：单片机舵机控制与机器人技术：赋能机器人运动，打造智能机器人

# 1. 单片机舵机控制基础**

舵机是一种由单片机控制的电机，广泛应用于机器人、航模等领域。本章将介绍舵机控制的基本原理，包括舵机结构、工作原理、驱动电路和单片机与舵机的通信协议。

舵机由电机、减速齿轮、位置传感器和控制电路组成。电机负责提供动力，减速齿轮将电机的转速降低，位置传感器检测舵机当前位置，控制电路根据位置传感器反馈的信息控制电机的转动方向和速度，实现舵机的精确定位。

单片机与舵机通信通常采用串行通信协议，如UART或I2C。单片机发送控制指令给舵机，舵机接收指令后执行相应的动作。通过发送不同的指令，单片机可以控制舵机的角度、速度和方向。

# 2.1 舵机控制原理和驱动电路

### 舵机控制原理

舵机是一种带有内置控制电路的电机，它可以接收控制信号并根据信号控制电机的转动角度。舵机控制原理主要包括以下几个方面：

- **位置反馈：**舵机内部有一个位置传感器，用于检测电机的转动角度。
- **控制算法：**舵机控制电路中有一个控制算法，根据位置反馈信号和目标角度信号来计算电机的驱动信号。
- **驱动电路：**舵机控制电路中的驱动电路负责将控制信号转换成电机的驱动信号。

### 舵机驱动电路

舵机驱动电路主要由以下几个部分组成：

- **功率放大器：**功率放大器负责将控制信号放大，以驱动电机。
- **H桥电路：**H桥电路负责控制电机的正反转。
- **限流电路：**限流电路负责限制流过电机的电流，防止电机过流损坏。

**舵机驱动电路原理图：**

graph LR
subgraph 舵机驱动电路
    A[功率放大器] --> B[H桥电路]
    B --> C[限流电路]
    C --> D[电机]
end

**代码块：**

// 舵机驱动电路初始化
void servo_driver_init(void)
{
    // 初始化功率放大器
    power_amp_init();

    // 初始化H桥电路
    hbridge_init();

    // 初始化限流电路
    current_limit_init();
}

**代码逻辑分析：**

该代码块初始化舵机驱动电路，包括功率放大器、H桥电路和限流电路。

**参数说明：**

无

### 舵机控制信号

舵机控制信号一般为脉宽调制（PWM）信号。PWM信号的占空比对应于舵机转动的角度。

**PWM信号波形：**

sequenceDiagram
participant PWM
PWM->>PWM: 0%
PWM->>PWM: 25%
PWM->>PWM: 50%
PWM->>PWM: 75%
PWM->>PWM: 100%

**舵机转动角度与PWM占空比关系：**

| PWM占空比 | 舵机转动角度 |
|---|---|
| 0% | 0° |
| 25% | 45° |
| 50% | 90° |
| 75% | 135° |
| 100% | 180° |

**代码块：**

// 设置舵机转动角度
void servo_set_angle(uint8_t angle)
{
    // 计算PWM占空比
    uint8_t duty_cycle = angle * 2;

    // 设置PWM占空比
    pwm_set_duty_cycle(duty_cycle);
}

**代码逻辑分析：**

该代码块根据舵机转动角度设置PWM占空比，从而控制舵机转动。

**参数说明：**

- `angle`: 舵机转动角度，范围为0~180°

# 3. 机器人运动学与动力学

### 3.1 机器人运动学基础

机器人运动学研究机器人各部件的运动关系，包括位置、速度和加速度。它分为正运动学和逆运动学。

- **正运动学：**已知机器人关节角度，求末端执行器的位置和姿态。
- **逆运动学：**已知末端执行器的位置和姿态，求机器人关节角度。

### 3.2 机器人动力学建模与分析

机器人动力学研究机器人运动产生的力矩和惯性力，包括动力学建模和动力学分析。