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01 无线电轨

一、问题/目标

无线电轨车模精确沿着赛道运行，不仅仅可以放置冲出赛道，更重要的是能够以最懂功率接收到无线电能。这个车模如何拐弯循迹的呢？下面介绍一下这个车模运动方向控制的基本原理，以及在 ESP32中的编程方法。

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二、基本原理

无线电轨车模是一个四轮结构的车模，它依靠后轮驱动，前轮转向控制车模的运动。这种结构也称为阿克曼车辆转向机构，只是车模上进行了简化。前轮转向使用了小型的舵机，它转动轴通过机械连接，可以控制车模前轮的同时转动。

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这种小型舵机的结构大体相同，它们在供电情况下，结构控制脉冲指令，通过内部的电机驱动转轴运动，并使得转轴输出角度与给定脉冲宽度成比例。它是一个内部有位置反馈的随动系统。舵机的引线通常包括电源线，地线以及脉冲信号线。脉冲时间宽度从1ms 到 2ms 分别对应舵机转动角度从最左边转移到最右边。脉冲频率一般取 50Hz 左右。它可以通过 ESP32 中的定时器产生电脉冲来进行驱动。

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在主控板上，连接舵机的端口在电源接口左边，从左到右分别是信号线， 5V电源线，以及地线。电路原理图显示，信号线名称定义为 Servo，通过电阻 R9 进行隔离之后与外界相连。在 ESP32 管脚上， Servo 连接到 IO27 ，这个端口可以定义为内部 PWM 输出端口。下面应用举例中，通过编程来测试舵机的控制。

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三、应用举例

1、测试程序

首先看一下测试程序，前面三个语句分别导入 MicroPython 内部软件包，包括管脚模块和PWM模块。利用time 进行软件延时。这儿是定义了三个全局变量，实际上存储了三个整形常量。最后介绍这三个变量的取值原理。接下来是定一个 PWM 接口，也就是脉冲宽度调制接口，输出舵机控制命令脉冲。第一个参数是 PWM 对应的管脚，原理图上给出对应的 IO27 管脚，第二个是脉冲频率，对应50Hz，第三个是脉冲的占空比，利用前面对应的常量 Servo_Center，对应着 1.5ms。这里声明一个控制板上LED的管脚，用于显示程序执行状态。主程序是一个有 while 定义的无限循环程序。这是程序主题部分。包括有两个几乎相同的部分。第一部分有四句话。 print 语句是通过 REPL 输出信息 Servo Left，表示舵机转轴摆向最左边。 LED 管脚置为 0，对应的低电平，板上 D1 对应的LED点亮。第三句话是核心，设定 PWM 输出信号的占空比。这里使用了 Servo_Left 对应的常量，对应输出脉冲宽度为 1ms。接下来是利用 time 延时0.5秒。第二部分的作用与前面部分几乎相同，只是分别输出 Serve Right, LED 熄灭。设置 PWM 输出脉冲宽度为两毫秒。对应占空比常量是 Servo_Right。程序循环运行之后，输出 PWM 控制信号可以控制舵机左右摆动。

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下面解释一下前面定义的三个变量，它们实际上定义了 PWM 输出三种脉冲宽度对应的 PWM 占空比常量。在定义PWM对象时，设置的频率为 50Hz，对应周期为 20毫秒。在ESP32中，设置PWM占空比使用一个 16位无符号整形数表示整个周期，因此如果输出1.5毫秒的时间脉冲，就使用 1.5 除以 20 ，再乘以0xffff，使用这个常数设置 PWM 的占空比，对应输出便是 1.5毫秒。由于设置占空比的函数 duty 只接受整形数，所以最终利用 int 将计算结果转换成整数数。同样的道理，可以分别得到 1毫秒， 2毫秒 PWM 脉冲宽度所对应的常量。利用这些常量，可以设置 PWM 输出脉冲时间宽度， 1.5毫秒， 1毫秒， 2毫秒通常情况下使得舵机输出轴处在中间，左边以及右边。这三个常量在后面的程序中被使用。

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from machine                import Pin,PWM
import machine
import time

Servo_Center = int(1.5*0xffff/20)
Servo_Left = int(1*0xffff/20)
Servo_Right = int(2*0xffff/20)

servo = PWM(Pin(27), freq=50, duty_u16=Servo_Center)

LED0 = Pin(2, Pin.OUT)
LED0.value(1)

while True:
    print('Servo Left')
    LED0.value(0)
    servo.duty_u16(Servo_Left)
    time.sleep(0.5)

    print('Servo Right')
    LED0.value(1)
    servo.duty_u16(Servo_Right)
    time.sleep(0.5)

2、测试结果

将程序拷贝到 Thonny 环境之内，运行之后，可以看到 Shell 窗口内交替出现 Servo Left, Servo Right 。这说明程序运行正常。在电路板上，可以看到 LED1 大约 1 Hz 的频率闪烁。

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使用示波器，测量ESP32主控板舵机的控制信号波形，可以看到输出幅值为3V的脉冲，它的宽度呈现周期变化。缩小示波器时基频率，看到舵机控制信号的频率为 50Hz，这与软件设定的 PWM 频率是一致的。拉宽示波器时基，可以看到输出脉冲信号时间宽度，两种时间宽度分别是 1毫秒以及两毫秒。这是前面测试程序对应的输出信号波形。

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将一个舵机的控制引线接入主控板的舵机接口。大家注意到舵机引线的颜色分别是白、红、黑。对应着信号线、电源线以及地线。这个顺序与舵机接口是对应的。舵机接入后，便开始每隔一秒钟来回摆动一次。这与软件给定的指令是对应的。大家需要知道，具体摆动的角度，在相同的控制信号作用下，与舵机的具体型号有关系。因此，需要通过修改软件来改变舵机转动的角度。

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▲ 图1.3.1 舵机运动

▲ 图1.3.1 舵机运动

四、知识联系

需要说明的是，舵机控制信号所使用的 PWM 对象，与后面控制电机速度的 PWM 是相同的，都属于脉冲宽度调制信号。只是他们各自使用不同的ESP32 的输出管脚，电机控制信号的频率往往是在几千赫兹，使用不同的占空比来控制电机运行的不同速度。占空比越大，等效施加在电机上的电压就越大，电机转速就越高。因此掌握 PWM 的用途，可以控制不同的对象。

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