树莓派使用PCA9685控制舵机

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PAC9685是一款专门为LED背光调节而设计的控制芯片，为了提高性能，芯片专门针对红、绿、蓝、琥珀(RGBA)等颜色的混合进行优化，通过输出PWM脉冲信号来控制LED亮度。PAC9685能输出16路(16-channel)PWM信号，也可以用于控制舵机，只需要通过两个I2C接口。本文主要介绍使用树莓派通过PCA9685来控制舵机，实现摄像头的二自由度云台。

本文中涉及的树莓派是3B+，舵机是sg90，首先来一张PCA9685的外观图：

PCA9685芯片工作电压在2.3 - 5.5V，可以由树莓派的3V输出供电，舵机供电使用外部电源，如果使用树莓派的5V输出可能引起树莓派的不稳定。树莓派、PCA9685和舵机的接线图如下：

  • 树莓派3.3V输出连接PCA9685的VCC
  • 树莓派GND连接PCA9685的GND
  • 树莓派SCL连接PCA9685的SCL
  • 树莓派SDA连接PCA9685的SDA
  • 舵机的黄线连接channel 0的PWM
  • 舵机的红线连接channel 0的V+
  • 舵机的棕线连接channel 0的GND

由于PCA9685是通过I2C来控制的，在使用PCA9685之前首先要开启树莓派的I2C接口，输入如下命令:

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sudo raspi-config

选择”5 Interfacing Options - P5 I2C”，启用后重启树莓派。

启用I2C之后，安装python库及i2c工具:

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sudo apt-get install python-smbus
sudo apt-get install i2c-tools

i2c-tools是用来查找7-bit I2C地址：

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sudo i2cdetect -y 1

以上命令会扫描/dev/i2c-1 port，会出来如下信息：

安装adafruit-pca9685：

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sudo pip install adafruit-pca9685

下面是一个使用python来控制舵机的脚本，使用pca9685的channel 4 和 channel 5，通过方向键控制二自由度摄像头云台:

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from __future__ import division
import time
import Adafruit_PCA9685
import sys,tty,termios

class Servo(object):
    def __init__(self):
        self.pwm = Adafruit_PCA9685.PCA9685()
        self.pwm.set_pwm_freq(50)

    def set_angle(self, channel, angle):
        # pulse_width=((angle*11)+500)/1000, 0.5ms - 2.5ms
        # pulse/4096=pulse_width/20
        pulse = int(4096*((angle*11)+500)/20000)
        self.pwm.set_pwm(channel, 0, pulse)

class _Getch:
    def __call__(self, n):
        fd = sys.stdin.fileno()
        old_settings = termios.tcgetattr(fd)
        try:
            tty.setraw(sys.stdin.fileno())
            ch = sys.stdin.read(n)
        finally:
            termios.tcsetattr(fd, termios.TCSADRAIN, old_settings)
        return ch

if __name__ == "__main__":
    pan = 90
    tilt = 90
    servo = Servo()
    servo.set_angle(4, pan)
    servo.set_angle(5, tilt)
    inkey = _Getch()

    print("enter ext for quit")
    try:
        while True:
            k = inkey(3)
            if k == '\x1b[A':
                print("up")
                tilt -= 1
                servo.set_angle(5, tilt)

            elif k == '\x1b[B':
                print("down")
                tilt += 1
                servo.set_angle(5, tilt)

            elif k == '\x1b[C':
                print("right")
                pan += 1
                servo.set_angle(4, pan)

            elif k == '\x1b[D':
                print("left")
                pan -= 1
                servo.set_angle(4, pan)

            elif k == 'ext':
                print("exit")
                servo.set_angle(4, 90)
                servo.set_angle(5, 90)
                break
            else:
                print("not an arrow key!")

    except KeyboardInterrupt:
        pass

PWM频率在设置为50Hz的情况下，输出角度angle为0 ~ 180°C，高电平占空时间pulse_width为0.5 ~ 2.5ms，其为线性关系，可得出方程：

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pulse_width=1/90 * angle + 0.5

近似为:

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pulse_width=(11*angle + 500)/1000

PCA9685的精度(分辨率)为4096(2^12)，可得公式:

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pulse/4096=pulse_width/20

最终得到角度(angle)转4096分辨率(2^12)数值公式为:

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pulse=4096*((angle*11)+500)/20000

参考: