【花雕学编程】Arduino RTOS 之控制多个舵机

驴友花雕

于 2024-11-23 09:10:51 发布

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分类专栏：开源硬件文章标签： mfc c++ 嵌入式硬件单片机控制多个舵机 Arduino RTOS

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Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

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Arduino FreeRTOS是一个结合了Arduino平台和FreeRTOS实时操作系统（RTOS）的概念。为了全面详细地解释这个概念，我们可以从以下几个方面进行阐述：

一、Arduino平台
Arduino是一个开源的硬件和软件平台，旨在简化电子设备的原型设计和开发。它包含了一系列基于易用硬件和软件的微控制器，以及一个用于编写和上传代码的集成开发环境（IDE）。Arduino平台以其简洁的编程接口和丰富的扩展功能，成为了电子爱好者、设计师、工程师和艺术家们的首选工具。

二、FreeRTOS实时操作系统（RTOS）
FreeRTOS是一个开源的、轻量级的实时操作系统内核，专为嵌入式设备设计。它提供了任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、软件定时器等一系列功能，以满足较小系统的需求。FreeRTOS以其源码公开、可移植、可裁减和调度策略灵活的特点，受到了广大嵌入式开发者的青睐。

三、Arduino FreeRTOS
1、定义：Arduino FreeRTOS是指在Arduino平台上运行FreeRTOS实时操作系统的解决方案。它允许开发者在Arduino设备上实现多任务并行处理，从而提高程序的灵活性和响应性。

2、功能：
多任务处理：使用FreeRTOS，开发者可以在Arduino上同时运行多个任务，每个任务独立执行不同的操作。这有助于将复杂的项目分解为多个并发执行的部分，从而提高开发效率。
实时性要求高的应用：FreeRTOS能够确保任务按照预定的时间约束执行，满足实时性要求。通过设置任务的优先级和时间片轮转调度策略，开发者可以控制任务的执行顺序和频率。
通信与同步：FreeRTOS提供了多种通信和同步机制，如队列、信号量、互斥锁等。这些机制有助于在不同的任务之间进行数据交换和同步操作，实现任务之间的协作。
低功耗应用：FreeRTOS提供了休眠和唤醒机制，有助于优化功耗。开发者可以将某些任务设置为休眠状态，在需要时唤醒它们来执行操作，从而减少功耗。

3、优势：
提高程序的复杂性和功能：通过多任务并行处理，Arduino FreeRTOS允许开发者实现更复杂的软件架构和更高效的代码执行。
增强实时性：FreeRTOS确保了任务的实时响应，这对于需要精确时间控制的应用至关重要。
简化编程：将复杂的逻辑分解为多个任务，使得代码更易于理解和维护。
移植性：FreeRTOS支持多种微控制器平台，使得基于FreeRTOS的项目在不同硬件间的移植变得更加容易。

4、注意事项：
虽然FreeRTOS带来了多任务的优势，但也会增加编程难度和调试工作。因此，在选择是否使用FreeRTOS时，开发者需要权衡利弊。
在使用FreeRTOS时，开发者需要注意任务堆栈大小、优先级设置等参数，以确保系统的稳定性和可靠性。
综上所述，Arduino FreeRTOS是一个结合了Arduino平台和FreeRTOS实时操作系统的强大解决方案。它允许开发者在Arduino设备上实现多任务并行处理，提高程序的复杂性和功能，同时保持代码的可读性和可靠性。

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Arduino RTOS 控制多个舵机

主要特点
实时性：
RTOS（实时操作系统）能够提供实时任务调度，确保舵机控制信号精准且及时。这对于需要高精度控制的应用尤为重要。

多任务处理：
Arduino RTOS 支持多线程，可以同时控制多个舵机，而不需要在主循环中逐一处理。这使得代码更简洁，逻辑更清晰。

优先级管理：
RTOS 允许为不同的任务设置优先级，从而在多个舵机控制任务中，重要的任务可以优先执行。

资源管理：
RTOS 提供更好的资源管理机制，可以有效管理内存和CPU时间，降低系统崩溃的风险。

应用场景
机器人控制：
在机器人项目中，多个舵机通常用于控制关节或执行器，RTOS 可以确保各个舵机的同步和协调。

自动化设备：
在工业自动化或家居自动化中，舵机可以用于开关阀门、调节摄像头角度等，RTOS 能够处理复杂的控制逻辑，提高系统的效率和响应速度。

无人机或航模：
在无人机或航模中，舵机用于控制升降舵、方向舵等，RTOS 的实时性可以确保飞行控制的稳定性。

手势识别和动作捕捉：
在手势识别系统中，多个舵机可能用于模拟手的动作，RTOS 可以帮助实时处理传感器数据并快速驱动舵机。

注意事项
任务优先级设置：
合理设置任务的优先级是关键，过高的优先级可能导致低优先级任务无法及时执行，影响系统整体性能。

资源占用：
由于 RTOS 会引入多任务机制，需注意内存和CPU资源的占用，避免造成系统崩溃或响应迟缓。

舵机电源管理：
多个舵机同时工作时，电源需求增加，要确保电源供应足够，并具有良好的电源管理，以防止电压波动影响舵机性能。

调试和测试：
多任务环境下的调试相对复杂，建议使用日志或调试工具进行详细的监控和测试，确保每个舵机的控制逻辑正常。

时延和同步：
在需要实现精确同步的场景中，要注意舵机的响应时间和控制信号的时延，确保各个舵机动作协调。

总结
使用 Arduino RTOS 控制多个舵机能够有效提升系统的实时性和多任务处理能力，适用于广泛的应用场景。然而，在设计和实现过程中，需要充分考虑任务优先级、资源管理以及电源供应等问题，以确保系统的稳定性和可靠性。

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1、基本的多舵机控制任务

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <Servo.h>

// 定义舵机对象
Servo servo1;
Servo servo2;

// 定义舵机引脚
const int servoPin1 = 9;
const int servoPin2 = 10;

void setup() {
  // 附着舵机到引脚
  servo1.attach(servoPin1);
  servo2.attach(servoPin2);
  
  // 创建任务
  xTaskCreate(ServoTask1, "ServoTask1", 1000, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(ServoTask2, "ServoTask2", 1000, NULL, 1, NULL);
  
  // 启动调度器
  vTaskStartScheduler();
}

void ServoTask1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 设置舵机1的角度
    for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
      servo1.write(angle);
      vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时20毫秒
    }
    for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
      servo1.write(angle);
      vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时20毫秒
    }
  }
}

void ServoTask2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 设置舵机2的角度
    for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
      servo2.write(angle);
      vTaskDelay(30 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时30毫秒
    }
    for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
      servo2.write(angle);
      vTaskDelay(30 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时30毫秒
    }
  }
}

void loop() {
  // 空循环，任务在RTOS调度器中运行
}

2、带有同步控制的多舵机任务

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <Servo.h>

// 定义舵机对象
Servo servo1;
Servo servo2;

// 定义舵机引脚
const int servoPin1 = 9;
const int servoPin2 = 10;

// 信号量句柄
SemaphoreHandle_t xSemaphore;

void setup() {
  // 附着舵机到引脚
  servo1.attach(servoPin1);
  servo2.attach(servoPin2);
  
  // 创建信号量
  xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
  
  // 创建任务
  xTaskCreate(ServoTask1, "ServoTask1", 1000, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(ServoTask2, "ServoTask2", 1000, NULL, 1, NULL);
  
  // 启动调度器
  vTaskStartScheduler();
}

void ServoTask1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 设置舵机1的角度
    for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
      servo1.write(angle);
      vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时20毫秒
    }
    for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
      servo1.write(angle);
      vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时20毫秒
    }
    // 释放信号量，通知舵机2任务
    xSemaphoreGive(xSemaphore);
  }
}

void ServoTask2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 等待信号量
    if (xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
      // 设置舵机2的角度
      for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
        servo2.write(angle);
        vTaskDelay(30 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时30毫秒
      }
      for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
        servo2.write(angle);
        vTaskDelay(30 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时30毫秒
      }
    }
  }
}

void loop() {
  // 空循环，任务在RTOS调度器中运行
}

3、带有优先级控制的多舵机任务

#include <Arduino.h>
#include <FreeRTOS.h>
#include <Servo.h>

// 定义舵机对象
Servo servo1;
Servo servo2;

// 定义舵机引脚
const int servoPin1 = 9;
const int servoPin2 = 10;

void setup() {
  // 附着舵机到引脚
  servo1.attach(servoPin1);
  servo2.attach(servoPin2);
  
  // 创建任务
  xTaskCreate(ServoTask1, "ServoTask1", 1000, NULL, 2, NULL); // 高优先级任务
  xTaskCreate(ServoTask2, "ServoTask2", 1000, NULL, 1, NULL); // 低优先级任务
  
  // 启动调度器
  vTaskStartScheduler();
}

void ServoTask1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 设置舵机1的角度
    for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
      servo1.write(angle);
      vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时20毫秒
    }
    for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
      servo1.write(angle);
      vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时20毫秒
    }
  }
}

void ServoTask2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 设置舵机2的角度
    for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {
      servo2.write(angle);
      vTaskDelay(30 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时30毫秒
    }
    for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {
      servo2.write(angle);
      vTaskDelay(30 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时30毫秒
    }
  }
}

void loop() {
  // 空循环，任务在RTOS调度器中运行
}

要点解读
任务的创建与调度：

使用xTaskCreate函数创建多个任务，并通过vTaskStartScheduler启动RTOS调度器，确保任务在RTOS调度器的管理下运行。每个任务都有一个优先级，RTOS调度器根据优先级决定任务的执行顺序。

多任务协调：

在多个舵机控制任务中，通过信号量或优先级等机制实现任务间的协调和同步，确保任务按预定的顺序执行，从而实现舵机的按序或同步控制。

优先级设置：

在示例三中，设置了不同任务的优先级。高优先级任务会优先执行，从而确保系统能够按照预期顺序和频率执行任务，保证系统的实时性和响应速度。

信号量同步：

在示例二中，使用信号量实现任务间的同步。任务1在完成其操作后释放信号量，通知任务2继续执行。这样可以确保任务按顺序执行，避免冲突和数据竞争。

调试与反馈：

使用Serial.print和Serial.println函数将任务的运行状态打印到串口监视器，便于实时监控和调试系统的运行状态。这对于确保系统按照预期动作并及时发现和解决问题非常重要。

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4、同时控制多个舵机

#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>
#include <Arduino_FreeRTOS.h>

#define SERVO_COUNT 3

Servo servos[SERVO_COUNT]; // 创建舵机数组
int positions[SERVO_COUNT] = {0, 0, 0}; // 初始位置

void servoTask(void *pvParameters);

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    for (int i = 0; i < SERVO_COUNT; i++) {
        servos[i].attach(9 + i); // 将舵机连接到9, 10, 11引脚
    }
    xTaskCreate(servoTask, "Servo Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler(); // 启动调度器
}

void loop() {
    // 空循环
}

void servoTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        for (int i = 0; i < SERVO_COUNT; i++) {
            positions[i] = (positions[i] + 10) % 180; // 更新位置，循环在0到180度之间
            servos[i].write(positions[i]); // 设置舵机位置
            Serial.print("Servo ");
            Serial.print(i);
            Serial.print(" position: ");
            Serial.println(positions[i]);
            vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS); // 每500ms更新一次
        }
    }
}

要点解读：
舵机控制：使用Servo库控制多个舵机，展示了如何创建和管理多个舵机对象。
任务调度：通过RTOS的任务管理来控制舵机，展示了如何在独立任务中实现舵机的更新。
循环位置：舵机位置在0到180度之间循环变化，展示了舵机控制的基本逻辑。
串口输出：通过串口输出舵机的当前角度，便于调试和验证舵机的动作。
延迟控制：使用vTaskDelay控制舵机更新的频率，确保每个舵机都有足够的时间完成移动。

5、独立舵机控制任务

#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>
#include <Arduino_FreeRTOS.h>

Servo servo1;
Servo servo2;

void servo1Task(void *pvParameters);
void servo2Task(void *pvParameters);

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    servo1.attach(9); // 连接第一个舵机
    servo2.attach(10); // 连接第二个舵机

    xTaskCreate(servo1Task, "Servo 1 Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(servo2Task, "Servo 2 Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler(); // 启动调度器
}

void loop() {
    // 空循环
}

void servo1Task(void *pvParameters) {
    int position = 0;
    while (1) {
        position = (position + 15) % 180; // 每次增加15度
        servo1.write(position); // 设置舵机1的位置
        Serial.print("Servo 1 position: ");
        Serial.println(position);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 每1秒更新一次
    }
}

void servo2Task(void *pvParameters) {
    int position = 0;
    while (1) {
        position = (position + 30) % 180; // 每次增加30度
        servo2.write(position); // 设置舵机2的位置
        Serial.print("Servo 2 position: ");
        Serial.println(position);
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS); // 每500ms更新一次
    }
}

要点解读：
独立任务：通过创建两个独立的任务，分别控制两个舵机，展示了RTOS的多任务特性。
不同的更新频率：每个舵机以不同的频率更新位置，展示了如何灵活控制舵机的动作。
舵机位置变化：通过不同的增量控制舵机的移动，展示了多样化的控制策略。
串口输出监控：通过串口输出每个舵机的当前角度，方便调试和观察舵机的变化情况。
任务调度：RTOS调度器管理任务的执行，确保各个舵机任务能够并行运行。

6、基于用户输入控制舵机

#include <Arduino.h>
#include <Servo.h>
#include <Arduino_FreeRTOS.h>

Servo servo1;

void servoControlTask(void *pvParameters);
void userInputTask(void *pvParameters);

int targetPosition = 0; // 目标舵机位置

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    servo1.attach(9); // 连接舵机

    xTaskCreate(servoControlTask, "Servo Control", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(userInputTask, "User Input", 1000, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler(); // 启动调度器
}

void loop() {
    // 空循环
}

void servoControlTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        servo1.write(targetPosition); // 设置舵机位置
        vTaskDelay(500 / portTICK_PERIOD_MS); // 每500ms更新一次
    }
}

void userInputTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        if (Serial.available() > 0) {
            targetPosition = Serial.parseInt(); // 从串口读取目标位置
            if (targetPosition < 0) targetPosition = 0; // 限制最小值
            if (targetPosition > 180) targetPosition = 180; // 限制最大值
            Serial.print("Target position set to: ");
            Serial.println(targetPosition);
        }
        vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 每100ms检查一次输入
    }
}

要点解读：
用户输入控制：通过串口接受用户输入，控制舵机的目标位置，展示了如何与用户交互。
动态控制：根据用户输入动态调整舵机位置，实现了实时响应的控制策略。
舵机控制与用户输入分离：使用两个任务分别控制舵机和处理用户输入，展示了RTOS的任务管理能力。
数据验证：在设置目标位置时进行范围限制，确保舵机不超出其物理限制。
串口监控：通过串口输出当前的目标位置，便于用户了解系统状态，同时便于调试。

注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。

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