CN114911178A - 一种基于关键帧动作的舵机控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了舵机控制技术领域的一种基于关键帧动作的舵机控制方法及系统，方法包括如下步骤：步骤S10、获取各舵机的动作控制数据；步骤S20、基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；步骤S30、设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；步骤S40、基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。本发明的优点在于：极大的提升了舵机控制的精度以及灵活性，并克服了多舵机控制的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及舵机控制技术领域，特别指一种基于关键帧动作的舵机控制方法及系统。
背景技术
在儿童玩具、创客教育用具、电动模型等自动控制产品中，均涉及舵机控制，针对舵机控制，传统上通过单片机下发实时信号以控制舵机执行对应动作，当需要同时对多个舵机进行控制时，对于功能较为局限的单片机将会产生控制冲突。
即单片机通过延时函数来控制舵机的转动角度，不断轮询判断当前角度是否达到目标角度，此过程全程占用单片机的运算资源，因此在同一时间内仅能实现单独舵机或是一组绑定的舵机的动作控制，对应用舵机的机器人的动作灵活度有较大的限制。另外，在对角度的多次更新中，时间上的误差会由于数据存储精度而逐渐累积，最终导致舵机动作在时间上的不精确。
针对多舵机控制的冲突问题，可以将相关舵机的动作通过硬件代码预先烧录，通过预置多种协同动作方案的方式进行舵机的驱动，但在使用中便无法对舵机的动作进行实时调整。随着技术的发展，人们对舵机的控制要求朝精细化、智能化发展，传统控制方法显示出的动作僵硬感与低灵活性已无法满足当下需求。
综上所述，传统舵机控制方法存在如下缺点：1、难以精确控制舵机的动作时间；2、占用单片机资源，与单片机的其他工作互斥；3、难以实现多舵机的协调控制；4、舵机动作依赖预先编译的单片机代码，难以在使用中对舵机的动作进行精细控制。
因此，如何提供一种基于关键帧动作的舵机控制方法及系统，实现提升舵机控制的精度以及灵活性，克服多舵机控制的干扰，成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于关键帧动作的舵机控制方法及系统，实现提升舵机控制的精度以及灵活性，克服多舵机控制的干扰。
第一方面，本发明提供了一种基于关键帧动作的舵机控制方法，包括如下步骤：
步骤S10、获取各舵机的动作控制数据；
步骤S20、基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；
步骤S30、设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；
步骤S40、基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。
进一步地，所述步骤S10中，所述动作控制数据包括舵机编号、时间以及角度。
进一步地，所述步骤S20具体为：
分别对各舵机的各所述动作控制数据按时间升序进行排列，进而构建包含若干个动作节点的动作节点数据数组；所述动作节点携带时间和角度。
进一步地，所述步骤S30具体为：
设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，将系统时间t初始化为0，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并将所述系统时间t不断累加帧间隔ts。
进一步地，所述步骤S40具体包括：
步骤S41、基于所述系统时间t从动作节点数据数组中查找各舵机相邻的两个动作节点，基于相邻的两个所述动作节点获取时间t1、角度a1、时间t2、角度a2；其中，t1＜t2，a1＜a2；
步骤S42、设定一动作调制函数f(x),基于所述系统时间t、时间t1以及时间t2计算时间比率Rt：
Rt＝(t-t1)/(t2-t1)；
步骤S43、基于所述动作调制函数f(x)、时间比率Rt、角度a1以及角度a2计算实时角度a：
(a-a1)/(a2-a1)＝f(Rt)
a＝f(Rt)*(a2-a1)+a1。
第二方面，本发明提供了一种基于关键帧动作的舵机控制系统，包括如下模块：
动作控制数据获取模块，用于获取各舵机的动作控制数据；
动作节点数据数组构建模块，用于基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；
系统时间更新模块，用于设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；
角度控制模块，用于基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。
进一步地，所述动作控制数据获取模块中，所述动作控制数据包括舵机编号、时间以及角度。
进一步地，所述动作节点数据数组构建模块具体为：
分别对各舵机的各所述动作控制数据按时间升序进行排列，进而构建包含若干个动作节点的动作节点数据数组；所述动作节点携带时间和角度。
进一步地，所述系统时间更新模块具体为：
设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，将系统时间t初始化为0，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并将所述系统时间t不断累加帧间隔ts。
进一步地，所述角度控制模块具体包括：
动作节点匹配单元，用于基于所述系统时间t从动作节点数据数组中查找各舵机相邻的两个动作节点，基于相邻的两个所述动作节点获取时间t1、角度a1、时间t2、角度a2；其中，t1＜t2，a1＜a2；
时间比率计算单元，用于设定一动作调制函数f(x),基于所述系统时间t、时间t1以及时间t2计算时间比率Rt：
Rt＝(t-t1)/(t2-t1)；
实时角度控制单元，用于基于所述动作调制函数f(x)、时间比率Rt、角度a1以及角度a2计算实时角度a：
(a-a1)/(a2-a1)＝f(Rt)
a＝f(Rt)*(a2-a1)+a1。
本发明的优点在于：
通过在接收到动作执行指令时，将系统时间t初始化为0，以设定的帧间隔ts为周期执行中断函数，并将系统时间t不断累加帧间隔ts，基于动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，即基于绝对时间来对舵机的角度进行控制，保证舵机在精确的时间点旋转到特定角度，实现毫秒级别的精确控制；通过设定动作调制函数f(x)，基于动作调制函数f(x)将舵机角度的旋转封装为一个过程函数，不同舵机之间的过程函数互斥，即能够对多舵机的动作进行逐帧控制，且不同舵机之间互不影响，能够根据需要调制角度旋转的快慢，最终极大的提升了舵机控制的精度以及灵活性，并克服了多舵机控制的干扰。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种基于关键帧动作的舵机控制方法的流程图。
图2是本发明一种基于关键帧动作的舵机控制系统的结构示意图。
图3是本发明舵机组动作测试系统的电路原理框图。
图4是本发明0号舵机与1号舵机的角度变化示意图。
具体实施方式
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：基于绝对时间来对舵机的角度进行控制，保证舵机在精确的时间点旋转到特定角度；设定动作调制函数f(x)将各舵机角度的旋转封装为不同的过程函数，对多舵机的动作进行逐帧控制，能够根据需要调制角度旋转的快慢，以提升舵机控制的精度以及灵活性，克服多舵机控制的干扰。
请参照图1至图4所示，本发明一种基于关键帧动作的舵机控制方法的较佳实施例，包括如下步骤：
步骤S10、获取各舵机的动作控制数据；
步骤S20、基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；
步骤S30、设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；通过定时中断(周期执行中断函数)方法，使得单片机能够同时对多个舵机进行时间与角度上的精确控制，并使多舵机的动作互不干扰，从而实现灵活的多舵机并行控制；
步骤S40、基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。
本发明提供一种基于时间-角度的关键帧动作对多舵机进行复杂动作控制，以单片机为控制核心，通过多路舵机控制板对多路舵机进行协调控制；尤其在需要对不同舵机预编制非关联的复杂动作时，本发明能够起到优良的效果。
所述步骤S10中，所述动作控制数据包括舵机编号、时间以及角度。所述动作控制数据举例如下：
所述步骤S20具体为：
分别对各舵机的各所述动作控制数据按时间升序进行排列，进而构建包含若干个动作节点的动作节点数据数组；所述动作节点携带时间和角度。
所述动作节点数据数组举例如下：
所述步骤S30具体为：
设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，将系统时间t初始化为0，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并将所述系统时间t不断累加帧间隔ts。
所述步骤S40具体包括：
步骤S41、基于所述系统时间t从动作节点数据数组中查找各舵机相邻的两个动作节点，基于相邻的两个所述动作节点获取时间t1、角度a1、时间t2、角度a2；其中，t1＜t2，a1＜a2；即系统时间t为t1时，角度应旋转到a1，系统时间t为t2时，角度应旋转到a2；
步骤S42、设定一动作调制函数f(x),基于所述系统时间t、时间t1以及时间t2计算时间比率Rt：
Rt＝(t-t1)/(t2-t1)；
步骤S43、基于所述动作调制函数f(x)、时间比率Rt、角度a1以及角度a2计算实时角度a：
(a-a1)/(a2-a1)＝f(Rt)
a＝f(Rt)*(a2-a1)+a1；
将当前角度旋转至所述实时角度a，并继续执行下一个所述动作节点的角度旋转动作。
所述动作调制函数f(x)可按需设置，以达到在执行过程中动作以一定规律进行速率变化的效果；例如采用余弦函数中一段对动作进行柔化修饰，使得动作摆脱僵硬感，那么：
f(x)＝(sin(Πx-Π/2)+1)/2；
当Rt＝1时，f(Rt)＝1；当Rt＝0时，f(Rt)＝0，因此在时间来到动作节点时舵机角度是精确的，而在动作节点之间舵机能够以先加速、后减速的方式转动，达到柔化动作的效果。
本发明一种基于关键帧动作的舵机控制系统的较佳实施例，包括如下模块：
动作控制数据获取模块，用于获取各舵机的动作控制数据；
动作节点数据数组构建模块，用于基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；
系统时间更新模块，用于设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；通过定时中断(周期执行中断函数)方法，使得单片机能够同时对多个舵机进行时间与角度上的精确控制，并使多舵机的动作互不干扰，从而实现灵活的多舵机并行控制；
角度控制模块，用于基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。
本发明提供一种基于时间-角度的关键帧动作对多舵机进行复杂动作控制，以单片机为控制核心，通过多路舵机控制板对多路舵机进行协调控制；尤其在需要对不同舵机预编制非关联的复杂动作时，本发明能够起到优良的效果。
所述动作控制数据获取模块中，所述动作控制数据包括舵机编号、时间以及角度。所述动作控制数据举例如下：
| 舵机编号1 |
| 时间1 |
| 角度1 |
| 舵机编号2 |
| 时间2 |
| 角度2 |
| ... |
| 舵机编号N |
| 时间N |
| 角度N |
所述动作节点数据数组构建模块具体为：
分别对各舵机的各所述动作控制数据按时间升序进行排列，进而构建包含若干个动作节点的动作节点数据数组；所述动作节点携带时间和角度。
所述动作节点数据数组举例如下：
所述系统时间更新模块具体为：
设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，将系统时间t初始化为0，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并将所述系统时间t不断累加帧间隔ts。
所述角度控制模块具体包括：
动作节点匹配单元，用于基于所述系统时间t从动作节点数据数组中查找各舵机相邻的两个动作节点，基于相邻的两个所述动作节点获取时间t1、角度a1、时间t2、角度a2；其中，t1＜t2，a1＜a2；即系统时间t为t1时，角度应旋转到a1，系统时间t为t2时，角度应旋转到a2；
时间比率计算单元，用于设定一动作调制函数f(x),基于所述系统时间t、时间t1以及时间t2计算时间比率Rt：
Rt＝(t-t1)/(t2-t1)；
实时角度控制单元，用于基于所述动作调制函数f(x)、时间比率Rt、角度a1以及角度a2计算实时角度a：
(a-a1)/(a2-a1)＝f(Rt)
a＝f(Rt)*(a2-a1)+a1；
将当前角度旋转至所述实时角度a，并继续执行下一个所述动作节点的角度旋转动作。
所述动作调制函数f(x)可按需设置，以达到在执行过程中动作以一定规律进行速率变化的效果；例如采用余弦函数中一段对动作进行柔化修饰，使得动作摆脱僵硬感，那么：
f(x)＝(sin(Πx-Π/2)+1)/2；
当Rt＝1时，f(Rt)＝1；当Rt＝0时，f(Rt)＝0，因此在时间来到动作节点时舵机角度是精确的，而在动作节点之间舵机能够以先加速、后减速的方式转动，达到柔化动作的效果。
本发明的测试过程如下：
采用的舵机组动作测试系统如图3所示，使用USB-TTL串口输入数据，数据经STM32F103核心板处理，采用定时中断实时控制PCA9685舵机控制板，对舵机组进行动作控制。
系统以50ms为帧间隔进行10个舵机的动作控制，刷新频率为20Hz，时间数据数值＝秒数*20；角度数据等于度数，不考虑非整数角度。
使用USB-TTL串口向系统输入三个一组的十六进制节点数据，其中舵机编号1字节，时间数据2字节，角度数据1字节，完整测试数据如下：
01 0005 5a 01 0032 5a 05 0005 5a 05 0032 5a 01 003c 00 05 003c 00 02000f 32 02 0019 00 02 0023 32 02 002d 00 06 000a 00 06 0014 32 06 001e 00 060028 32 06 0032 00 00 0037 00 00 0046 5a 00 0050 3c 00 005a 5a 00 0064 3c 00006e 5a 00 0078 00 09 0032 5a 09 0046 b4 09 006e 00 09 0082 5a 08 0082 00 010082 00 05 0082 00 01 0096 5a 01 00be 5a 01 00c8 00 05 0096 5a 05 00be 5a 0500c8 00 08 0096 3c 08 00be 3c 08 00c8 00
以上数据通过USB-TTL串口读入STM32F103核心板后，STM32F103核心板进行数据分拣。向STM32F103核心板发送执行动作序列指令，舵机组开始动作。假设动作调制函数为线性函数，则在时间为20-200(1秒-10秒)中，0号舵机与1号舵机角度变化如图4所示。STM32F103核心板在动作驱动过程中，每隔50ms对各舵机的角度进行实时刷新，并输出控制命令。
例如，在时间为50-70(2.5秒—3.5秒)的区段舵机0由0度转至90度；在时间为50-60(3秒—3.5秒)的区段舵机1由90度转至0度。
综上所述，本发明的优点在于：
通过在接收到动作执行指令时，将系统时间t初始化为0，以设定的帧间隔ts为周期执行中断函数，并将系统时间t不断累加帧间隔ts，基于动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，即基于绝对时间来对舵机的角度进行控制，保证舵机在精确的时间点旋转到特定角度，实现毫秒级别的精确控制；通过设定动作调制函数f(x)，基于动作调制函数f(x)将舵机角度的旋转封装为一个过程函数，不同舵机之间的过程函数互斥，即能够对多舵机的动作进行逐帧控制，且不同舵机之间互不影响，能够根据需要调制角度旋转的快慢，最终极大的提升了舵机控制的精度以及灵活性，并克服了多舵机控制的干扰。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于关键帧动作的舵机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S10、获取各舵机的动作控制数据；
步骤S20、基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；
步骤S30、设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；
步骤S40、基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。
2.如权利要求1所述的一种基于关键帧动作的舵机控制方法，其特征在于：所述步骤S10中，所述动作控制数据包括舵机编号、时间以及角度。
3.如权利要求1所述的一种基于关键帧动作的舵机控制方法，其特征在于：所述步骤S20具体为：
分别对各舵机的各所述动作控制数据按时间升序进行排列，进而构建包含若干个动作节点的动作节点数据数组；所述动作节点携带时间和角度。
4.如权利要求1所述的一种基于关键帧动作的舵机控制方法，其特征在于：所述步骤S30具体为：
设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，将系统时间t初始化为0，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并将所述系统时间t不断累加帧间隔ts。
5.如权利要求1所述的一种基于关键帧动作的舵机控制方法，其特征在于：所述步骤S40具体包括：
步骤S41、基于所述系统时间t从动作节点数据数组中查找各舵机相邻的两个动作节点，基于相邻的两个所述动作节点获取时间t1、角度a1、时间t2、角度a2；其中，t1＜t2，a1＜a2；
步骤S42、设定一动作调制函数f(x),基于所述系统时间t、时间t1以及时间t2计算时间比率Rt：
Rt＝(t-t1)/(t2-t1)；
步骤S43、基于所述动作调制函数f(x)、时间比率Rt、角度a1以及角度a2计算实时角度a：
(a-a1)/(a2-a1)＝f(Rt)
a＝f(Rt)*(a2-a1)+a1。
6.一种基于关键帧动作的舵机控制系统，其特征在于：包括如下模块：
动作控制数据获取模块，用于获取各舵机的动作控制数据；
动作节点数据数组构建模块，用于基于时间对各舵机的各所述动作控制数据进行排序，进而构建动作节点数据数组；
系统时间更新模块，用于设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，对系统时间t进行初始化，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并更新所述系统时间t；
角度控制模块，用于基于所述动作节点数据数组以及系统时间t确定舵机的旋转角度，并基于预设的动作调制函数对角度旋转过程进行控制。
7.如权利要求6所述的一种基于关键帧动作的舵机控制系统，其特征在于：所述动作控制数据获取模块中，所述动作控制数据包括舵机编号、时间以及角度。
8.如权利要求6所述的一种基于关键帧动作的舵机控制系统，其特征在于：所述动作节点数据数组构建模块具体为：
分别对各舵机的各所述动作控制数据按时间升序进行排列，进而构建包含若干个动作节点的动作节点数据数组；所述动作节点携带时间和角度。
9.如权利要求6所述的一种基于关键帧动作的舵机控制系统，其特征在于：所述系统时间更新模块具体为：
设定一帧间隔ts，基于接收的动作执行指令，将系统时间t初始化为0，以所述帧间隔ts为周期执行中断函数，并将所述系统时间t不断累加帧间隔ts。
10.如权利要求6所述的一种基于关键帧动作的舵机控制系统，其特征在于：所述角度控制模块具体包括：
动作节点匹配单元，用于基于所述系统时间t从动作节点数据数组中查找各舵机相邻的两个动作节点，基于相邻的两个所述动作节点获取时间t1、角度a1、时间t2、角度a2；其中，t1＜t2，a1＜a2；
时间比率计算单元，用于设定一动作调制函数f(x),基于所述系统时间t、时间t1以及时间t2计算时间比率Rt：
Rt＝(t-t1)/(t2-t1)；
实时角度控制单元，用于基于所述动作调制函数f(x)、时间比率Rt、角度a1以及角度a2计算实时角度a：
(a-a1)/(a2-a1)＝f(Rt)
a＝f(Rt)*(a2-a1)+a1。
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2022
- 2022-04-22 CN CN202210429982.0A patent/CN114911178B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114911178B (zh) | 2024-06-25 |
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