Что такое сервопривод (сервомотор) и как им управлять
Сервоприводы используются в самых разных областях, например, в робототехнике они помогают моделировать различные движения роботов. Сервоприводы – эффективное решение для перемещения механизмов в пространстве.
Устройство сервопривода
Если говорить об основных элементах сервопривода, то он состоит из блока управления, мотора и датчика.
Управление происходит через печатную плату, к которой подключен мотор постоянного тока и потенциометр (датчик). Внутри блока управления также находятся шестерни редуктора.
Фактически сам привод представляет собой электрический мотор с редуктором, именно электромотор преобразует электричество в механическое действие. Но скорость вращения мотора не всегда подходит для достижения поставленных целей. Чтобы было возможно управлять вращением мотора, используется редуктор. В итоге он понижает скорость вращения выходного вала до нужного значения. Потенциометр контролирует получаемый на выходе результат.
Также из сервопривода выходят три провода. Два из них питают мотор, третий провод используется для подачи сигнала, который несет в себе заданное значение.
Принцип работы
При включении электромотора запускается вращение выходного вала. К нему можно подключить или присоединить то, чем в дальнейшем планируется управлять.
Сервопривод получает заданное значение, после этого сравнивает данное значение со значением на своем датчике. В случае расхождения блок управления стремится достичь и поддержать заданное значение, чтобы оно по возможности совпадало со значением, которое поступает с датчика.
Основные технические характеристики сервопривода
Крутящий момент (Усилие на валу). Измеряется в кг/см. Представляет собой произведение силы на длину рычага. На практике крутящий момент отвечает за ускорение выходного вала и его способность преодолевать сопротивление вращению. Чем выше крутящий момент, тем больше возможностей у мотора реализовать свой потенциал.
Скорость поворота. Означает скорость, с которой выходной вал сервопривода меняет свое положение. Угол изменения положения указывается в градусах.
Угол поворота. Это максимальный угол, на который может повернуться выходной вал. Наиболее распространенные значения для этой характеристики: 180° и 360°.
Габариты сервопривода. Сервоприводы бывают маленькие, стандартные и большие. Стандартные сервоприводы самые недорогие. При отклонении габаритов от стандартных значений цена, как правило, меняется пропорционально такому отклонению.
Материал шестерней. Шестерни редуктора производятся из пластика, карбона, металла. Пластиковые шестерни легкие, но не предназначены для серьезных нагрузок. Карбоновые шестерни более прочные, но и более дорогие. Металлические шестерни – самые тяжелые, идеально подходят для максимальных нагрузок.
Виды сервоприводов
Сервоприводы бывают цифровые и аналоговые.
По внешнему виду они почти не отличаются друг от друга. Основное отличие заключается в принципе управления мотором. У аналоговых сервоприводов управление происходит с помощью специальной микросхемы, цифровые сервоприводы обладают микропроцессором. Микросхема и микропроцессор способны принимать и анализировать управляющие импульсы. Только на микросхему они обычно поступают с частотой 50 Гц, а на микропроцессор – с частотой 200 Гц и более. В результате этого цифровой сервопривод мобильнее и четче реагирует на управляющий сигнал.
Цифровые сервоприводы – это новый шаг в развитии техники, и они характеризуются рядом преимуществ. К таким преимуществам относятся: высокая точность позиционирования, возможность более быстрого управления приводом, возможность поддержания постоянного крутящего момента.
Подключение к Arduino
Для достижения самых разных целей робототехники к программируемому контроллеру Arduino может быть подключен сервопривод. Подключение осуществляется через кабели, которые выходят из сервопривода. Обычно это три кабеля: красный; коричневый или черный; желтый, оранжевый или белый.
Красный кабель отвечает за питание сервопривода. Коричневый – за заземление. Желтый – подключается непосредственно к плате Arduino и предназначен для передачи управляющего сигнала.
Подключение сервопривода к плате Arduino производится через ШИМ-выводы.
Итак, черный провод подключается к любому GND-пину.
Красный кабель питания (VTG) – к соответствующему выводу для подключения питания.
Белый сигнальный кабель – к ШИМ-выводу.
Питание сервоприводов
Большинство плат Arduino рассчитано на 500 мА. Исходя из этого, сервопривод является достаточно энергоемким компонентом, так как потребляет более 100 мА. Если в ходе проекта требуется использование мощного сервопривода или нескольких сервоприводов, то необходимо позаботиться об их дополнительном питании. Проблема дополнительного питания сервоприводов может быть решена следующим образом:
• Обеспечить питание сервопривода от дополнительно приобретенного блока питания, например, 5 или 6 В;
• При отсутствии блока питания с нужным напряжением, можно использовать стабилизатор.
Напрямую к Arduino можно подключать только маломощный сервопривод. В противном случае пользователя ожидают разные побочные эффекты: от перезагрузки платы до перегорания отдельных компонентов.
Количество сервоприводов
Количество подключаемых к плате Arduino сервоприводов ограничено. Большинство моделей Arduino предусматривает подключение 12 сервоприводов, Arduino Mega позволяет подключить до 48 сервоприводов.
Управление сервоприводом
Библиотека Servo
Библиотека для сервопривода содержит в себе набор дополнительных команд, которые позволяют вводить программу в упрощенном виде.
На платах Arduino за исключением модели Arduino Mega обращение к библиотеке отключает функцию analogWrite(PWM) на пинах 9 и 10. Наличие подключения сервопривода или отсутствие такового при этом роли не играет. На платах Arduino Mega можно подключить до 12 сервомоторов без отключения функции PWM.
Для управления сервоприводом предусмотрена библиотека Servo.h.
Вызывается она через #include <Servo.h>. После подключения библиотеки становится возможным пользоваться списком, содержащихся в ней функций. С функциями библиотеки можно ознакомиться через меню «Файл/примеры». Для каждого сервопривода создается свой «объект» (servo), который прикрепляется к соответствующему цифровому пину. После этого программируемый контроллер Arduino готов отправлять управляющие сигналы на конкретный сервопривод. Передача сигналов производится постоянно, даже при «простое» сервопривода. Для приостановки передачи сигналов нужно отправить команду вручную.
Управляющий сигнал
Для управления сервоприводом управляющий сигнал приобретает решающее значение. Он представляет собой импульс, который имеет нужную ширину и посылается с соответствующей частотой. Ширину импульса можно вбивать в программном коде вручную, методом подбора достигнув точного угла, или использовать команды библиотеки, указывая нужный угол в градусах. У разных марок сервоприводов ширина импульса для поворота выходного вала на определенный угол может быть различна.
Импульсы отвечают как за движение сервопривода, так и за его неподвижное положение. Работа сервопривода происходит в замкнутом цикличном кругу посылаемых импульсов.
Управляющие команды
Управление сервоприводом через библиотеку основано на следующих командах:
• attach() — позволяет подключить определенный сервопривод к соответствующему пину;
• write() — на пин поступают значения для управления им;
• writeMicroseconds() — позволяет управлять сервоприводом путем передачи на него значений в микросекундах;
• read() — считывает значение текущего положения сервопривода;
• attached() — контролирует подключение сервопривода к пину;
• detach() — отключает сервопривод от конкретного пина.
Возможные сложности
Если в работе сервопривода возникают нарушения, то, как правило, об этом говорят соответствующие шумы: жужжание, потрескивание и прочее. Ниже рассмотрим основные причины таких шумов.
Невозможность поворота на заданный угол
Бывают случаи, когда поворот сервопривода на заданный угол невозможен. Например, на его пути возникает какая-либо преграда. Этой преградой может стать закрепленное на сервоприводе устройство или его часть. Упираясь в преграду, сервопривод начинает характерно жужжать. Чтобы решить данную проблему, в программу вносятся команды, ограничивающие перемещение сервопривода путем изменения угла перемещения.
Настройки начальной и конечной позиции
Иногда необходимо подкорректировать координаты начальной или конечной позиции. Это нужно когда значения датчика и фактического положения выходного вала расходятся относительно конечной позиции последнего. Например, выходной вал находится в конечной позиции, но датчик считает, что он еще ее не достиг и пытается заставить выходной вал продолжить движение. Возникает характерный шум. В этом случае начальная позиция не обязательно должна начинаться с 0°С, а конечная не обязательно должна заканчиваться на 180°C. Эти предельные значения можно немного сдвинуть на 5-10°C, и проблема будет решена.
Заключение
На сегодняшний день сервопривод – это необходимый элемент в робототехнике, с помощью которого воплощаются многие творческие проекты. Этот умный управляемый моторчик предназначен для моделирования движения. Пользоваться его функциями достаточно просто, уже написано множество программ, которые могут быть использованы в качестве трафарета для воплощения собственных идей. Сервопривод подключается к программируемому контроллеру Arduino. Все тонкости этого процесса подробно освещены как в этой статье, так и в других статьях, выложенных в сети.
Современные магазины предлагают большой выбор сервоприводов. Зная нужные характеристики, легко подобрать подходящую модель.
Аналоговые форматы высокого разрешения
Если говорить об аналоговых системах, то в настоящее время, несмотря на быстрое развитие цифровых систем, продолжаются исследования и разработки также и в направлении развития и совершенствования аналоговых систем. Ясно, что такие разработки основаны на использовании стандартов, отличающихся от используемых в вещательном телевидении. Существует несколько подходов.
Первый подход состоит в увеличении горизонтального разрешения аналоговых камер путем использования матриц более высокого разрешения по горизонтали, т. е. в увеличении длины строки. Существует несколько форматов матриц, позволяющих достичь этого. Наиболее известный – формат 960H матрицы ПЗС с количеством эффективных пикселей в горизонтальном направлении 960 [5]. Ясно, что такой подход лишь частично решает задачу увеличения разрешающей способности (достигается только по горизонтали).
Другое направление – разработка форматов аналогового телевидения, позволяющих использовать разрешение цифрового телевидения высокой четкости в аналоговых системах. В настоящее время существует несколько вариантов решения такой задачи. Основные отличия новых аналоговых форматов заключаются в измененной технологии формирования и передачи видеосигнала по линии связи – обычному коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом. К таким форматам можно отнести нижеследующие направления развития стандартов аналоговых систем.
HD CVI (High Definition Compose Video Interface), который можно считать новым форматом высокой четкости в области аналогового теленаблюдения. В отличие от стандарта PAL он позволяет формировать видеосигнал с количеством пикселей до 1920×1080 [6, 7]. То есть можно говорить об аналоговой версии цифрового стандарта высокой четкости HD SDI.
AHD (Analog High Definition) – аналоговые системы высокой четкости – технология, позволяющая получать, передавать и обрабатывать видеосигналы с количеством пикселей до 1920×1080 в несжатом формате по обычным коаксиальным кабелям [8].
HD TVI (High Definition Transport Video Interface) – формат, предусматривающий возможность формировать и передавать видеосигнал с разрешением 720p/1080p, а также сигналы телеметрии для управления поворотными камерами [7, 9].
Телевизионные системы наблюдения, построенные с использованием рассмотренных выше аналоговых форматов, близки по параметрам [7]. Они подходят как для создания новых, так и для модернизации уже существующих систем телевизионного наблюдения, построенных на аналоговых камерах.
В рассматриваемой ситуации можно использовать уже имеющуюся кабельную структуру (если не было сэкономлено на качестве кабелей). Дальность передачи видеосигналов по коаксиальному кабелю составляет до 500 м. Также эти форматы позволяют использовать для передачи видеосигналов и витую пару.
Рис. 1. Функциональные особенности телевизионных камер
Кроме того, следует учитывать и то, что формирование структуры ТВ-системы и подключение элементов практически такое же, как и в классических аналоговых системах, и не требует специфических профессиональных знаний и умений по сравнению с IP-системами.
Но надо понимать, что в рассмотренных аналоговых форматах происходит, во-первых, цифроаналоговое преобразование сформированного телекамерой видеосигнала и, во-вторых, передача аналогового видеосигнала по кабелю. И то, и другое приводит к потерям и искажениям.
Подводя итог, можно отметить, что выбор в пользу той или иной системы надо делать с учетом, по возможности, не только упомянутых выше, но и других критериев (к примеру, параметров используемого кабеля) и различных ограничений (например, на стоимость оборудования).
В настоящее время работы в этом направлении активно ведутся, и можно ожидать как совершенствования упомянутых стандартов, так и создания новых. Так, существенный недостаток систем формата HD SDI, заключающийся в малом расстоянии, на которое возможна передача видеосигнала, в значительной степени исключается в новом формате [10].
Он основан на преобразовании видеопотока 1,5 Гбит/с в поток 270 Мбит/с без искажений (как заявляют разработчики). Телекамера может иметь соответствующий выход либо используется пара преобразователей (в зависимости от производителя EX-SDI HD-VLC (Visually Lossless Codec)), которые подключаются к выходу телекамеры и ко входу видеорегистратора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волхонский В. В. Проблемы терминологии телевизионных систем наблюдения // Алгоритм безопасности. 2023. № 1.
2. ГОСТ Р 51558-2008. Средства и системы охранные телевизионные. Классификация. Общие технические требования. Методы испытаний. Введ. 2008-12-17. М.: Стандартинформ, 2009.
3. Алексеев С. А., Волхонский В. В., Суханов А. В. Телевизионные системы наблюдения. Основы проектирования. СПб: Университет ИТМО, 2023.
4. Волхонский В. В. Телевизионные системы наблюдения/2-е изд. доп. и перераб. СПб: Экополис и культура, 2005.
5. 960H Technology – the New Analog. Security Тоdау. March 20,2023. Retrieved 10 September 2023.
6. Михайлов А. Аналоговое видеонаблюдение: стандарт HDCVI// Информохрана. 2023. № 6.
7. Чура Н. И. HD-SDI/CVI/TVI/AHD: некоторые особенности новых форматов // Системы безопасности. 2023. № 4.
8. AHD (Analog High Definition) (дата обращения: 31.10.2023).
9. Плотников М. Стандарт HD-TVI: новое слово в аналоговом видеонаблюдении.
Цифровые и аналоговые тв-системы
В настоящее время используются два основных типа ТВСН по способу формирования, передачи и обработки видеосигналов – аналоговые и цифровые, а также их комбинации.
Понятия «аналоговый» и «цифровой» можно относить к таким основным действиям, как формирование видеосигнала, его передача по каналам связи, запись (регистрация) и отображение для восприятия человеком. Все это может выполняться как в аналоговой, так и цифровой форме.
Заметим, что такая задача, как отображение видеосигнала имеет определенную специфику аналогичную задаче формирования видеосигнала в телекамере (только обратную) – обычно используемые в настоящее время мониторы имеют набор элементарных пикселей (элементов, формирующих видеоизображение), принимающих дискретный ряд значений яркости того или иного цвета, т. е. формирующих цифровой цветной оптический сигнал.
Однако специфика человеческого зрения (прежде всего инерционность и ограниченная разрешающая способность) приводит к усреднению элементарных отсчетов, что, по сути, соответствует цифро-аналоговому преобразованию цифрового оптического сигнала в аналоговое видеоизображение, воспринимаемое человеком.
При этом надо четко понимать, что в настоящее время цифровая обработка может использоваться и используется и в аналоговых системах. Это относится, в первую очередь, к цифровым видеорегистраторам (ЦВР). ЦВР заменили на определенном этапе аналоговые видеомагнитофоны и стали в настоящее время практически неотъемлемым элементом ТВСН.
В ряде случаев используются и телекамеры с цифровой обработкой сигналов, но с аналоговым интерфейсом для передачи видеосигнала. То есть реально в настоящее время практически все аналоговые системы являются комбинированными, по крайней мере, если говорить об этапе записи видеосигналов.
В дальнейшем будем исходить из следующих положений.
Если во всех этих элементах обработка и передача видеосигнала аналоговая, то и система аналоговая. Если везде цифровая, то и система цифровая. И, очевидно, что может быть большое количество вариантов комбинированных систем, использующих на разных этапах как аналоговую, так и цифровую обработку.
В свою очередь цифровые системы бывают двух основных типов – высокой четкости и сетевые. Заметим, что формально есть и другие типы цифровых ТВ-систем, например, с цифровым интерфейсом стандартного разрешения (SD SDI). Однако будем рассматривать в дальнейшем только наиболее широко используемые именно в ТВ-системах наблюдения.
Таким образом, будем далее использовать следующие понятия.
Аналоговой будем называть телекамеру, имеющую аналоговый интерфейс для подключения к каналу связи. Обработка сигнала внутри телекамеры при этом может быть цифровой.
Цифровой будем называть телекамеру, в которой в цифровой форме происходит как формирование видеоизображения и его предварительная обработка, так и дальнейшая передача по каналам связи (т. е. имеется цифровой интерфейс).
Сетевая телевизионная камера – это телекамера, имеющая встроенный интерфейс для передачи видеосигналов по сети (обычно подразумевается компьютерной). В настоящее время в связи с широким распространением компьютерных сетей на базе протоколов TCP/IP их часто применяют в сетевых камерах.
Поэтому для обозначения сетевых камер обычно используется термин IP-камера. Однако не стоит ограничивать общее определение сетевой камеры каким-либо конкретным сетевым протоколом или стандартом, поскольку они не являются единственными, а в будущем возможно появление и других протоколов.
В отличие от веб-камеры, которая подключается к компьютеру напрямую через стандартный интерфейс, сетевая телекамера не требует прямого подключения к ПК. Фактически веб-камера является видеокамерой и в общем случае не предназначена непосредственно для дистанционной передачи видеосигнала.
Соответственно для систем ТВ-наблюдения будем использовать следующую терминологию.
Аналоговой ТВ-системой будем называть систему с формированием видеосигнала аналоговыми телекамерами, обработкой и передачей видеосигналов по каналам связи в аналоговой форме.
Цифровой ТВ-системой будем называть систему с формированием видеосигнала цифровыми телекамерами, обработкой и передачей видеосигналов по каналам связи в цифровой форме.
Комбинированной ТВ-системой будем называть систему, использующую для формирования, обработки и передачи видеосигналов по каналам связи как аналоговую, так и цифровую форму.
Сетевые ТВ-системы – это системы, использующие в качестве каналов связи сетевые системы связи с соответствующими протоколами. Обычно сетевые ТВСН используют также сжатие передаваемого видеосигнала.
ТВ-системы высокой четкости (ТВЧ) с последовательным цифровым интерфейсом (HD SDI – High Definition Serial Digital Interface) без сжатия видеосигнала при его передаче. Стандарт HD обеспечивает разрешение 1280×720 и 1920×1080 (Full HD) пикселей при соотношении сторон экрана 16:9.
Поскольку телекамера – ключевой элемент ТВСН, то для лучшего понимания их основных признаков приведем рисунок, поясняющий функциональные особенности и возможную классификацию телевизионных камер в соответствии с данными выше определениями.
Чтобы не загромождать без необходимости рисунок, не будем учитывать многочисленные, но редко используемые в ТВСН цифровые интерфейсы, такие как SD-SDI, ED-SDI, Dual Link HD-SDI и другие. При необходимости их можно легко учесть в рассматриваемой диаграмме.
