【树莓派+.NET MF打造视频监控智能车】控制篇(.NET MF)

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[i] = new OutputPort(pins[i], 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[i] = new PWM(motor_chanels[i], frequency[i], dutyCycle[i], false);

        motor_pwm[i].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[i] = y;

 

                if (e.y < 128)

                {

                    //前进

                    for (int i = 0; i < In.Length; i++) In[i].Write(states2[i]);

                    //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[i].Write(states1[i]);

                    //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[i].DutyCycle = (values[i] / 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[i] = new PWM(steering_chanels[i], periods[i], durations[i], PWM.ScaleFactor.Microseconds, false);

        steering_pwm[i].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

 

视频链接：http://v.youku.com/v_show/id_XNjY2MTE1NjQ0.html

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 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。