专利名称：双制控制全数字航模舵机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双制控制全数字航模舵机，具体地说是一种适用于人形机器人、 仿生机器人、机器鱼、高级航模等应用领域的舵机。
背景技术：
舵机一般是由控制芯片和电路，减速齿轮组，直流电机，电位器以及外壳组装而成。而其核心是控制硬件和(或)软件。传统模拟舵机的工作原理是PWM(脉冲宽度调制) 信号从接收通道进入信号解调电路，解调后获得偏置电压。该电压与电位器的电压比较后获得电压差并输出，送入电机驱动电机转动。此类舵机是模拟的，即没有单片机的控制，通过接收外部PWM信号，来调整舵机的转角。其主要问题包括利用占空比的变化改变舵机的位置，存在精度和健壮性上的不足，易产生舵机的抖动现象，舵机容易烧毁，出现扫齿现象； 只能接收上位机的单向控制信号，不能向上位机反馈信息，从而给机器人的调试和程序设计带来不便；不带位置锁存功能，需要上位机不断发送位置信息来保持当前位置，从而增加上位机负担等问题。伴随着科学技术的不断发展，舵机的应用越来越广，出现一些利用单片机来接收上位机的串口(RS232和RS485)信号，并转换成PWM信号来进行控制的舵机，然而这些舵机在空载的时候，没有动力传到舵机马达。当有信号输入使舵机移动，或者舵机的摇臂受到外力的时候，舵机会作出反应，向舵机马达输出驱动电压。当加大每一个脉冲的宽度的时候， 如电子变速器的效能就会出现，直到最大的动力/电压传送到马达，马达转动使舵机摇臂指到一个新的位置。然后，当舵机电位器告诉电子部分它已经到达指定的位置，那么动力脉冲就会减小脉冲宽度，并使马达减速。直到没有任何动力输入，马达完全停止。可是，一个短促的动力脉冲，紧接着很长的停顿，并不能给马达施加多少激励，使其转动。这意味着如果有一个比较小的控制动作，舵机就会发送很小的初始脉冲到马达，这是非常低效率的。这种舵机不足之处是①控制方式单一，采用双工通讯，使得上位机与舵机控制芯片的串口通信接口利用不充分；②舵机速度单一，不可分级调试；③软件方面不能进行舵机内部程序读取，需使用ISP下载线，增加控制板电路复杂性；④舵机内部参数不可调，不能适用更多的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计一种采用单片机进行数字控制的双制控制全数字航模舵机，提供舵机与上位机间的PWM和RS232两种模式兼容的通信，并且只用单根信号线实现这种通信，提高控制精确及舵机调速单元高度集成等问题。为了达到上述目的和解决上述问题，本发明采取的技术方案是提供一种双制控制全数字航模舵机，包括有信号转换器、单片机、驱动电路、电机、减速齿轮组、电位器和外壳，所述的信号转换器采用单线双模控制接口连接上位机，接收上位机传送过来的角度编码PWM信号或RS232信号，转换成新的角度编码PWM信号或TTL电平，保存在单片机中用以控制舵机；所述的单片机选用ATmegaS芯片，含有运算存储单元、AD转换器和电机驱动PWM 信号模块；ATmegaS芯片上的普通I/O接口串接电机驱动集成电路、直流电机、减速齿轮组和电位器，再连接到ATmegaS芯片上的AD转换器的ADC输入通道；所述的信号转换器、单片机、电机驱动集成电路、直流电机、减速齿轮组和电位器安装在外壳内。本发明所述的数字航模舵机中单片机也采用单线双模控制接口，通过控制芯片中的程序可在单线上既接收角度编码PWM信号，也接收RS232信号，从而实现了传统舵机与现代舵机的有机结合，由于只使用单根信号线，使接口简单。对于两种信号，单片机使用软硬件智能区分。本发明的航模舵机所述的单片机通过RS232/编码PWM接口与外部的上位机软件通信，实现舵机程序升级，对存储在单片机中的可电擦写存储器内的舵机的死区范围、 位置范围、PD控制参数信息进行修改，通过控制指令控制舵机的转角及速度，其中转角范围-90°到+90°，速度255级可调，对应于转速低限3. 75° /s，高限沈0° /s。本发明的数字航模舵机可与外部上位机通信，实现舵机内部程序的读取和修改。 所述的单片机通过接收上位机的角度编码PWM信号或RS232信号，产生新的角度编码PWM 信号或TTL电平来控制舵机，通过上位机修改舵机EEPROM使舵机内部控制参数可调，并可针对不同的应用需要，实时修改舵机内部控制参数，达到最佳的控制效果；同时通过上位机的软件控制使舵机转速可调，即舵机可按指定的速度旋转到指定的角度，从而进一步降低了上位机控制的负担。本发明的航模舵机，所述的单片机通过AD转换器的ADC通道与电位器相连，单片机的AD转换器将电位器所代表的角度模拟信号转换为数值信号，然后将此角度信息通过 PWM/RS232接口以数字形式反馈给上位机，使上位机获取舵机当前的角度位置信息。因此， 本发明的航模舵机具有位置反馈功能，可为控制舵机的上位机提供实时舵机角度信息这一特点，将大大方便人形机器人、机械手的动作交互设计。本发明双制控制全数字航模舵机具有如下优点
1、本发明的航模舵机结构简单，体积小，采用单根信号导线双模控制接口，使接口更简单，同时实现了在单线上既可接收角度编码PWM信号，也可接收RS232信号，兼容性强，实现了传统模拟舵机与现代数字舵机的完美结合。2、本发明的航模舵机转速共255级可调，即舵机可按指定的速度旋转到指定的角度，从而进一步降低了上位机控制的负担；本发明的航模舵机内部控制参数可调，可针对不同的应用需要，实时修改舵机内部控制参数，以达到最佳的控制效果。3、本发明的航模舵机使用方便，通过上位机与舵机通信可读取舵机内部程序，而不需使用ISP下载线进行相关操作；通过利用本舵机速度可调特性实现动作的柔和与逼真；另外本舵机具有舵机位置反馈功能，为舵机控制的上位机提供当前舵机的角度位置信息，而角度信息可获取这一特点可以帮助机器人得到更优的动作模态，以方便人形机器人、 机械手的动作的交互设计。4、本发明的航模舵机可靠性高、功耗低、智能性高，使用更安全可靠，采用单片机进行数字控制，在精度和健壮性上都有很大的提高，克服了传统舵机的抖动现象。
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图1为本发明双制控制全数字航模舵机系统的结构框图。图2为本发明航模舵机系统的程序流程图。图3为本发明舵机系统单片机中的16位定时器/计数器捕捉PWM信号原理图。图4为本发明中PWM信号处理程序流程图。图5为本发明中USART接收结束中断响应程序流程图。上述图中1 上位机、2 单根信号导线、3 信号转换器、4 单片机、5 运算存储单元、6 电机驱动PWM信号模块、7 电机驱动集成电路、8 直流电机、9 减速齿轮组、10 电位器、11 =AD转换器、12 外壳、13 脉冲的下降沿、14 脉冲的上升沿。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对发明作进一步详述。实施例1 本发明一种双制控制全数字航模舵机，结构如图1，包括有单根信号导线2、信号转换器3、单片机4、电机驱动集成电路7、直流电机8、减速齿轮组9、电位器10和外壳12，所述的信号转换器3采用单根导线2的双模控制接口连接外部的上位机1，接收上位机传送过来的角度编码PWM信号或RS232信号，转换成新的角度编码PWM信号或TTL电平，保存在单片机4中用以控制舵机；所述的单片机4选用ATmegaS芯片，含有运算存储单元5、AD转换器11和电机驱动PWM信号模块6 ； ATmegaS芯片上的普通I/O接口串接电机驱动集成电路7、直流电机8、减速齿轮组9和电位器10，再连接到ATmegaS芯片上的AD转换器11的ADC输入通道；所述的信号转换器、单片机、电机驱动集成电路、直流电机、减速齿轮组和电位器安装在外壳12内。参见图2，为本发明的航模舵机系统的软件流程，首先当舵机上电以后，舵机内单片机4会启动初始化程序，对其上的I/O端口、定时器/计数器、USART相关寄存器以及舵机中的AD转换器进行初始化，同时读取EEPROM中的数据写入SRAM中，对内存进行初始化； 然后开启全局中断；接着单片机的整个程序将捕捉不同类型的中断进行判断，并根据不同的信号进行相关处理，主要是通过响应需要等待的单片机内16位定时器/计数器捕捉中断和USART接收结束中断两种不同的中断机制来实现与上位机的PWM和RS232通信，得到上位机1的指令，一方面通过响应固有的ADC转换结束中断而获取舵机位置信息反馈给上位机，另一方面通过捕捉响应8位定时器/计数器的溢出中断，根据从上位机1获取的目标信息，结合获取的当前舵机位置信息，采用PID算法实现完成舵机的速度位置运动的控制。如图3所示，是本发明的航模舵机系统中单片机4内的16位定时器/计数器捕捉PWM信号原理图，图中为单片机4内的16位定时器/计数器捕捉PWM信号，在一个脉冲的下降沿13捕捉，记下ICRltop值设置为上升沿捕捉，在同一个脉冲的上升沿14捕捉中断处理，记下ICRltop值设置为下降沿捕捉，获得两次ICRltop值的差值即是捕捉到的PWM信号占空比。参见图4，为本发明中PWM信号处理程序流程。软件部分通过单片机4内的16位定时器/计数器捕捉中断实时接收P丽信号的机制(原理参见图3)，得到舵机内部电路对应的占空比，然后针对不同的PWM信号控制舵机进行不同的操作处理。当PWM信号的高电平时长在Riiin (0.5ms) 和Pmax (2. 5ms)之间时，控制舵机转角；而当PWM信号的占空比
5小于 Pmin 时，根据协议对不同的数值(Pulse_l=50us, Pulse_2=100us, Pulse_3=150us, Pulse_4=200us)进行不同的事情处理，其中当占空比为Pulse_l时反馈舵机当前角度，占空比为Pulse_2、Pulse_3、Pulse_4时分别修改舵机的PID算法相关参数，如P值，D值，死区；占空比大于Pmax的则不予以处理。参见图5，为本发明中USART接收结束中断响应程序流程，软件部分USART结束中断处理程序的内部结构包括“接收数据，判断指令类型，得到参数，执行指令”四个部分，单片机通过RS232信号接口接收上位机指令，对获取的指令数据进行类型判断，而后根据指令格式获取参数，最后控制电机驱动集成电路7执行指令。USART接收中断响应结束。实施例2 应用实施例1本发明的双制控制全数字航模舵机，上位机1发送指令设置速度为第255级，单片机4接收指令，将存储速度SRAM的地址处进行更新，单片机将在更新舵机位置的时候，读取舵机速度，通过PWM信号设置舵机速度为最高为沈0° /s。实施例3 应用实施例1本发明的双制控制全数字航模舵机，上位机1发送指令设置速度为第1级，单片机4接收指令，将存储速度SRAM的地址处进行更新，单片机将在更新舵机位置的时候，读取舵机速度，通过PWM信号设置舵机速度为最低为3. 75° /s。本发明的双制控制全数字航模舵机可以用于人形机器人、机器鱼以及各种仿生机器动物的组成，通过利用本舵机速度可编程调试特性实现动作的柔和性与逼真；而位置信息可获取这一特点可以帮助机器人得到更优的动作模态。本发明的舵机可广泛应用于各个模态的机器人、高级航模的研究与开发。
权利要求
1.一种双制控制全数字航模舵机，包括有信号转换器、单片机、驱动电路、电机、减速齿轮组、电位器和外壳，其特征在于所述的信号转换器采用单线双模控制接口连接上位机， 接收上位机传送过来的角度编码PWM信号或RS232信号，转换成新的角度编码PWM信号或 TTL电平，保存在单片机中用以控制舵机；所述的单片机选用ATmegaS芯片，含有运算存储单元、AD转换器和电机驱动PWM信号模块；ATmegaS芯片上的普通I/O接口串接电机驱动集成电路、直流电机、减速齿轮组和电位器，再连接到ATmegaS芯片上的AD转换器的ADC输入通道；所述的信号转换器、单片机、电机驱动集成电路、直流电机、减速齿轮组和电位器安装在外壳内。
2.根据权利要求1所述的双制控制全数字航模舵机，其特征在于所述的单片机通过 RS232/编码PWM接口与外部的上位机软件通信，实现舵机程序升级，对存储在单片机中的可电擦写存储器内的舵机的死区范围、位置范围、PD控制参数信息进行修改，通过控制指令控制舵机的转角及速度，其中转角范围-90°到+90°，速度255级可调，对应于转速低限 3. 75° /s，高限 260° /s。
3.根据权利要求1所述的双制控制全数字航模舵机，其特征在于所述的单片机通过 AD转换器的ADC通道与电位器相连，单片机的AD转换器将电位器所代表的角度模拟信号转换为数值信号，然后将此角度信息反馈给上位机，使上位机获取舵机当前的角度位置信息。
全文摘要
本发明涉及一种双制控制全数字航模舵机，包括有外壳及安装在外壳内的信号转换器、单片机、驱动电路、直流电机、减速齿轮组、电位器；单片机含有运算存储单元、AD转换器、电机驱动PWM信号模块，单片机采用单线双模控制接口，通过角度编码的PWM信号和RS232两种兼容的模式与上位机通信，接收上位机的控制指令，对舵机的速度进行控制，单片机上的AD转换器与电位器相连，控制舵机的转角，获取舵机当前位置信息，传送给上位机。本舵机的转速有255级可调，其转速低限为3.75°/s，高限为260°/s。本舵机利用数字系统的特点为传统舵机增加了智能，扩展了应用范围，可广泛应用于各种类型的机器人、高级航模的研究与开发。
文档编号A63H27/20GK102188824SQ201110069729
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者孙晶, 时臻, 朱勇, 朱宇, 汪可, 王永艇, 罗忠文, 胡琴 申请人:中国地质大学(武汉)