Arduino控制PWM舵机的总结
简述
2周前用700不到买了一个六自由度的舵机机械臂作为视觉伺服算法的平台，商家提供的是可视化界面的控制平台，需要对他的源码进行解读与分析，便于后面接入ROS平台。感谢商家提供的视频教程和太极创客在B站上传的免费课程，使得对嵌入式零基础的我可以快速上手Arduino的开发。
Arduino IDE的安装
此处分为Windows和Ubuntu下的Arduino安装，在Windows系统下进行Arduino的学习相对方便些~~（说白了就是用习惯了）~~。这里仅简述Arduino IDE的安装，具体如何使用IDE需要参考别处的教程，推荐观看太极创客的教程，IDE的使用在Windows和Ubuntu下几乎没有差别。
首先去Arduino官网下载安装包，Windows系统下推荐下载exe文件进行安装，安装路径随意。安装完成后便可双击桌面的Arduino程序进入IDE，如果需要使用商家提供的库，需要将商家提供的libraries文件夹复制到Arduino的安装路径下。除了IDE的安装，还需要安装串口驱动，我这里使用的是CH341SER的串口驱动，一切完成后便可以对Arduino进行开发。
Ubuntu系统下不推荐使用apt-get指令下载安装Arduino，此版本过低。根据Linux系统在官网下载最新的安装包，将安装包解压至/opt文件夹下，随后进入安装目录给install.sh可执行权限，并运行，此处以1.8.16为例：
cd /opt/arduino-1.8.16/
sudo chmod +x install.sh
sudo ./install.sh
Ubuntu自带了串口驱动，如果进入IDE无法识别串口，需要先给予权限，再移除自带程序brltty，此处username为自己的用户名：
sudo chown username /dev/ttyUSB0
sudo apt-get remove brltty
LED和蜂鸣器的使用
此处重点是记录如何对LED和蜂鸣器进行编程使用，相当于Arduino编程的入门，具体代码如下。
LED闪烁
/*******宏定义LED管脚映射表*******/
#define LED_PIN 13
/*******宏定义LED快捷指令表*******/
#define LED digitalRead(LED_PIN) //读取LED信号灯状态
#define LED_ON() digitalWrite(LED_PIN,LOW) //LED信号灯点亮，低电平0
#define LED_OFF() digitalWrite(LED_PIN,HIGH) //LED信号灯熄灭，高电平1
/*******LED初始化*******/
void led_init(void) {
pinMode(LED_PIN,OUTPUT); //设置引脚为输出模式，初始状态为关闭
LED_OFF();
}
/*******LED变换一次*******/
void led_change(void) {
if(LED==1) LED_ON();
else LED_OFF();
}
/*******LED按1秒间隔闪烁*******/
void led_loop(void) {
static unsigned long systick_ms_bak = 0;
if (millis() - systick_ms_bak > 500) { //millis()为当前时间，在loop方法中尽量使用此方法做时间间隔，而非delay()方法
systick_ms_bak = millis();
led_change();
}
}
void setup(){
led_init();
}
void loop(){
led_loop();
}
蜂鸣器鸣叫提醒
/*******BEEP管脚映射表*******/
#define BEEP_PIN 4
/*******BEEP快捷指令表*******/
#define BEEP_ON() digitalWrite(BEEP_PIN,HIGH) //蜂鸣器BEEP打开,高电平1
#define BEEP_OFF() digitalWrite(BEEP_PIN,LOW) //蜂鸣器BEEP关闭，低电平0
/*******BEEP初始化*******/
void beep_init(void) {
pinMode(BEEP_PIN,OUTPUT); //设置引脚为输出模式
BEEP_OFF();
}
/*******BEEP短鸣两声*******/
void beep_short(void){
BEEP_ON();delay(100);BEEP_OFF();delay(100);
BEEP_ON();delay(100);BEEP_OFF();delay(100);
}
void setup(){
beep_init();
beep_short();
}
void loop(){
}
首先需要对引脚进行初始化，才能使用对应引脚的元器件，其中setup方法下的代码只运行一遍，而loop方法下的代码会重复运行。因此，如果需要在loop方法中嵌套循环需要添加判断语句，以免陷入内循环而无法退出；同样的如果在loop方法下使用delay做时间间隔，则后续代码需要等待delay设定的时间后才能运行，极大的影响程序运行的速度。此外，LED开关和蜂鸣器开关的高低电平仍存在一些困惑，甚至商家给的例程也有些问题，在做高低电平判断时会出现对不上的情况，这一点还有待进一步学习。
串口的使用
这里将有用的串口信息存放到数组receive_data中，由data_ready做判断是否需要将数组送入别的方法做字符串的整理和筛选，具体代码如下：
串口的使用
#define DATA_MAX_SIZE 12 //起始符到终止符的总字符数
u8 receive_data[DATA_MAX_SIZE]={0}, receive_data_index, data_ready，servo_index;
/*****串口初始化*****/
void serial_init(u32 baud){
Serial.begin(baud);
}
/*****串口发送字节*****/
void send_byte(u8 dat) {
Serial.write(dat);
}
/*****串口发送字符串*****/
void send_string(char *s) {
while (*s) {
Serial.print(*s++);
}
}
/*****串口中断，会在loop循环结束时自动运行，即每次循环执行一次*****/
void serialEvent(void) {
static u8 temp_data;
while(Serial.available()) {
temp_data = Serial.read();
/*******返回接收到的指令*******/
send_byte(temp_data);
/*******若正在执行命令，则不存储命令*******/
if(data_ready) return;
/*******检测命令起始*******/
if(temp_data == '$') {
receive_data_index = 0;
}
/*******检测命令结尾*******/
else if(temp_data == '!'){
receive_data[receive_data_index] = temp_data;
Serial.println();
data_ready = 1;
return;
}
receive_data[receive_data_index++] = temp_data;
/*******检测命令长度*******/
if(receive_data_index >= DATA_MAX_SIZE) {
receive_data_index = 0;
}
}
return;
}
/*****处理串口保存下来的数据$F1000T1000!*****/
void data_loop(void) {
if(data_ready) {
int time_temp=0;
int aim_temp=0;
for(int j = 1; j < sizeof(receive_data)-1; j++){
if(receive_data[j]=='A') servo_index=0;
if(receive_data[j]=='B') servo_index=1;
if(receive_data[j]=='C') servo_index=2;
if(receive_data[j]=='D') servo_index=3;
if(receive_data[j]=='E') servo_index=4;
if(receive_data[j]=='F') servo_index=5;
if(receive_data[j]=='T'){
for(int k=0;k<4;k++){
j++;
if(k==0){
time_temp=time_temp+(receive_data[j]-'0')*1000;
}else{
time_temp=time_temp+(receive_data[j]-'0')*1000/pow(10,k);
}
}
}
if(j == 1){
for(int k=0;k<4;k++){
j++;
if(k==0){
aim_temp=aim_temp+(receive_data[j]-'0')*1000;
}else{
aim_temp=aim_temp+(receive_data[j]-'0')*1000/pow(10,k);
}
}
}
}
time_data[servo_index]=(int)time_temp;
aim_data[servo_index]=(int)aim_temp;
servo_run(servo_index,aim_data[servo_index],time_data[servo_index]); //见舵机部分
receive_data_index = 0;
data_ready = 0;
memset(receive_data, 0, sizeof(receive_data));
}
}
void setup(){
serial_init(115200);
}
void loop(){
data_loop();
}
代码基本是参考商家提供的源码进行了些许修改，baud为波特率即一秒处理多少字节的数据。此外，可以不将串口的数据存为数组，改为逐个的将串口数据读取判断，且可以使用Serial.parseInt()将一段数字直接取出，无需将字符串的数据重新整理，但代码整体会显得较为臃肿，一个方法内需要有读取数据和处理数据两个功能。
Servo库的使用
此处使用的是舵机（Servo），通过PWM信号驱动，需要每20ms接受一次信号。因此，为了实现舵机控制的顺滑性，需要对一个角度动作进行拆解连续控制，以下代码可供参考：
舵机的连续控制
#include 与串口的代码相同，此处也是参考商家的源码进行整理，重点还是以实现功能为主。此处引入舵机运行的时间并非最佳，后续还可以根据PID算法对各个角度的运行时间进行优化，使得机械臂能够更加快速、顺滑地到达指定坐标。此外，舵机的自动控制需要引入更多的传感器和算法，而指令控制需要引入上一小节串口数据处理的相关方法。
功能整合（以机械臂为例）
要想实现所有功能的整合，需要新建一个文件包括驱动板需要的setup()初始化方法和loop()循环语句，随后将整个工作空间的文件上传后即可，记得删除各部分文件下单独的setup和loop方法，否则会引发冲突导致部分功能实现不了，整合的代码如下以供参考。需要注意的是舵机需要提前根据初始角度的设定值进行安装，使得机械臂的工作空间达到最大，并防止关节之间的碰撞。
初始化代码整合(非必须)
/*****LED和BEEP的初始化*****/
void led_beep_setup(void){
led_init();
beep_init();
}
/*****串口的初始化*****/
void serial_setup(void){
serial_init(115200);
}
/*****舵机的初始化*****/
void setup_servo(void) {
for(servo_index=0;servo_index<SERVO_NUM;servo_index++) {
servo_data[servo_index].aim=1500;
servo_data[servo_index].cur=1500; // 初始化目标值和当前值应该一致
servo_data[servo_index].inc=0;
servo_data[servo_index].time_set=0;
}
servo_init();
}
/*****setup部分运行完毕的提示*****/
void setup_finish(void){
beep_short();
}
整合文件
#include 总结
一开始使用的是STM32开发板，但发现学习成本较高，即花费时间较多，所以后面转到相对简单些的Arduino开发环境。除了相对更简单的优点外，Arduino和ROS的结合也是比较容易，有现成的ros-serial将开发板作为一个通讯节点。在学习Arduino开发的过程中，发现C语言的基础相对薄弱，如u8对象、宏定义和指针的使用等。且由于Arduino在项目中仅仅是作为平台，所以并没有深入的进一步学习进阶的内容，相关的代码也较为简单，有许多地方需要优化。相关源码我上传了github以供参考https://github.com/Pyorei/Arduino-Robot-Arm
机械臂的平台搭建至此完成了近一半，下一步需要学习ros-serial和move-it!的使用，从而将机械臂接入ROS。