一、舵机控制基础

在本教程中，我们将探讨如何在树莓派上使用Python控制舵机。我们的目标是制作一个支持多自由度定位拍照的云台。

主要材料：

• 树莓派3/4/5 ×1
• 9G 180°微型舵机 ×2（如SG90）
• 电阻1KΩ ×2（可选，保护树莓派）
• 摄像头模块（可选）
• 迷你平移/倾斜相机平台


成品演示——舵机控制云台

##### PWM原理

树莓派不能直接输出模拟电信号，但可以使用PWM（脉宽调制）方法模拟。制作一个固定频率的数字信号，通过改变脉冲宽度来改变"平均"输出电压。

PWM工作原理示意图

对于舵机控制，使用"占空比"来定义舵机位置。

占空比与舵机位置对应关系

二、舵机接线

舵机连接到外部5V电源（绝不能直接从树莓派3.3V取电），数据引脚连接到树莓派GPIO：

• GPIO 17 → 仰角舵机（Tilt）
• GPIO 27 → 平移舵机（Pan）

不要忘记将GND连接在一起（树莓派–舵机–外部电源共地）。

可以在树莓派GPIO和舵机数据引脚之间串联一个1KΩ电阻，如果发生舵机故障，这将保护树莓派。

舵机接线实物图

接线示意图

三、舵机校准

以SG90舵机为例：

• 范围：180°
• 电源：4.8V（可使用USB 5VDC外部电源）
• 工作频率：50Hz（周期：20ms）
• 脉冲宽度：1ms到2ms

理论占空比计算：

• 0° → 1ms脉冲 → 占空比 ≈ 2.0%
• 90° → 1.5ms脉冲 → 占空比 ≈ 7.5%
• 180° → 2ms脉冲 → 占空比 ≈ 10%

实际测试中，SG90在3%~13%占空比范围内工作，对应0~180°。

示波器测试PWM信号

转换公式： `dutycycle = angle / 18 + 3`

四、Python舵机控制代码

单舵机控制脚本：

```python

from time import sleep

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setwarnings(False)

def setServoAngle(servo, angle):

pwm = GPIO.PWM(servo, 50)

pwm.start(8)

dutyCycle = angle / 18. + 3.

pwm.ChangeDutyCycle(dutyCycle)

sleep(0.3)

pwm.stop()

if __name__ == '__main__':

import sys

servo = int(sys.argv[1])

GPIO.setup(servo, GPIO.OUT)

setServoAngle(servo, int(sys.argv[2]))

GPIO.cleanup()

```

使用：`sudo python3 angleServoCtrl.py 17 45`（将GPIO17的舵机转到45°）

双舵机云台控制脚本：

```python

from time import sleep

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setwarnings(False)

pan = 27 # 水平

tilt = 17 # 垂直

GPIO.setup(tilt, GPIO.OUT)

GPIO.setup(pan, GPIO.OUT)

def setServoAngle(servo, angle):

assert angle >= 30 and angle <= 150

pwm = GPIO.PWM(servo, 50)

pwm.start(8)

dutyCycle = angle / 18. + 3.

pwm.ChangeDutyCycle(dutyCycle)

sleep(0.3)

pwm.stop()

if __name__ == '__main__':

import sys

if len(sys.argv) == 1:

setServoAngle(pan, 90)

setServoAngle(tilt, 90)

else:

setServoAngle(pan, int(sys.argv[1]))

setServoAngle(tilt, int(sys.argv[2]))

GPIO.cleanup()

```

使用：`sudo python3 servoCtrl.py 45 120`（水平45°、垂直120°）

双舵机云台机械结构

五、云台机械结构组装

将两个舵机作为云台进行组装，可以购买成品云台平台或自己搭建。

云台组装过程

组装好的云台

云台机制工作原理：

• 水平舵机（Pan）水平移动摄像机（方位角）
• 仰角舵机（Tilt）垂直移动摄像机（仰角）


云台移动机制说明

实际使用中，建议使用30°到150°的范围，足以满足摄像头需求。

电气连接完成后整体效果

六、自动循环测试

```python

from time import sleep

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setwarnings(False)

pan = 27

tilt = 17

GPIO.setup(tilt, GPIO.OUT)

GPIO.setup(pan, GPIO.OUT)

def setServoAngle(servo, angle):

assert angle >=30 and angle <= 150

pwm = GPIO.PWM(servo, 50)

pwm.start(8)

dutyCycle = angle / 18. + 3.

pwm.ChangeDutyCycle(dutyCycle)

sleep(0.3)

pwm.stop()

if __name__ == '__main__':

for i in range(30, 160, 15):

setServoAngle(pan, i)

setServoAngle(tilt, i)

for i in range(150, 30, -15):

setServoAngle(pan, i)

setServoAngle(tilt, i)

setServoAngle(pan, 100)

setServoAngle(tilt, 90)

GPIO.cleanup()

```

舵机循环测试运行

示波器显示50Hz PWM信号

七、步进电机控制

除了舵机，树莓派也可以控制步进电机。

硬件准备：

• 28BYJ-48步进电机（带ULN2003驱动板）
• 树莓派GPIO

接线（ULN2003驱动板）：

• IN1 → GPIO17
• IN2 → GPIO18
• IN3 → GPIO27
• IN4 → GPIO22
• VCC → 5V
• GND → GND

Python控制代码：

```python

import RPi.GPIO as GPIO

import time

STEP_SEQ = [

[1,0,0,1], [1,0,0,0], [1,1,0,0], [0,1,0,0],

[0,1,1,0], [0,0,1,0], [0,0,1,1], [0,0,0,1]

]

PINS = [17, 18, 27, 22]

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

for pin in PINS:

GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

GPIO.output(pin, False)

def step_motor(steps, delay=0.002):

direction = 1 if steps > 0 else -1

steps = abs(steps)

for _ in range(steps):

for step in range(8):

for pin_idx, pin in enumerate(PINS):

GPIO.output(pin, STEP_SEQ[step][pin_idx])

time.sleep(delay)

STEP_SEQ.reverse()

for pin in PINS:

GPIO.output(pin, False)

try:

while True:

print("正转一圈...")

step_motor(512, 0.002)

time.sleep(1)

print("反转半圈...")

step_motor(-256, 0.002)

time.sleep(1)

except KeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()

```

步进电机与驱动板连接示意图

步进电机工作演示

八、多个舵机控制扩展

如果同时控制多个电机，推荐使用PCA9685 PWM驱动板（I2C接口），最多可控制16路PWM输出，适合复杂机器人项目。

PCA9685驱动板扩展连接

完整调试现场

九、注意事项

绝对不能直接从树莓派3.3V取电给舵机：SG90约200mA，MG995约1A

步进电机驱动信号需要共地连接

数据引脚和舵机之间可串联1KΩ保护电阻

如需同时控制多个电机，推荐使用PCA9685 PWM驱动板

电机控制建议使用定时器而非sleep，避免阻塞主程序

树莓派同时控制两个以上舵机时需考虑总电流限制

项目代码文件和GitHub仓库

— 舵机控制云台成品 —

— PWM原理示意 —

— 占空比与舵机位置 —

— 舵机接线实物 —

— 接线示意图 —

— 示波器测试 —

— 双舵机云台结构 —

— 云台组装 —

— 组装好的云台 —

— 云台移动机制 —

— 电气连接完成 —

— 循环测试运行 —

— 示波器PWM信号 —

— 步进电机连接 —

— 步进电机工作 —

— PCA9685扩展 —

— 调试现场 —

— GitHub仓库 —

内容综合自：《基于树莓派的多舵机控制定位拍照云台》 + 综合整理