智能小车(三):舵机模块与陀螺仪模块

星期日, 11月 10, 2024 | 5分钟阅读 | 更新于 星期日, 12月 8, 2024

YuanFeng Xie

历史回顾

• 智能小车(零):Arduino编程
• 智能小车(一):Arduino介绍
• 智能小车(二):超声波模块与蜂鸣器模块

概要

本节课关注于舵机模块的使用和陀螺仪模块的使用。舵机模块在小车中控制小车转向，陀螺仪模块模块可以控制小车电机的运行速度。

安全须知

舵机模块

Servo.h库

Servo.h 是 Arduino 的标准库，用于控制舵机。它可以控制 0-180 度的旋转角度，通过 PWM 信号来驱动伺服电机，广泛应用于小车、机器人转向等场景。

• Servo myservo;：创建一个舵机对象。

Servo myservo;

• myservo.attach(pin);将舵机连接到指定的 Arduino 引脚上。
• 参数：pin：舵机信号连接的引脚（如 9）。

myservo.attach(9); // 将舵机连接到 9 号引脚

• myservo.write(angle);设置舵机的角度，控制舵机转到指定位置。
• 参数：angle：舵机的目标角度（20-160 度）避免舵机卡死。

myservo.write(90); // 将舵机设置到 90 度

• myservo.detach();从引脚上分离舵机，停止控制舵机。

myservo.detach(); // 停止控制舵机

示例代码

#include <Servo.h>

Servo myservo; // 创建舵机对象
int TurnPin = 9;                    //转向舵机接口
void setup() {
  myservo.attach(TurnPin); // 将舵机连接到 9 号引脚
}

void loop() {
  myservo.write(90);  // 转到 90 度
  delay(1000);        // 延时 1 秒
  myservo.write(160); // 转到 160 度
  delay(1000);        // 延时 1 秒
  myservo.write(40);  // 转到 40 度
  delay(1000);        // 延时 1 秒
  myservo.write(90);  // 转到 90 度
  delay(1000);        // 延时 1 秒
}

思考

1. 观察舵机控制部分的代码，它实现了什么样的运动模式？

提示

思考舵机角度变化的顺序和幅度

解析：

舵机控制的是前轮的转向，其运动序列（90° → 160° → 40° → 90°）模拟了一个完整的转向周期：

• 90°: 直行位置
• 160°: 最大右转
• 40°: 最大左转
• 回到90°: 恢复直行

函数封装与优化

• 代码优化
  • 提高代码可读性：通过将功能相似的代码封装成函数，loop()函数变得更加简洁，逻辑更清晰。
  • 便于维护和扩展：如果需要修改某个动作的实现，只需修改对应的函数，无需遍历整个代码。
  • 代码重用性：封装的函数可以在其他地方重复使用，避免代码冗余。

// 添加函数封装和函数异常管理
#include <Servo.h>

Servo myservo; // 舵机对象
// 舵机引脚
const int TurnPin = 9;

// 初始化设置
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // 舵机初始化
  myservo.attach(TurnPin);
}

// 控制舵机转向的函数，增加异常控制
void setServoAngle(int angle, int delayTime) {
  // 限制角度范围
  if (angle > 160) {
    angle = 160;
  } else if (angle < 20) {
    angle = 20;
  }
  
  myservo.write(angle); // 设置舵机角度
  delay(delayTime);     // 延时
}

// 主循环函数
void loop() {
  // 控制舵机
  setServoAngle(90, 1000);   // 中间位置
  setServoAngle(160, 1000);  // 向右转
  setServoAngle(40, 1000);   // 向左转
  setServoAngle(180, 1000);  // 超过最大角度，自动设为160
  setServoAngle(10, 1000);   // 低于最小角度，自动设为40
}

陀螺仪模块

MPU6050 是一款集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的传感器，可以测量物体的角速度和加速度。以下代码展示了如何使用 Arduino 读取 MPU6050 的陀螺仪和加速度数据。代码使用了 Wire 库进行 I2C 通信，并通过 I2Cdev 和 MPU6050 库来简化与 MPU6050 的数据交互。

代码说明

#include "Wire.h"       // 引入 Wire 库，进行 I2C 通信
#include "I2Cdev.h"     // 引入 I2Cdev 库，用于 I2C 通信简化
#include "MPU6050.h"    // 引入 MPU6050 库，简化对 MPU6050 的操作

MPU6050 Accelgyro;      // 创建 MPU6050 对象
int16_t ax, ay, az;     // 定义加速度计的 x, y, z 轴数据变量
int16_t gx, gy, gz;     // 定义陀螺仪的 x, y, z 轴数据变量

void setup() {
  Wire.begin();             // 初始化 I2C 通信
  Accelgyro.initialize();   // 初始化 MPU6050 传感器
  Serial.begin(9600);       // 初始化串口通信
}

void loop() {
  // 读取 MPU6050 的加速度计和陀螺仪数据
  Accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);

  // 将数据打印到串口监视器
  Serial.print("a/g:\t");
  Serial.print(ax); Serial.print("\t");
  Serial.print(ay); Serial.print("\t");
  Serial.print(az); Serial.print("\t");
  Serial.print(gx); Serial.print("\t");
  Serial.print(gy); Serial.println(gz);

  delay(300);  // 延时 300 毫秒
}

代码解析

1. #include "Wire.h"：Wire 库用于 I2C 通信，Arduino 的 A4 和 A5 引脚分别连接 SDA 和 SCL，允许 Arduino 与 MPU6050 进行数据通信。

2. #include "I2Cdev.h" 和 #include "MPU6050.h"：I2Cdev 和 MPU6050 库用于简化 I2C 设备的读写操作和 MPU6050 传感器的初始化与数据读取。

3. MPU6050 Accelgyro;：创建一个 MPU6050 类的对象 Accelgyro，用于访问 MPU6050 的数据和方法。

4. Accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);：调用 getMotion6() 函数一次性读取加速度计和陀螺仪的所有轴数据，并将其存储在 ax、ay、az、gx、gy、gz 变量中。

5. Serial.print()：将加速度和角速度的数值打印到串口监视器上，用于实时查看 MPU6050 传感器的数据。

主要 API 使用说明

Accelgyro.initialize()

• 功能：初始化 MPU6050 传感器，使其处于工作状态。
• 用法：

  Accelgyro.initialize();

• 说明：该函数会设置 MPU6050 的配置寄存器和默认测量范围，使设备可以正常采集加速度和角速度数据。

Accelgyro.getMotion6(int16_t *ax, int16_t *ay, int16_t *az, int16_t *gx, int16_t *gy, int16_t *gz)

• 功能：一次性读取加速度计和陀螺仪的 x、y、z 轴数据。
• 参数：
  • ax, ay, az：存储加速度计 x、y、z 轴的变量指针。
  • gx, gy, gz：存储陀螺仪 x、y、z 轴的变量指针。
• 用法：

  Accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);

• 说明：读取 MPU6050 的加速度和角速度数据，单位为原始数据格式，需要根据数据手册进行单位转换（如需要加速度的 m/s²，或角速度的 °/s）。

Accelgyro.getAcceleration(int16_t *ax, int16_t *ay, int16_t *az)

• 功能：单独读取加速度计的 x、y、z 轴数据。
• 参数：ax, ay, az：存储 x、y、z 轴加速度数据的变量指针。
• 用法：

  Accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);

• 说明：如果只需要加速度数据，可以用该函数替代 getMotion6()。

Accelgyro.getRotation(int16_t *gx, int16_t *gy, int16_t *gz)

• 功能：单独读取陀螺仪的 x、y、z 轴数据。
• 参数：
  • gx, gy, gz：存储 x、y、z 轴陀螺仪数据的变量指针。
• 用法：

  Accelgyro.getRotation(&gx, &gy, &gz);

• 说明：如果只需要角速度数据，可以用该函数替代 getMotion6()。

串口输出示例

在串口监视器中，将输出如下格式的数据（加速度和陀螺仪数据）：

a/g:  152  -128  1024  50  -60  25
a/g:  150  -125  1020  45  -55  30
...

第三方库添加

陀螺仪模块代码需要调用第三方库的C++代码

• 添加library的参考博文
• 添加library的下载地址
• 添加library后的实现效果参考下图：