創(chuàng)客們的DIY必備“法寶”：舵機(jī)

劉宗凡 邱元陽 倪俊杰

楊磊：生活中經(jīng)常在模型制作中看到舵機(jī)的身影，那么舵機(jī)怎么分類呢？

劉宗凡：舵機(jī)有很多種分法。

（1）按使用舵機(jī)的航模類型分為：①航空模型舵機(jī)（要求速度快、精度高）。②航海模型舵機(jī)（要求防水、扭力大）。③車模舵機(jī)（要求扭力大且有一定防水能力）。當(dāng)然，這些特點都是相對的。

（2）按照舵機(jī)信號分為：①模擬舵機(jī)（速度稍慢）。②數(shù)字舵機(jī)（速度相對較快）。

（3）按使用的齒輪分為：①塑料齒舵機(jī)（強(qiáng)度稍差但便宜省電）。②金屬齒舵機(jī)（一般扭力較大、強(qiáng)度高但價格偏貴且費電）。

（4）按尺寸（空模）分為：①標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)（相對較大）。②9g舵機(jī)和8g舵機(jī)（8g舵機(jī)比9g舵機(jī)小一圈，但都比標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)小得多）。

（5）按用途（油動固定翼）分為：①油門舵機(jī)（不要求過大扭力，要求齒輪的可靠以及整個舵機(jī)的可靠，因為發(fā)動機(jī)油門是整個飛機(jī)中震動最厲害的部位）。②副翼舵機(jī)（尺寸和精度上有要求，是扁的，比較容易放進(jìn)薄的機(jī)翼但要比標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)寬）。③垂尾/平尾舵機(jī)（要求扭力大、精度高）。

楊磊：這么多種類的舵機(jī)，該如何選擇呢？

邱元陽：其實，選擇舵機(jī)并沒那么難，盡管上述分得很細(xì)，但無非還是在了解性能的基礎(chǔ)上，按照我們想做的物品來選擇舵機(jī)。我認(rèn)為可以把舵機(jī)的種類再粗略地分為大扭力、微型、標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)。如圖1所示，最右邊身材不錯的是常見的標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，中間兩個小不點是體積最小的微型舵機(jī)，左邊的魁梧的那個是體積最大的大扭力舵機(jī)。它們都是同樣的三線控制，因此可以根據(jù)需求換個大個的或小個的。

除了大小和重量，舵機(jī)還有兩個主要的性能指標(biāo)——扭力和轉(zhuǎn)速，這兩個指標(biāo)由齒輪組和電機(jī)所決定。扭力，通俗地講就是舵機(jī)有多大的勁兒。在5V的電壓下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力是5.5千克/厘米（75盎司/英寸）。轉(zhuǎn)速很容易理解，就是指從一個位置轉(zhuǎn)到另一個位置要多長時間。在5V電壓下，舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)度是0.2秒移動60度?？傊?，和我們?nèi)艘粯?，舵機(jī)的個子越大，轉(zhuǎn)得就越慢但也越有勁兒。

舵機(jī)的改裝

楊磊：常用的舵機(jī)都是0～180度轉(zhuǎn)動，如果我們的項目需要0～360度旋轉(zhuǎn)，是否可以實現(xiàn)呢？

邱元陽：其實，現(xiàn)在市面上已經(jīng)有舵機(jī)是0～360度旋轉(zhuǎn)了，在很多機(jī)械臂上就有使用，如Parallax公司（BASIC Stamp微處理器的制造商）有一款即用型、標(biāo)準(zhǔn)尺寸的連續(xù)轉(zhuǎn)動舵機(jī)。不過，接下來我以HTX500舵機(jī)為例，介紹一下如何將傳統(tǒng)的舵機(jī)改裝成0～360度的舵機(jī)。

如圖2所示，任何舵機(jī)都能變成一個雙向、可調(diào)速的降速齒輪電機(jī)。通常情況下，需要驅(qū)動芯片和其他一些零件才能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，這些部件舵機(jī)中都會附帶。

需要改動的是部分的電路模塊和機(jī)械模塊，電路模塊中，我們要找兩個阻值相同的電阻來充當(dāng)電位計，機(jī)械模塊中，則要去掉防止電機(jī)過速的擋板（如圖3）。

首先，卸開舵機(jī)外殼，HTX500舵機(jī)的外殼由3個塑料擋板扣在一起（如圖4）。你可以用一字改錐或類似的片狀工具把它撬開，然后從軸上取下齒輪組，再從下面小心取出舵機(jī)的電路板。舵機(jī)上有兩個機(jī)械制動擋板，用尖嘴鉗卸下驅(qū)動軸基座上的金屬擋板，用斜嘴鉗卸下外殼頂部的塑料擋板。

然后，用兩個阻值相加約5kΩ的電阻來替代5kΩ的電位計，實際制作中，選一對2.2kΩ的電阻就能滿足要求了。把電位計上的3根線焊到電阻上（如上頁圖5），再把這個重新組裝成的家伙用絕緣膠帶或是絕緣管纏好（如上頁圖6），最后再和電路板一起重新塞進(jìn)舵機(jī)外殼中，扣好外殼，一個改造好的舵機(jī)就呈現(xiàn)在我們面前了。手工制作階段到此就結(jié)束了，但是現(xiàn)在還不能高興得太早，因為只有找到基準(zhǔn)點才算是大功告成。在理想條件下，如果兩個電阻完全相同，舵機(jī)就能精確地停到90度的位置上。但理想和現(xiàn)實總是會差那么一點點，因此舵機(jī)沒像理想中的那樣精確。最后，為了使舵機(jī)控制更精確，我們要找到一個基準(zhǔn)點，方法是把上面編的程序灌進(jìn)電路中，通過實驗來看舵機(jī)究竟停在哪個角度，這個角度每個舵機(jī)都不相同，所以得出結(jié)果后要記錄下來。業(yè)余愛好者常用的舵機(jī)一般是用電位計來檢測驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動到的角度，而用在工業(yè)機(jī)器人、電腦數(shù)控機(jī)床等大型系統(tǒng)中的舵機(jī)一般則要用旋轉(zhuǎn)編碼器來確定位置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器的原理是把一個帶有窄縫的圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，然后用一個LED燈和一個光敏元件記錄光通過窄縫照到光敏器件上的次數(shù)來計算當(dāng)前旋轉(zhuǎn)到的位置。生活中這種技術(shù)也很常見，如我們每天都要用的光電鼠標(biāo)就是用這個原理制作成的。

創(chuàng)客教學(xué)中的舵機(jī)應(yīng)用

楊磊：創(chuàng)客教育由于其特有的“做中學(xué)”“玩中學(xué)”的特點，受到了越來越多的中小學(xué)生的喜愛，優(yōu)秀的作品層出不窮，很多作品中都能見到舵機(jī)的身影，能不能給初學(xué)者幾個入門小案例呢？

倪俊杰：我先來說說如何控制舵機(jī)。我們都知道，舵機(jī)有一個三線的接口，黑色（或棕色）的線是接地線，紅線接+5V電壓，黃線（或是白色或橙色）接控制信號端（如圖7）。

控制信號（如圖8）是一種脈寬調(diào)制（PWM）信號，凡是微控制器都能輕松產(chǎn)生這種信號。這里我用的是Arduino開發(fā)環(huán)境下的微控制器。脈沖的高電平持續(xù)1到2毫秒，也就是1000到2000微秒。在1000微秒時，舵機(jī)左滿舵。在2000微秒時，右滿舵。當(dāng)然，還可以通過調(diào)整脈寬來實現(xiàn)更大或者更小范圍內(nèi)的運(yùn)動?？刂泼}沖的低電平每經(jīng)過20毫秒（50次每秒），就要再次跳變?yōu)楦唠娖?，否則舵機(jī)就可能罷工，難以保持穩(wěn)定。

如圖9所示，紅色和黑色的線分別接到Arduino開發(fā)板的5V電源腳和接地腳上?？刂凭€接到Arduino開發(fā)板的數(shù)字輸入/輸出腳9腳上。Arduino控制舵機(jī)有兩種方法，第一種是通過Arduino的普通數(shù)字傳感器接口產(chǎn)生占空比不同的方波，模擬產(chǎn)生PWM信號進(jìn)行舵機(jī)定位。第二種是直接利用Arduino自帶的Servo函數(shù)進(jìn)行舵機(jī)的控制，這種控制方法的優(yōu)點在于程序編寫。

我們先看看Servo函數(shù)控制方法。先不使用電位計控制，只是使用程序來控制一個舵機(jī)，將如圖10所示的程序復(fù)制到Arduino IDE中。

接著，選擇正確的板卡型號和端口，將程序上傳到控制器中（如下頁圖11）。

在上傳過程中，Arduino控制器板載的TX RX燈會頻閃。按照圖9中的電路進(jìn)行實驗硬件的連接時應(yīng)注意，舵機(jī)線一種是紅、黑、黃（紅色連接Vcc、黑色連接GND、黃色連接信號S），還有一種是棕、紅、橙（棕色連接GND、紅色連接Vcc、橙色連接信號S）。

實驗效果：舵機(jī)會自動從-90度轉(zhuǎn)動到90度，再從90度轉(zhuǎn)動到-90度。注意，當(dāng)ArduinoUNO控制器連接到電腦供電時，舵機(jī)會自動歸回中間位置。

代碼回顧：

（1）#include載入Servo.h庫文件。

（2）Servo myservo：建立一個舵機(jī)對象，名稱為myservo。

（3）myservo.attach（9）：將引腳9上的舵機(jī)與舵機(jī)對象連接起來。

attach函數(shù)連接一個舵機(jī)對象到指定的引腳上，attch函數(shù)可以有1或3個參數(shù)。如果使用3個函數(shù)，第一個參數(shù)表示引腳，第二個參數(shù)表示最小角度（0度）的脈沖寬度，單位是微秒（默認(rèn)是544），第三個參數(shù)表示最大角度（180度）的脈沖寬度，單位是微秒（默認(rèn)是2400）。通常情況下，只需要設(shè)置舵機(jī)引腳，忽略第二和第三個參數(shù)。

（4）myservo.write（pos）：寫角度到舵機(jī)。

邱元陽：我再來介紹一個有趣的小案例——繪圖小車。如圖12，安裝好的繪圖小車包含了舵機(jī)兩個、9V電池、面包板、Arduino電路板、三福記號筆各一個，外加一對塑料輪子。它的部件都可以用熱膠粘到一起。關(guān)于輪子的選擇，更是簡單，只要是直徑在1到3英寸的圓東西都能用，如塑料瓶蓋之類的。為了減小摩擦，增大牽引力，可在車輪上纏上塑料膠帶。這樣組裝階段就完成了。接下來就是程序了，它的程序用一個包含基準(zhǔn)點的變量來制動舵機(jī)，這個基準(zhǔn)點我們上面已經(jīng)通過實驗測出。程序的控制流程為：先讓一個舵機(jī)朝一個方向運(yùn)動一段時間，然后換成另一個舵機(jī)轉(zhuǎn)動，這樣就能得到一個螺線形的圖畫了。如圖13所示程序代碼。

航模中的舵機(jī)應(yīng)用

楊磊：很多學(xué)校將航模作為創(chuàng)客教育的一門重要科目。遙控飛機(jī)模型的制作，可以非常好地鍛煉學(xué)生的動手動腦能力。固定翼飛機(jī)的制作和操控，對學(xué)生有極強(qiáng)的吸引力。其中，固定翼飛機(jī)模型中舵機(jī)的作用舉足輕重，因為模型飛機(jī)需通過舵機(jī)來拉動副翼、升降舵、方向舵上下或者左右偏轉(zhuǎn)，否則無法控制飛機(jī)升降和轉(zhuǎn)彎，當(dāng)然更別談特技動作了。這些工作是需要舵機(jī)來完成的。能否詳細(xì)介紹一下航模中的舵機(jī)使用及安裝？

倪俊杰：我們首先要明確固定翼飛機(jī)中主要的三個功能舵：方向舵、升降舵、副翼（如圖14）。

方向舵是指在垂直尾翼上用來實現(xiàn)飛機(jī)航向操縱的可活動的翼面部分，一般用鉸鏈連接在垂直安定面后部。駕駛員可通過腳蹬操縱它左右偏轉(zhuǎn)，從而控制飛機(jī)航向。方向舵左轉(zhuǎn)，氣流作用產(chǎn)生一個使尾部向右的力矩，使機(jī)頭向左，改變了飛機(jī)航向。方向舵右轉(zhuǎn)則機(jī)頭向右。有時駕駛員也可以利用方向舵配合機(jī)翼的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行側(cè)傾操縱，起到部分替代副翼的作用。在螺旋槳飛機(jī)上，如果多發(fā)動機(jī)中的一個發(fā)動機(jī)失效或單發(fā)動機(jī)飛機(jī)的螺槳扭矩異常都可通過調(diào)整方向舵的偏轉(zhuǎn)，使飛機(jī)繼續(xù)飛行，方向舵向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)的角度最大為20度至30度。

升降舵是飛機(jī)水平尾翼可操縱的部分，主要作用是控制飛機(jī)的俯仰運(yùn)動，當(dāng)需要飛機(jī)抬頭向上飛行時，駕駛員就會操縱升降舵向上偏轉(zhuǎn)，此時升降舵所受到的氣動力向下，對飛機(jī)產(chǎn)生一個抬頭的力矩，飛機(jī)就抬頭向上了。反之，如果駕駛員操縱升降舵向下偏轉(zhuǎn)，飛機(jī)就會在氣動力矩的作用下低頭。這種俯仰運(yùn)動的強(qiáng)度由重心和水平尾翼面的距離（力臂的大?。┖退轿膊恳砻嫔蠚鈩恿τ行詻Q定。

副翼的翼展一般約占整個機(jī)翼翼展的六分之一到五分之一，其翼弦占整個機(jī)翼弦長的五分之一到四分之一。飛行員向左壓駕駛盤，左邊副翼上偏，右邊副翼下偏，飛機(jī)向左滾轉(zhuǎn)；反之，向右壓駕駛盤右副翼上偏，左副翼下偏，飛機(jī)向右滾轉(zhuǎn)。

劉宗凡：固定翼飛機(jī)通過遙控器控制舵機(jī)，調(diào)整功能舵的角度，進(jìn)而控制飛機(jī)動作。舵機(jī)安裝得是否合適，直接決定飛機(jī)的“安全”和超控。很多新手在連接舵機(jī)與舵面時都會遇到困難，上頁圖15為安裝完的理想狀態(tài)，下面用圖解的方式介紹如何安裝舵機(jī)。

圖16是一個沒有安裝搖臂的舵機(jī)，怎么確定中立位是其中的難點。先裝上搖臂，用手掰動它，搖臂處于兩邊最頂點，并且角度相差不大，這就是中立點（如圖17、圖18）。但為什么還會有角度差異呢？因為搖臂是通過齒輪安裝上去的，避免不了有點角度的差異，這是可以忽略的。

打開遙控器，接上電源，這時可以看到搖臂處于中立位了。圖19是連桿，要彎成這個樣子，便于安裝拆卸。安裝好了就可以擰上螺絲了（如圖20）。

航模的樂趣不僅僅是遙控飛機(jī)在天空翱翔，動手制作的過程也是其樂無窮的。以上只是介紹了一個舵機(jī)安裝，根據(jù)所制作模型的不同，可能是3通道或4通道甚至更多，需要控制的舵機(jī)數(shù)量也隨之增加，但安裝過程都是一樣的。