树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（三）基本运动

一、介绍

树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（一）蜂鸣器
树莓派综合项目3：AI视觉机械臂小车（二）轻触按键
本实验将实现履带车的基本运动，前进、后退、左转、右转。在以前的文章中有更基础细致的讲解可以参考：
树莓派基础实验34：L298N模块驱动直流电机实验
树莓派综合项目2：智能小车（一）四轮驱动

本实验中不同的是扩展板采用了TB6612FNG驱动芯片，电机电源接口带有反接保护电路，相对于传统的L298N在效率上提高很多，体积上也大幅减小，使用方法和L298N类似。
同时除了使用RPi.GPIO库编程以外，再使用gpiozero库的Motor类来实现电机控制。

TB6612FNG芯片

二、组件

三、实验原理

TB6612FNG

TB6612FNG芯片参数

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，也就是可以驱动两个电机。

扩展板上TB6612FNG芯片电路图1

扩展板上TB6612FNG芯片电路图2

创乐博扩展板上使用了两块TB6612FNG芯片，但是并联的，只有两路输出，可以用作备份，也可以用作2路4驱。

下面分别是控制两个电机的IO口：
STBY口接单片机的IO口清零电机全部停止，置1通过AIN1 AIN2，BIN1，BIN2 来控制正反转
VM 接15V以内电源
VCC 接2.7v – 5V电源
GND 接地

驱动1路：

PWMA 接单片机的PWM口

真值表：
AIN1	0	0	1
AIN2	0	1	0
	停止	正传	反转

A01、AO2 接电机1的两个脚

驱动2路：

PWMB 接单片机的PWM口

真值表：
BIN1	0	0	1
BIN2	0	1	0
	停止	正传	反转

B01、BO2 接电机2的两个脚

注意：若是pwm控制，则需要pwm频率100khz ，亲测80khz也好用，同时STBY引脚需要接高电平。

gpiozero的 Motor类

class gpiozero.Motor(forward, backward, *, pwm=True, pin_factory=None)

将H桥电机控制器连接到Pi上；将电源(例如电池组或5V引脚)连接到控制器；将控制板的输出连接到电机的两个端子上；将控制板的输入连接到两个GPIO引脚。
参数：

forward（int或str）– GPIO引脚的正向输入发动机驱动器芯片已连接。有关有效的插针编号，请参见插针编号。如果这是None一个GPIODeviceError将被调用。
backward（int或str）– GPIO引脚的反向输入发动机驱动器芯片已连接。有关有效的插针编号，请参见插针编号。如果这是None一个GPIODeviceError)将被调用。
enable（int或str或None）–使能发动机。一些必需发动机控制板。有关有效的插针编号，请参见插针编号。
pwm（bool）–如果True（默认值），PWMOutputDevice 则为发动机控制器引脚，可同时控制方向和变速。如果为False，则构造 DigitalOutputDevice实例，仅允许方向控制。
pin_factory（工厂或无）-有关更多信息，请参见API-引脚（这是大多数用户可以忽略的高级功能）。

以下代码将使发动机“前进”：

from gpiozero import Motor

motor = Motor(17, 18)
motor.forward()

以下代码将使发动机“50的占空比速度后退”：

from gpiozero import Motor

motor = Motor(forward=17, backward=18,23,pwm=True)
motor.backward(0.5)

该类有以下几种方法：

backward(speed=1)[source]
发动机向后行进
参数： speed(float) -电动机应转动的速度。如果在构造类时pwm为True，则可以是0(停止)和默认值1(最大速度)之间的任何值(如果不是，则只有0或1)。

forward(speed=1)[source]
发动机向前行进
参数: speed(float) -电机应旋转的速度。如果在构造类时pwm为True，则可以是0(停止)和默认值1(最大速度)之间的任何值(如果不是，则只有0或1)。

reverse()[source]
反转电机的电流方向。如果电机目前是闲置的，这是什么也不做。否则，在当前转速下，电机的方向会反转。

stop()[source]
电动机停止转动

is_active
如果电机当前正在运行，则返回True，否则返回False。

value
表示电机的速度为-1(全速后退)和1(全速前进)之间的浮点值，0表示停止。

许多人问如何实现RPi.GPIO中的清理功能。在gpiozero中，在脚本的末尾，会自动运行清理，将GPIO引脚恢复到找到它们时的状态。
要显式关闭到一个引脚的连接，你可以手动调用一个设备对象的close()方法:

>>> led = LED(2)
>>> led.on()
>>> led

>>> led.close()
>>> led

请注意，清除仅在正常终止脚本时进行。如果脚本由于程序错误而退出，则将不会执行清理。为了确保在引发异常后执行清理，必须处理该异常，例如：

from gpiozero import Button

btn = Button(4)

while True:
    try:
        if btn.is_pressed:
            print("Pressed")
    except KeyboardInterrupt:
        print("Ending program")

四、实验步骤

第1步： 在上面的扩展板TB6612FNG芯片电路图上可以知道连接GPIO的接线情况，A通道为左轮控制，B通道为右轮控制：

PWMA	AIN1	AIN2	PWMB	BIN1	BIN2
GPIO18	GPIO22	GPIO27	GPIO23	GPIO25	GPIO24

第2步： 编写程序。这里先使用RPi.GPIO库来编写程序，思维更底层一些，语句多一些，直接输出高低电平和PWM信号来控制电机。

#!/usr/bin/env python2
# -*- coding: utf-8 -*-

import  RPi.GPIO as GPIO
import time

PWMA = 18
AIN1   =  22
AIN2   =  27

PWMB = 23
BIN1   = 25
BIN2  =  24

GPIO.setwarnings(False) 
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(AIN2,GPIO.OUT)
GPIO.setup(AIN1,GPIO.OUT)
GPIO.setup(PWMA,GPIO.OUT)
GPIO.setup(BIN1,GPIO.OUT)
GPIO.setup(BIN2,GPIO.OUT)
GPIO.setup(PWMB,GPIO.OUT)

L_Motor= GPIO.PWM(PWMA,80000)
L_Motor.start(0)

R_Motor = GPIO.PWM(PWMB,80000)
R_Motor.start(0)

def t_up(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,False)
        GPIO.output(AIN1,True) # AIN1高电平为前进

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,False)
        GPIO.output(BIN1,True) # BIN1高电平为前进
        time.sleep(t_time)

def t_stop(t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
        GPIO.output(AIN2,False)#AIN2
        GPIO.output(AIN1,False) #AIN1

        R_Motor.ChangeDutyCycle(0)
        GPIO.output(BIN2,False)#BIN2
        GPIO.output(BIN1,False) #BIN1
        time.sleep(t_time)

def t_down(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,True) # AIN2高电平为后退
        GPIO.output(AIN1,False) 

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,True) # BIN2高电平为后退
        GPIO.output(BIN1,False) 
        time.sleep(t_time)

def t_left(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,True)  # 左轮后退
        GPIO.output(AIN1,False) 

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,False)
        GPIO.output(BIN1,True) # 右轮前进
        time.sleep(t_time)

def t_right(speed,t_time):
        L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(AIN2,False)
        GPIO.output(AIN1,True) # 左轮前进

        R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
        GPIO.output(BIN2,True) # 右轮后退
        GPIO.output(BIN1,False) 
        time.sleep(t_time)    

try:
    while True:
        t_up(50,3)
        t_down(50,3)
        t_left(50,3)
        t_right(50,3)
        t_stop(3)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()

第3步：使用GPIO Zero库来重新编写程序，程序更简洁，语句更容易阅读和理解，基本不用注释就能明白语句的含义。

#!/usr/bin/env python2
# -*- coding: utf-8 -*-

from gpiozero import Motor
import time

PWMA = 18
AIN1   =  22
AIN2   =  27

PWMB = 23
BIN1   = 25
BIN2  =  24

L_Motor = Motor(forward=AIN1, backward=AIN2,enable=PWMA,pwm=True)
R_Motor = Motor(forward=BIN1, backward=BIN2,enable=PWMB,pwm=True)

def t_up(speed,t_time):
        L_Motor.forward(speed)
        R_Motor.forward(speed)
        time.sleep(t_time)
        
def t_stop(t_time):
        L_Motor.stop()
        R_Motor.stop()
        time.sleep(t_time)
        
def t_down(speed,t_time):
        L_Motor.backward(speed)
        R_Motor.backward(speed)
        time.sleep(t_time)

def t_left(speed,t_time):
        L_Motor.backward(speed)
        R_Motor.forward(speed)
        time.sleep(t_time)

def t_right(speed,t_time):
        L_Motor.forward(speed)
        R_Motor.backward(speed)
        time.sleep(t_time)    

try:
    while True:
        t_up(0.5,3)  # 0.5即为占空比50的速度
        t_down(0.5,3)
        t_left(0.5,3)
        t_right(0.5,3)
        t_stop(3)
except KeyboardInterrupt:
    print("Ending program")  # 在gpiozero中，在脚本的末尾，会自动运行清理，将GPIO引脚恢复到找到它们时的状态。