Точная калибровка сервоприводов с Arduino UNO и драйвером Adafruit PWM Shield

Компоненты и материалы

Название	Количество
Arduino UNO	1
Adafruit PWM Servo Driver Shield	1
Болт M3	8
Шайба M3	8
DC-DC преобразователь LM2596 (step-down)	1
PLA пластик красный (для 3D-печати)	1
PLA пластик белый (для 3D-печати)	1
Прозрачный транспортир 180°	1
Потенциометр поворотный	1
Сервопривод 9g	1

Необходимые инструменты

• 3D-принтер

Приложения и онлайн-сервисы

• Arduino IDE
• Autodesk Fusion 360 (для проектирования корпуса)

О проекте

В предыдущем проекте я сравнивал поведение сервоприводов из одной партии и обнаружил существенные различия: при одинаковом PWM-сигнале они поворачивали на разные углы. На фото видно, как сервоприводы, начав с одной позиции, остановились в разных точках.

Почему не использовать стандартные библиотеки сервоприводов?

Я использую Adafruit PWM Servo Driver, который позволяет управлять множеством сервоприводов по I2C (всего 2 пина), вместо выделения отдельного пина на каждый сервопривод. Кроме того, стандартная библиотека Servo иногда посылает сигнал, заставляющий сервопривод уйти в предельное положение с хрустом шестеренок. Дешевые 9g-сервоприводы не отличаются точностью, но для ходового робота мне нужна большая предсказуемость.

Как управлять хоббийными сервоприводами точнее?

Я построил прибор для калибровки: определить, какие PWM-значения соответствуют углам 0°, 90° и т.д., и избежать значений, вызывающих удар по механизму.

Идея проста:

• Сервопривод устанавливается в центр транспортира, чтобы измерять угол поворота штока.
• Потенциометр подключен к аналоговому входу Arduino — вращая его, я меняю PWM-значение и поворачиваю сервопривод.
• Значения PWM считываются через Serial Monitor и записываются вручную.

Корпус спроектирован в Autodesk 123D (ныне Fusion 360) и содержит потенциометр, транспортир, сервопривод, Arduino, драйвер Adafruit и источник питания.

Сборка прибора

Детали напечатаны на 3D-принтере и собраны на болтах M3 с шайбами. Отверстия под конкретные компоненты — при других габаритах могут потребоваться правки.

Электрика: средний вывод потенциометра — на A0, крайние — на 0V и 5V. Драйвер надевается на Arduino. DC-DC преобразователь настроен на 5В от 9В блока питания. Сервопривод подключен к первому слоту драйвера. Скетч загружен в Arduino.

Вращая ручку потенциометра, я поворачиваю сервопривод и фиксирую PWM-значение из Serial Monitor для каждого угла.

Результаты калибровки

Сервопривод установлен так, что крайнее положение по часовой стрелке соответствует чуть более 180° на транспортире. Я поворачивал потенциометр, совмещая шток с отметками 0°, 10°, 20°… 180°, и записывал PWM. Результаты в таблице и на графике.

Зависимость сильно линейна. Для этого сервопривода формула: PWM = 2.35 × Угол + 159.4.

Теперь есть два варианта точного управления:

1. Хранить пары «угол — PWM» в массиве и обращаться к ним (ограничение: только кратно 10°).
2. Использовать линейную регрессию: вычислять PWM по формуле для любого угла. Это дает полный контроль.

Калибровка каждого сервопривода требует времени, но для моего проекта точность того стоит. Важно: после снятия сервопривода шток должен оставаться на месте, так как калибровка привязана к его ориентации.

Улучшения для следующей версии

• Быстросъемное крепление сервопривода (магниты вместо болтов).
• Уменьшение размеров (переориентация Arduino и блока питания).
• Выключатель питания между батареей и преобразователем.
• Меньше деталей для печати.
• Автоматическое определение угла датчиком (исключение параллакса).
• LCD-дисплей для автономной работы без ПК.

Заключение

Дешевые хоббийные сервоприводы не точны, но для многих задач этого достаточно. Мой стенд позволяет извлечь из них больше: достичь повторяемой и предсказуемой работы. Это стоит усилий для проектов, требующих точности.

Код

Скетч для калибратора сервоприводов (C/C++)

#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>
#define analogIn A0
Adafruit_PWMServoDriver pwm = Adafruit_PWMServoDriver();
int inputValue = 0;
int tmpPwmValue = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pwm.begin();
  pwm.setPWMFreq(60);
}

void loop() {
  inputValue = analogRead(analogIn); // 0..1024
  // Наблюдаемо: min/max PWM обычно 100..612
  int pwmValue = (int)(100 + (inputValue / 2));
  pwm.setPWM(0, 0, pwmValue);

  if (pwmValue != tmpPwmValue) {
    Serial.print("Potentiometer Input = ");
    Serial.print(inputValue);
    Serial.print(", PWM = ");
    Serial.println(pwmValue);
  }
  tmpPwmValue = pwmValue;
  delay(15);
}

3D-модели и корпуса

Репозиторий деталей Servo Calibrator

GitHub: ServoCalibrator