能(四)几款常见的四足机器人的特点和区别、包括波士顿动力Spot mini，MIT
猎豹、宇树科技、蔚蓝这几家公司的产品，并写介绍总结文档

波士顿动力的独特优点在于优秀的平衡、灵活和移动能力，所以在仓库里规则的平地上运动有些浪费了。仓库场景只要四个轮子就能满足，而且这个方案便宜、高效而且更易实现

：MIT最新研发的第三代猎豹机器人不依靠视觉传感器及摄像头而是纯靠平衡算法完成移动、上楼梯、跳跃等动作。这对于一些能见度较低、人类难以涉足的救援领域，猎豹机器人将会发挥极大的作用，因此，他的主要应用领域是作为搜救机器人来使用。回到这款机器人的构造本身，除了爬楼梯、跳桌子外，它也能够在崎岖的地方穿梭，如果在被外力的强势干扰下，它也能够如动图般真正的稳如狗，它能灵活地“感觉”周围的环境，工程师们称之为“盲眼运动”（blind locomotion）。

蔚蓝腿三个自由度: 分别是臀部和膝关节的pitch(x2)和臀部的yaw（x1），膝关节的pitch电机放置在了臀部，减少运动控制时腿部的inertial，都是比较经典的四足设计nothing special but it just works. 个人觉得Laikago出色运动性能成功的关键是在于驱动器的设计——不带减速箱的直驱电机，尺寸小，重量轻，力矩控制简单可靠，同时极大地降低了驱动器的价格。在12个重量轻、尺寸小的直驱电机的基础上，整个机器人才能控制在一个行李箱大小的尺寸以及22kg整装的重量（电池，控制器包括）。

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