Pan-Tilt Multi Servo Control: 11 krokov (s obrázkami)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:06

V tomto návode sa pozrieme na to, ako ovládať viac serv pomocou Pythonu na Raspberry Pi. Našim cieľom bude mechanizmus PAN/TILT na umiestnenie kamery (PiCam).

Tu môžete vidieť, ako bude náš konečný projekt fungovať:

Skúška riadiacej slučky Control Servo:

Krok 1: BoM - kusovník

Hlavné časti:

1. Raspberry Pi V3 - 32,00 USD
2. 5 -megapixelový snímač 1080p video modul mini kamery OV5647 - 13,00 USD
3. Micro Servo TowerPro SG90 9G 180 stupňov (2 X)- 4,00 USD
4. Mini otočná/ naklápacia platforma kamery, antivibračný držiak kamery s 2 servami (*) - 8,00 USD
5. Rezistor 1K ohm (2X) - voliteľný
6. Rôzne: kovové časti, pásy atď. (V prípade, že zostrojíte mechanizmus otáčania/nakláňania)

(*) môžete si kúpiť kompletnú platformu Pan/Tilt so servom alebo si postaviť vlastnú.

Krok 2: Ako funguje PWM

Raspberry Pi nemá analógový výstup, ale môžeme to simulovať pomocou prístupu PWM (Pulse Width Modulation). Čo budeme robiť, je generovať digitálny signál s pevnou frekvenciou, kde zmeníme šírku sledu impulzov, čo bude „preložené“ako „priemernú“úroveň výstupného napätia, ako je uvedené nižšie:

Túto „priemernú“úroveň napätia môžeme použiť na ovládanie jasu LED napríklad:

Všimnite si toho, že tu nie je dôležitá frekvencia, ale „pracovný cyklus“, to je vzťah medzi časom, kedy sú impulzy „vysoké“, vydelený vlnovou periódou. Predpokladajme napríklad, že na jednom z našich Raspberry Pi GPIO budeme generovať pulzovú frekvenciu 50 Hz. Perióda (p) bude inverznou frekvenciou alebo 20 ms (1/f). Ak chceme, aby naše LED diódy s „polovičným“svetlom svietili, musíme mať pracovný cyklus 50%, to znamená „pulz“, ktorý bude „vysoký“po dobu 10 ms.

Tento princíp bude pre nás veľmi dôležitý pre ovládanie polohy serva, keď „pracovný cyklus“definuje polohu serva, ako je uvedené nižšie:

Servo

Krok 3: Inštalácia Hw

Serva budú pripojené k externému zdroju 5 V, pričom ich dátový kolík (v mojom prípade ich žlté vedenie) sa pripojí k Raspberry Pi GPIO nasledovne:

• GPIO 17 ==> Naklápacie servo
• GPIO 27 ==> Pan Servo

Nezabudnite spojiť GND dohromady ==> Raspberry Pi - serva - externý napájací zdroj)

Medzi vstupným pinom Raspberry Pi GPIO a Server môžete mať voliteľne odpor 1 K ohm. To by chránilo vaše RPi v prípade problému so servom.

Krok 4: Kalibrácia serva

Prvá vec, ktorú musíte urobiť, je potvrdiť hlavné charakteristiky vašich serv. V mojom prípade používam Power Pro SG90.

Z jeho technického listu môžeme zvážiť:

• Rozsah: 180o
• Napájanie: 4,8 V (externý 5 V DC ako USB zdroj funguje dobre)
• Pracovná frekvencia: 50 Hz (Obdobie: 20 ms)
• Šírka impulzu: od 1 ms do 2 ms

Servo bude teoreticky zapnuté

• Počiatočná poloha (0 stupňov), keď je na jeho dátový terminál aplikovaný impulz 1 ms
• Neutrálna poloha (90 stupňov), keď je na jeho dátový terminál aplikovaný impulz 1,5 ms
• Konečná poloha (180 stupňov), keď je na jeho dátový terminál aplikovaný impulz 2 ms

Na programovanie polohy serva pomocou Pythonu bude veľmi dôležité poznať zodpovedajúci „pracovný cyklus“pre vyššie uvedené polohy, urobme malý výpočet:

• Počiatočná poloha ==> (0 stupňov) Šírka impulzu ==> 1ms ==> Pracovný cyklus = 1ms/20ms ==> 2,0%
• Neutrálna poloha (90 stupňov) Šírka impulzu 1,5 ms ==> Pracovný cyklus = 1,5 ms/20 ms ==> 7,5%
• Konečná poloha (180 stupňov) Šírka impulzu 2 ms ==> Pracovný cyklus = 2ms/20ms ==> 10%

Pracovný cyklus by sa teda mal pohybovať v rozmedzí 2 až 10 %.

Poďme otestovať servá jednotlivo. Za týmto účelom otvorte svoj terminál Raspberry a spustite editor shellu Python 3 ako „sudo“(pretože by ste mali byť „super používateľom“, s ktorým sa dá pracovať s GPIO):

sudo python3

Na Python Shell

>>

Importujte modul RPI. GPIO a nazvite ho GPIO:

importujte RPi. GPIO ako GPIO

Definujte, ktoré schémy číslovania pinov chcete používať (BCM alebo BOARD). Tento test som urobil s BOARD, takže piny, ktoré som použil, boli fyzické piny (GPIO 17 = Pin 11 a GPIO 27 Pin 13). Bolo pre mňa ľahké ich identifikovať a nerobiť chyby počas testu (V záverečnom programe použijem BCM). Vyberte si podľa svojich preferencií:

GPIO.setmode (GPIO. BOARD)

Definujte kolík serva, ktorý používate:

tiltPin = 11

Ak ste namiesto toho použili schému BCM, posledné 2 príkazy by mali byť nahradené týmto:

GPIO.setmode (GPIO. BCM)

tiltPin = 17

Teraz musíme špecifikovať, že tento pin bude „výstupom“

GPIO.setup (tiltPin, GPIO. OUT)

A aká bude frekvencia generovaná na tomto pine, že pre naše servo bude 50 Hz:

tilt = GPIO. PWM (tiltPin, 50)

Teraz začneme generovať signál PWM na pine s počiatočným pracovným cyklom (ponecháme ho „0“):

náklon = začiatok (0)

Teraz môžete zadávať rôzne hodnoty pracovného cyklu a sledovať pohyb svojho serva. Začnime s 2% a uvidíme, čo sa stane (vidíme, že servo prejde do „nulovej polohy“):

tilt. ChangeDutyCycle (2)

V mojom prípade sa servo dostalo do nulovej polohy, ale keď som zmenil pracovný cyklus na 3%, zistil som, že servo zostalo v rovnakej polohe a začalo sa pohybovať s pracovnými cyklami väčšími ako 3%. 3% je teda moja počiatočná poloha (o stupne). To isté sa stalo s 10%, moje servo prekročilo túto hodnotu a skončilo na 13%. Takže pre toto konkrétne servo bol výsledok:

• 0 stupeň ==> pracovný cyklus 3%
• 90 stupňov ==> pracovný cyklus 8%
• 180 stupňov ==> pracovný cyklus 13%

Po dokončení testov musíte zastaviť PWM a vyčistiť GPIO:

nakloniť = zastaviť ()

GPIO.cleanup ()

Vyššie uvedená obrazovka Terminálu zobrazuje výsledok pre obe moje servá (ktoré majú podobné výsledky). Váš dosah môže byť odlišný.

Krok 5: Vytvorenie skriptu Python

Príkazy PWM, ktoré sa majú odoslať na naše servo, sú v „pracovných cykloch“, ako sme videli na poslednom kroku. Obvykle však musíme ako parameter na ovládanie serva použiť „uhol“v stupňoch. Musíme teda previesť „uhol“, ktorý je pre nás v pracovnom cykle prirodzenejším meraním, ako ho chápe náš Pi.

Ako to spraviť? Veľmi jednoduché! Vieme, že rozsah pracovného cyklu sa pohybuje od 3% do 13% a že je to ekvivalentné uhlom, ktoré sa budú pohybovať od 0 do 180 stupňov. Tiež vieme, že tieto variácie sú lineárne, takže môžeme vytvoriť proporcionálnu schému, ako je uvedené vyššie. vzhľadom na uhol teda môžeme mať zodpovedajúci pracovný cyklus:

pracovný cyklus = uhol/18 + 3

Dodržujte tento vzorec. Použijeme to v nasledujúcom kóde.

Vytvorme skript Pythonu na vykonanie testov. V zásade zopakujeme to, čo sme urobili predtým v Python Shell:

z času importu spánku

importujte RPi. GPIO ako GPIO GPIO.setmode (GPIO. BCM) GPIO.setwarnings (False) def setServoAngle (servo, uhol): pwm = GPIO. PWM (servo, 50) pwm.start (8) dutyCycle = uhol / 18. + 3. pwm. ChangeDutyCycle (dutyCycle) spánok (0,3) pwm.stop () if _name_ == '_main_': import sys servo = int (sys.argv [1]) GPIO.setup (servo, GPIO. OUT) setServoAngle (servo, int (sys.argv [2])) GPIO.cleanup ()

Jadrom vyššie uvedeného kódu je funkcia setServoAngle (servo, uhol). Táto funkcia prijíma ako argumenty, číslo GPIO serva a hodnotu uhla, na ktoré musí byť servo umiestnené. Akonáhle je zadaním tejto funkcie „uhol“, musíme ju previesť na pracovný cyklus v percentách podľa vzorca vyvinutého predtým.

Po spustení skriptu musíte zadať parametre, servo GPIO a uhol.

Napríklad:

sudo python3 angleServoCtrl.py 17 45

Vyššie uvedený príkaz umiestni servo pripojené k GPIO 17 o 45 stupňov v „nadmorskej výške“. Podobný príkaz by bolo možné použiť aj na ovládanie Pan Servo (poloha do 45 stupňov v „azimute“):

sudo python uholServoCtrl.py 27 45

Súbor AngleServoCtrl.py je možné stiahnuť z môjho GitHubu

Krok 6: Mechanizmus naklápania

Servo „Pan“sa bude „horizontálne“pohybovať s našou kamerou („azimutový uhol“) a naše „Tilt“servo s ním bude „vertikálne“(výškový uhol).

Nasledujúci obrázok ukazuje, ako funguje mechanizmus Pan/Tilt:

Počas nášho vývoja nepôjdeme do „extrémov“a budeme používať náš mechanizmus Pan/Tilt iba od 30 do 150 stupňov. Tento rozsah bude stačiť na použitie s fotoaparátom.

Krok 7: Mechanizmus naklápania - mechanická konštrukcia

Poďme teraz zostaviť naše 2 servá ako mechanizmus Pan/Tilt. Môžete tu robiť 2 veci. Kúpte si platformový mechanizmus Pan-Tilt ako na poslednom kroku alebo si vytvorte vlastný podľa svojich potrieb.

Jedným z príkladov môže byť ten, ktorý som postavil, pričom som navzájom spájal iba servá a používal malé kovové kúsky zo starých hračiek, ako je to znázornené na fotografiách vyššie.

Krok 8: Elektrická zostava otáčania/nakláňania

Akonáhle budete mať svoj mechanizmus otáčania/naklápania zostavený, postupujte podľa fotografií a získajte úplné elektrické pripojenie.

1. Vypnite Pi.
2. Vykonajte všetky elektrické pripojenia.
3. Dvakrát skontrolujte.
4. Najprv zapnite Pi.
5. Ak je všetko v poriadku, napájajte serva.

V tomto návode nebudeme skúmať, ako nastaviť fotoaparát, to bude vysvetlené v nasledujúcom návode.

Krok 9: Skript Python

Vytvorme skript Python na ovládanie oboch serv súčasne:

z času importu spánku

import RPi. GPIO ako GPIO GPIO.setmode (GPIO. BCM) GPIO.setwarnings (False) pan = 27 tilt = 17 GPIO.setup (tilt, GPIO. OUT) # white => TILT GPIO.setup (pan, GPIO. OUT) # grey ==> PAN def setServoAngle (servo, angle): assert angle> = 30 and angle 90 (middle point) ==> 150 setServoAngle (tilt, int (sys.argv [2])) # 30 ==> 90 (stredný bod) ==> 150 GPIO.cleanup ()

Keď je skript spustený, musíte zadať ako parametre uhol posuvu a uhol náklonu. Napríklad:

sudo python3 servoCtrl.py 45 120

Vyššie uvedený príkaz umiestni mechanizmus otáčania/nakláňania o 45 stupňov v „azimute“(uhol posúvania) a 120 stupňoch „nadmorskej výšky“(uhol náklonu). Upozorňujeme, že ak nie sú zadané žiadne parametre, predvolené hodnoty budú uhly posuvu a náklonu nastavené na 90 stupňov.

Nasleduje niekoľko testov:

Súbor servoCtrl.py je možné stiahnuť z môjho GitHubu.

Krok 10: Smyčkový test serverov

Teraz vytvoríme skript Python na automatické testovanie celého radu serv:

z času importu spánku

import RPi. GPIO ako GPIO GPIO.setmode (GPIO. BCM) GPIO.setwarnings (False) pan = 27 tilt = 17 GPIO.setup (tilt, GPIO. OUT) # white => TILT GPIO.setup (pan, GPIO. OUT) # grey ==> PAN def setServoAngle (servo, angle): assert angle> = 30 and angle <= 150 pwm = GPIO. PWM (servo, 50) pwm.start (8) dutyCycle = angle / 18. + 3. pwm. ChangeDutyCycle (dutyCycle) spánok (0,3) pwm.stop () ak _name_ == '_main_': pre i v rozsahu (30, 160, 15): setServoAngle (pan, i) setServoAngle (tilt, i) for i in rozsah (150, 30, -15): setServoAngle (pan, i) setServoAngle (tilt, i) setServoAngle (pan, 100) setServoAngle (tilt, 90) GPIO.cleanup ()

Program automaticky vykoná slučku od 30 do 150 stupňov v oboch uhloch.

Pod výsledkom:

Pripojil som osciloskop iba na ilustráciu teórie PWM, ako bolo vysvetlené vyššie.

Vyššie uvedený kód, servoTest.py, je možné stiahnuť z môjho GitHubu.

Krok 11: Záver

Ako vždy, dúfam, že tento projekt pomôže iným nájsť si cestu do vzrušujúceho sveta elektroniky!

Podrobnosti a konečný kód nájdete v mojom depozitári GitHub: RPi-Pan-Tilt-Servo-Control

Viac projektov nájdete na mojom blogu: MJRoBot.org

Krátky pohľad na môj ďalší tutoriál:

Saludos z juhu sveta!

Uvidíme sa pri mojom ďalšom pokyne!

Ďakujem, Marcelo