Raspberry PI + Servo

Ansteuerung eines Standard Servos mit dem Raspberry PI 3.

Für die spätere Verwendung auf einem Roboter soll der Servo in +/- Grad mit Bezug zur Mittelstellung gesteuert werden.

Weiterhin soll für den Servo, da die beiden Hardware PWMs schon für einen anderen Zweck verwendet werden, der Software PWM zur Anwendung kommen.

Auf die Funktionsweise eines Servos gehe ich hier nicht ein, dies kann bei Bedarf bei http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Servos oder anderen Websites nachgelsen werden.


Hardware

PI3 (oder älter bitte auf die richtigen Pins achten)
Standard-Servo
Diverse Kabel ( Vorgefertigte Pin-Header Kabel)


Aufbau

GPIOs

  • Ansteuerung des Servos GPIO 27

(Die GPIOs gelten nur in Verbindung mit pi4j und wirePi)

 

Plan

 


Software

Entwicklungsumgebung

Als Entwicklungsumgebung verwende ich BlueJ auf dem PI selbst. Hiermit habe ich die folgenden Klassen erstellt.


Code

Erste Testklasse

Hier die erste Testklasse welche alle Positionen des Servos mal abfährt.

233-2

import com.pi4j.wiringpi.SoftPwm;

public class FirstTest
{
    static int max = 27;
    static int min = 4;
    static int pin = 27;

    static void setMin(int min){
        FirstTest.min = min;
    }

    static void setMax(int max){
        FirstTest.max = max;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // initialize wiringPi library
        com.pi4j.wiringpi.Gpio.wiringPiSetup();

        // create soft-pwm pins (min=0 ; max=100)
        SoftPwm.softPwmCreate(pin, 0, 200);

        int j = 0;
        // continuous loop
        while (j < 10) {
            // fade LED to fully ON
            for (int i = min; i <= max; i++) {
                SoftPwm.softPwmWrite(pin, i);
                Thread.sleep(100);
            }

            // fade LED to fully OFF
            for (int i = max; i >= min; i--) {
                SoftPwm.softPwmWrite(pin, i);
                Thread.sleep(100);
            }
            j++;
        }

        // make sure to stop software PWM driver/thread if you done with it.
        //
        SoftPwm.softPwmStop(1);
    }
}

Servo-Klasse

Klasse zur Steuerung des Servos. Die zwei wichtigsten Methoden sind:

  • setPos – Setzen der Position, Wertebereich von posMin bis posMax wobei (posMax-posMin+1)  die Mittelstellung ist.
  • setDeg – Diese Methode projeziert die eingegebende Gradzahl auf die möglichen positionen (sehr ungenau 🙁 )

229-2

import com.pi4j.wiringpi.SoftPwm;
import com.pi4j.io.gpio.Pin;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPin;

/**
 * Control class for servo motors
 * @author Stefan Fambach (With help of many others)
 * @version 0.1
 * 
 * This class can either set position by values between posMin and posMax
 * or it can caluculate the position by an angle where degMin <= angle <= degMax
 * 
 * No warranty free for use see GPL v3.
 */
public class Servo
{
    Pin pin;

    int degMin = -90;
    int degMax = 90;

    int posMin = 4; // to have a center
    int posMax = 25;
    int pos = -1;

    /**
     * range between min and max degree
     */
    double degDelta = degMax - degMin;

    /**
     * range between min and max position
     */
    double posDelta = posMax - posMin;

    /**
     * multiplier for degree to pos calculation
     */
    double multiplier = posDelta/degDelta;

    /**
     * Time in ms to wait after new position is set
     */
    int timeout = 1000;

    /**
     * Default constructor, default pin is GPIO_27
     */
    public Servo(){
        this(RaspiPin.GPIO_27);
    }

    /**
     * Constructor for objects of class Servo
     */
    public Servo(Pin controlPin) 
    {
        this.pin = controlPin;
        // initialize wiringPi library
        com.pi4j.wiringpi.Gpio.wiringPiSetup();

        // create soft-pwm pins (min=0 ; max=100)
        SoftPwm.softPwmCreate(this.pin.getAddress(), 0, 200);

        moveCenter();

    }

    /** 
     * set position in degree, only 20 positions are possible, each step will be calculated
     */
    boolean setDeg(int deg) throws Exception {
        if(deg > degMax){
            throw new Exception( "Entered deg: "+ deg + "is greater maxDeg "+degMax);
        }

        if(deg < degMin){
            throw new Exception( "Entered deg: "+ deg + "is smaller maxDeg "+degMin);            
        }

        if(deg < 0){
            deg = (-degMin)+ deg;
        }else{
            deg -= degMin;
        }

        return setPos((int) (deg * multiplier));
    }

    /** 
     * set position posMin - posMax (default 0-21)
     */
    public boolean setPos(int pos)throws Exception{
        if(pos < 0 ){
            throw new Exception (pos + " Pos to small (<0) ");
        }

        if(pos > posMax ){
            throw new Exception (pos + " Pos to big > "+posMax+")");
        }
        if(pos != this.pos){
            this.pos = pos;
            SoftPwm.softPwmWrite(pin.getAddress(), posMin + pos);
            sleep(timeout);
            SoftPwm.softPwmWrite(pin.getAddress(), 0);
            return true;
        }
        return false;
    }

    /** 
     * set Servo to center position
     */
    public void moveCenter(){
        try{
            setPos((posMax-posMin+1)/2);
        } catch (Exception ex){
            // will hopefully never happen
        }
    }

    /** 
     * set Servo to min position
     */
    public void moveToMinPos(){
        try{
            setPos(0);
        } catch (Exception ex){
            // will hopefully never happen
        }
    }

    /** 
     * set Servo to max position
     */
    public void moveToMaxPos(){
        try{
            setPos(posMax-posMin);
        } catch (Exception ex){
            // will hopefully never happen
        }
    }

    public int getPos(){
        return this.pos;
    }

    public int getDegMin(){
        return degMin;
    }

    public int getDegMax(){
        return degMax;
    }

    public void setDegMin(int min){
        this.degMin = min;
        calculateVariables();
    }

    public void getDegMax(int max){
        this.degMax = max;
        calculateVariables();
    }

    public void setPosMin(int min){
        this.posMin = min;
        calculateVariables();
    }

    public void setPosMax(int max){
        this.posMax = max;
        calculateVariables();
    }

    public int getPosMin(){
        return  this.posMin;
    }

    public int getPosMax(){
        return  this.posMax;
    }

    /**
     * calculate the ranges for deg and pos 
     * as well as the multiplier for degree positioning of the servo
     */
    private void calculateVariables(){
        degDelta = degMax - degMin;
        posDelta = posMax - posMin;
        multiplier = posDelta/degDelta;
    }

    private void sleep(int msec){
        try
        {
            Thread.sleep(msec);
        }
        catch ( InterruptedException e)
        {
        }
    }

    public void release(){
        SoftPwm.softPwmStop(pin.getAddress());
        GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
        gpio.unprovisionPin(new GpioPin[]{gpio.getProvisionedPin(pin)});


    }
}

Test-Klasse

Klasse mit Main-Methode zum Testen des Servos. In der Main-Methode werden alle Positionen abgefahren wobei die Positionierung über den Winkel relativ zur 0 Position erfolgt.

231-2

import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;


public class TestServo
{

    public static void main(String args[]){

        // Create the range sensor
        Servo servo = new Servo(RaspiPin.GPIO_27); 

        int j = 0;

        do {
            System.out.println("***** Start degree test from left to right *****");     

            int curPos = servo.getDegMin()-1;
            // from left to right
            for(int i = servo.getDegMin(); i < servo.getDegMax(); i++){
                try{
                    servo.setDeg(i);
                }catch(Exception e){
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                int cpos = servo.getPos();
                if(cpos > curPos){
                    curPos = cpos;
                    System.out.print("\n "+curPos+" : ");
                }

                System.out.print(i+" , ");

            }

            System.out.println("***** Start degree test from right to left *****");  
            curPos = servo.getDegMax() + 1;
            // from left to right
            for(int i = servo.getDegMax(); i > servo.getDegMin(); i--){
                try{
                    servo.setDeg(i);
                }catch(Exception e){
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                int cpos = servo.getPos();
                if(cpos < curPos){
                    curPos = cpos;
                    System.out.print("\n "+curPos+" : ");
                }
                System.out.print(i+" , ");

            }
            j++;
        } while (j < 5);

        servo.release();
    }
}

Tips

Das Positionieren über die PI4j Lib ist sehr ungenau für die 180° Bewegungspielraum des Servos stehen gerade mal rund 20 (+-2) Positionen zur Verfügung. Das sind rund 9° pro Position.  Evtl. sollte man vorher testen welche Positionen für den Aktuellen Zweck am besten geeignet sind. Sollte der genaue Winkel wichtig sein, ist es besser diesen vorab zu messen als ihn über die setDeg Methode berechnen zu lassen.

Es gibt noch weitere Lib’s (Servoblast, … ) die evtl genauer sind, evtl müsste man auch überlegen die Programmiersprache zu wechseln und dann den Ensprechenden Code über das Nativ-Interface anzusprechen bzw. irgendwie anders 😉 .


Einen anderen Weg gehen …

Ich habe versucht den Software PWM innerhalb eines Threads laufen zu lassen, jedoch ohne Erfolg. Der Servo weigert sich zu funktionieren.  Über die Ursache hierfür bin ich mir noch im unklaren ich nehme allerdings an, dass hierdurch der Timer zerschossen wird.

Nach diversen Tests mit unterschiedlichen Frequenz-Einstellungen habe ich mich entschlossen ServoBlaster od.  besser die PI variante (PiBits) zu verwenden. Die Installation gestaltet sich einfach wie folgt.

258-2

# holen der sourcen
wget https://github.com/richardghirst/PiBits/zipball/master

#umbenennen
mv master pibits.zip

#entpacken
unzip pibits.zip

#bauen
cd richardghirst-PiBits-96014c8/ServoBlaster/user
sudo make install 

#ändern des timeout von 2000 auf 500#
sudo nano /etc/init.d/servoblaster 

#eine reboot ist nicht unbedingt erforderlich 
sudo reboot

#ein starten reicht aus 
sudo /etc/init.d/servoblaster start

Jetzt muss der ServoBlaster nur noch über Java angesprochen werden. Hier ein einfaches Beispiel zum testen.

… kommt noch

Die Implementierung in anständigen Klassen sieht dann wie folgt aus.

… kommt noch


Tips für den neuen Weg

Wenn die exec Funktion von Java nix macht ist hier ein guter Link zum Bugfixing.

http://www.javaworld.com/article/2071275/core-java/when-runtime-exec—won-t.html

Weiterhin könnte es helfen nicht die Println Methode zu verwenden, da zumindest mein PI den Abschluss der Zeile nicht richtig interpretieren konnte. (Beispiel „5=100\n)“ sollte funktionieren).

 

Quellen

http://razzpisampler.oreilly.com/ch05.html
https://github.com/Pi4J/pi4j/blob/master/pi4j-example/src/main/java/MaestroServoExample.java
https://www.bluej.org/raspberrypi/ServoMotor.html
https://phyks.me/2015/05/controlling-servomotors-on-a-raspberry-pi.html
http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Servos
https://github.com/richardghirst/PiBits/tree/master/ServoBlaster

Raspberry Pi Servo Motor Steuerung

Between 0 and 1 – PWM with Raspberry Pi

 


Anhang

Pin-Belegung

 

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