Качание 0-180: первый скетч серво

На двери моей мастерской висит картонная стрелка на сервоприводе SG90: с одной стороны «Открыто», с другой «Закрыто». Идея родилась за пять минут, и ровно столько же прожил первый скетч: write(0), пауза, write(180), пауза. Серво трещала, как заведённый сверчок, перелетала от края к краю за треть секунды, и стрелка дважды в секунду меняла мнение о том, открыт я или нет. Команды были правильные, углы те самые — не хватало главного: управления временем. Знакомая картина? Она ждёт каждого, кто ставит серво на стол и кормит её командами наугад.

Качание от края до края — у него скучное английское имя sweep — это первый настоящий скетч любого серво-проекта. Им проверяют свежекупленную SG90 перед установкой в механизм, из него вырастают шлагбаумы, радары на HC-SR04 и антенны. Здесь соберём маятник 0–180° на циклах for, разберём, откуда берутся паузы и почему они обязаны быть длиннее времени хода, а заодно научимся замерять фактическую скорость серво через millis(). Считаю, что это лучший второй день после первого знакомства в уроке про подключение SG90: там мы научились приказывать угол, здесь — управлять темпом. Всё работает и в симуляторе ниже — Serial-монитор печатает угол парами ang=57, а настоящая плата понадобится, когда захотите, чтобы стрелка жила на двери, а не в браузере.

Устройство качания прозрачнее некуда: два цикла for, знакомых по уроку про циклы. Первый гонит переменную угла от 0 до 180, второй — в обратную сторону. Внутри каждого шага происходит одно и то же: write(ang) отправляет цель, delay(PAUSE) даёт механике время на шажок, а Serial выводит пару ang=57. Формат «имя=число» выбран не для красоты: Serial Plotter в Arduino IDE строит по таким парам живой график, и качание превращается в аккуратную пилу на экране — мы разбирали эту привычку в уроке про график Serial Plotter.

Шаг я взял 5°, а не по градусу: 37 команд на проход вместо 181, и паузу на шаг можно сделать щедрее — 60 мс. Механике нужно примерно 1,7 мс на градус, значит на шажок в пять градусов хватает и восьми, но запас никогда не мешал: у подгулявшей серво с изношенными шестернями последний градус доезжает лениво, с хрустом. Пауза 800 мс на краях — отдельная строка бюджета: картонная стрелка имеет инерцию, и если не дать ей успокоиться на границе, разворот выглядит как нервный тик. На реальной серво ставьте паузу на краях вдвое длиннее, чем хочется эстетически, — глаз скажет спасибо.

Посчитаем цикл по цифрам, а не на глаз. SG90 по даташиту проходит 60° примерно за 0,1 с при питании 4,8–6 В — значит, полный ход 180° занимает около 0,3 секунды чистой механики. Мой скетч тратит на проход 37 шагов × 60 мс = 2,2 с: серво доехала до промежуточного угла с запасом почти втрое и спокойно ждёт следующей команды, поэтому движение выглядит плавным, а мотор не пилит туда-сюда. Сожмите паузу до 5 мс — и команды пойдут быстрее механики: write() обгоняет вал, серво жужжит и дрожит, но быстрее почему-то не становится. Это тот самый случай, когда «ускорил» означает «сломал».

Второе следствие пауз неприятнее: качание блокирует loop() наглухо. Полный цикл 0 → 180 → 0 с паузами на краях — это 2 × (2,2 + 0,8) = 6 секунд, в течение которых Arduino не видит ни кнопок, ни датчиков, ни Serial. Для картонной стрелки неважно, для шлагбаума — смертельно: машина подъедет раньше, чем скетч выберется из цикла. Лекарство — переход на millis(), о котором подробно написано в уроке про millis вместо delay; но прежде чем чинить, научимся измерять то, что происходит на самом деле. Кстати, о питании: все эти цифры верны при 4,8–6 В на красном проводе. От 5 В платы серво тянет те же 0,3 секунды на ход, но чуть вяло; от 6 В становится резвее на десятую долю; ниже 4,5 В SG90 начинает сдавать — недоезжает и подвывает. Это первая ниточка, связывающая тайминги с питанием: скорость серво — функция напряжения, и просевшая шина замедляет механику ровно так же, как короткая пауза.

Теперь заставим цифры работать на нас. В скетче ниже один и тот же ход 0–180° проходится дважды с разной паузой: 10 мс на каждые два градуса и 4 мс. millis() засекает каждый проход, и в Serial падают пары ms=: у моей эталонной SG90 медленный вариант вышел 1010 мс, быстрый — 420, при расчётных 900 и 360. Реальность стабильно на пять-десять процентов хуже арифметики, и именно поэтому я замеряю, а не верю. Если механизм упирается в упор, время внезапно вырастет вдвое, и в логе появится подозрительная цифра — так серво честно сообщает, что бьётся о преграду каждые 20 мс.

Ручек у качания три, и они независимы. Центр: качание 45–135° не задевает упоры, если механизму не нужен весь ход. Амплитуда задаёт размах, пауза — скорость, причём скорость выше механического предела серво не поднимется никогда: write() назначает только цель, едут серво всегда с одной и той же максимальной скоростью — мы это разбирали в уроке про плавное движение. И маленькая проверка на внимательность: sv.read() сразу после быстрого прохода к нулю вернёт 0 — не фактическое положение вала, а последний заказанный угол, серво не отчитывается о реальности.

Отдельно про картинку в Serial Plotter: пила при шаге 5° выходит ровной и плотной, а при шаге 1° — почти прямой линией с еле заметной лесенкой. Если на графике видны плато в середине хода — серво где-то застревает или питание просело; график качания становится бесплатным диагностом схемы ещё до всяких мультиметров. Я так поймал однажды подтекающий контакт на макетке: пила изредка тупилась ровно в одной точке хода, где серво тянула сильнее всего.

Скелет качания — это конструктор из трёх чисел: шаг, пауза и границы. Поиграйте ими прямо в симуляторе, пока рука не запомнила, — на настоящей плате это те же строчки кода, только с хрустом. Первый эксперимент: шаг 1° при паузе 10 мс — движение становится маслянистым, а время прохода почти не меняется, потому что команда и механика снова идут в ногу. Второй: сделайте ход влево медленным (пауза 100 мс), а вправо быстрым (15 мс) — так делают маятники-метрономы, которые в одну сторону ведут линию, а обратно возвращаются незаметно. Третий, самый честный: уберите паузы на краях и посмотрите, как стрелка начинает сновать, — вы своими глазами увидите, зачем нужна была пауза 800 мс.

Четвёртый — для тех, кто добрался до millis(): перепишите медленный проход так, чтобы пауза плавно сокращалась от 40 мс до 10 мс каждые тридцать градусов, и вы получите разгон с ускорением, как у настоящего привода. Пятый — обратная задача: ограничьте скорость так, чтобы ход занимал ровно пять секунд, и проверьте замером; разница между расчётными и фактическими ms= скажет вам больше о вашей серво, чем любой даташит. Эти пять задач закрывают весь урок: циклы, паузы, замер и главное убеждение — серво едет с предельной механической скоростью, какой бы скетч вы ни написали.