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ESP IDF+行空板K10小智GPIO控制一个舵机--学习记录 简单

头像 rzyzzxw 2025.10.01 31 0

10.1

国庆快乐

【学习目标】

在这个帖子中，记录用K10小智的GPIO口控制舵机的学习笔记。

1dc283ca9fe67e80282c50b57fc8ff0.jpg

学习@闪电蘑菇老师小智语音自由控制舵机参考教程：

image.png

【【小智AI】MCP神技解锁！语音自由控制舵机任意角度✨ (附源码解析)】 https://www.bilibili.com/video/BV1ng8gzHEuP/?share_source=copy_web&vd_source=bf02494b705eb3767ac801cc064e1021

详细的代码原理讲解在上面的视频链接中。

image.png

@闪电蘑菇老师开源的教程资料：

## 增加舵机小智AI为1.8.1版本源码地址

github: https://github.com/shenjingnan/xiaozhi-esp32/tree/main/main/boards/bread-compact-wifi-with-servo

gitee: https://gitee.com/shenjingnan/xiaozhi-esp32/tree/feature/board-sg90/main/boards/bread-compact-wifi-with-servo

下面记录的内容，是我尝试把@闪电蘑菇老师的代码从面包板小智迁移到行空板K10小智上并进行测试的过程。

测试视频：

材料清单

  • 行空板K10 X1
  • DF MG90舵机 X1

步骤1 学习@闪电蘑菇 老师视频，了解小智源码MCP控制GPIO口工作原理

老师在视频中有详细的讲解，并且附有流程图，可以通过在线编辑器查看。

（因为我并没有搞明白控制逻辑，所以下面文字主要由DeepSeek总结）

参与舵机控制的重要文件有四个：

image.png

1. config.h - 硬件配置定义
作用：集中管理所有硬件引脚和参数配置

关键配置：
// 舵机控制引脚
#define SERVO_GPIO GPIO_NUM_1

// 舵机运动参数
#define SERVO_MIN_DEGREE 0 // 最小角度
#define SERVO_MAX_DEGREE 180 // 最大角度
#define SERVO_DEFAULT_ANGLE 90 // 默认中心位置
#define SERVO_MIN_PULSEWIDTH_US 500 // 最小脉宽（0度）
#define SERVO_MAX_PULSEWIDTH_US 2500 // 最大脉宽（180度）

2. servo_controller.h - 舵机控制类声明
作用：定义舵机控制器的接口和数据结构

核心功能：

舵机初始化和配置

角度控制（绝对/相对）

扫描模式

运动状态管理

任务队列处理

关键设计模式：

命令模式：通过队列异步处理控制命令

回调机制：运动完成事件通知

资源管理：自动管理PWM通道和任务

3. servo_controller.cc - 舵机控制实现
作用：实现具体的舵机控制逻辑

核心算法：

PWM信号计算：
// 角度转PWM占空比
0° → 0.5ms脉冲 → 2.5%占空比
90° → 1.5ms脉冲 → 7.5%占空比
180° → 2.5ms脉冲 → 12.5%占空比

平滑运动算法：
void SmoothMoveTo(int target_angle, int speed_ms) {
// 将运动分解为多个小步
// 每步之间延时实现平滑移动
// 支持急停功能
}

任务处理流程：

主线程发送命令到队列

ServoTask从队列取出命令

根据命令类型执行相应动作

更新状态并触发回调

4. df_k10_board.cc - 系统集成层
作用：集成所有硬件组件，提供统一接口

初始化流程：
1. InitializeI2c() // I2C总线
2. InitializeIoExpander() // IO扩展器
3. InitializeSpi() // SPI总线
4. InitializeDisplay() // 显示屏
5. InitializeButtons() // 按钮
6. InitializeServoController() // 舵机 ← 关键步骤！
7. InitializeIot() // IoT功能
8. InitializeCamera() // 摄像头

MCP工具集成：

将舵机控制功能暴露为AI可调用的工具

支持角度设置、旋转、扫描、状态查询等操作

控制流程详解
硬件控制流程
应用程序 → ServoController → LEDC PWM → GPIO引脚 → SG90舵机

软件架构流程
MCP命令 → 命令队列 → ServoTask任务 → 角度计算 → PWM输出

关键参数说明
PWM频率：50Hz（20ms周期）

PWM分辨率：14位（16383级）

角度范围：0-180度

脉宽范围：500-2500微秒

平滑移动：避免舵机抖动，延长寿命

使用示例
基本控制
ServoController servo(SERVO_GPIO);
servo.Initialize();
servo.SetAngle(90); // 设置到中心位置
servo.RotateClockwise(45); // 顺时针旋转45度

MCP远程控制
通过AI调用以下工具：

self.servo.set_angle - 设置绝对角度

self.servo.rotate_clockwise - 顺时针旋转

self.servo.rotate_counterclockwise - 逆时针旋转

self.servo.sweep - 自动扫描模式

self.servo.get_position - 获取当前位置

步骤2 汇报行空板K10小智AI的源码文件

1、修改config.h文件 - 舵机配置

作用：集中管理所有硬件引脚和参数配置

屏幕截图 2025-09-13 193021.png

由上图可知，行空板的P0、P1引脚对应ESP32 S3 GPIO1、2。

在本帖子中，舵机接在P0--GPIO1。

这个文件中，增加如下代码：

image.png

代码
#ifndef _BOARD_CONFIG_H_
#define _BOARD_CONFIG_H_

#include <driver/gpio.h>

#define AUDIO_INPUT_SAMPLE_RATE  24000
#define AUDIO_OUTPUT_SAMPLE_RATE 24000

#define AUDIO_INPUT_REFERENCE    true

#define AUDIO_I2S_GPIO_MCLK GPIO_NUM_3
#define AUDIO_I2S_GPIO_WS GPIO_NUM_38
#define AUDIO_I2S_GPIO_BCLK GPIO_NUM_0
#define AUDIO_I2S_GPIO_DIN  GPIO_NUM_39
#define AUDIO_I2S_GPIO_DOUT GPIO_NUM_45

#define AUDIO_CODEC_PA_PIN       GPIO_NUM_NC
#define AUDIO_CODEC_I2C_SDA_PIN  GPIO_NUM_47
#define AUDIO_CODEC_I2C_SCL_PIN  GPIO_NUM_48
#define AUDIO_CODEC_ES8311_ADDR  ES8311_CODEC_DEFAULT_ADDR
#define AUDIO_CODEC_ES7210_ADDR  0x23

#define BUILTIN_LED_GPIO        GPIO_NUM_46
#define BOOT_BUTTON_GPIO        GPIO_NUM_0
#define VOLUME_UP_BUTTON_GPIO   GPIO_NUM_NC
#define VOLUME_DOWN_BUTTON_GPIO GPIO_NUM_NC

/* Expander */
#define DRV_IO_EXP_INPUT_MASK  (IO_EXPANDER_PIN_NUM_2 | IO_EXPANDER_PIN_NUM_12)


#define DISPLAY_WIDTH   240
#define DISPLAY_HEIGHT  320
#define DISPLAY_MIRROR_X false
#define DISPLAY_MIRROR_Y true
#define DISPLAY_SWAP_XY false

#define DISPLAY_OFFSET_X  0
#define DISPLAY_OFFSET_Y  0

#define DISPLAY_BACKLIGHT_PIN GPIO_NUM_NC
#define DISPLAY_BACKLIGHT_OUTPUT_INVERT false

/* DFRobot K10 Camera pins */
#define PWDN_GPIO_NUM       -1
#define RESET_GPIO_NUM      -1
#define XCLK_GPIO_NUM       7

#define VSYNC_GPIO_NUM      4
#define HREF_GPIO_NUM       5
#define PCLK_GPIO_NUM       17
#define SIOD_GPIO_NUM       20
#define SIOC_GPIO_NUM       19

/* Camera pins */
#define CAMERA_PIN_PWDN     PWDN_GPIO_NUM
#define CAMERA_PIN_RESET    RESET_GPIO_NUM
#define CAMERA_PIN_XCLK     XCLK_GPIO_NUM
#define CAMERA_PIN_SIOD     SIOD_GPIO_NUM
#define CAMERA_PIN_SIOC     SIOC_GPIO_NUM

#define CAMERA_PIN_D9       6
#define CAMERA_PIN_D8       15
#define CAMERA_PIN_D7       16
#define CAMERA_PIN_D6       18
#define CAMERA_PIN_D5       9
#define CAMERA_PIN_D4       11
#define CAMERA_PIN_D3       10
#define CAMERA_PIN_D2       8
#define CAMERA_PIN_VSYNC    VSYNC_GPIO_NUM
#define CAMERA_PIN_HREF     HREF_GPIO_NUM
#define CAMERA_PIN_PCLK     PCLK_GPIO_NUM

#define XCLK_FREQ_HZ 20000000

#define SERVO_GPIO GPIO_NUM_1

// 舵机参数配置
#define SERVO_MIN_PULSEWIDTH_US 500           // 最小脉宽（微秒）对应0度
#define SERVO_MAX_PULSEWIDTH_US 2500          // 最大脉宽（微秒）对应180度
#define SERVO_MIN_DEGREE 0                    // 最小角度
#define SERVO_MAX_DEGREE 180                  // 最大角度
#define SERVO_TIMEBASE_RESOLUTION_HZ 1000000  // 1MHz, 1us per tick
#define SERVO_TIMEBASE_PERIOD 20000           // 20000 ticks, 20ms (50Hz)

// 舵机默认位置和限制
#define SERVO_DEFAULT_ANGLE 90                // 默认中心位置
#define SERVO_MAX_SPEED_DEGREE_PER_SEC 180    // 最大转速限制

#endif // _BOARD_CONFIG_H_

2、servo_controller.h - 舵机控制类声明
作用：定义舵机控制器的接口和数据结构

这个文件从@闪电蘑菇老师代码直接复制过来，没有修改，保留原有角度控制（绝对/相对）、扫描模式等全部控制功能。

代码
#ifndef __SERVO_CONTROLLER_H__
#define __SERVO_CONTROLLER_H__

#include <driver/ledc.h>
#include <driver/gpio.h>
#include <esp_log.h>
#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>
#include <freertos/queue.h>
#include <functional>
#include "config.h"
#include "mcp_server.h"

class ServoController {
public:
    ServoController(gpio_num_t servo_pin);
    ~ServoController();

    // 基本控制方法
    bool Initialize();
    void InitializeTools();  // 初始化MCP工具
    void SetAngle(int angle);
    int GetCurrentAngle() const { return current_angle_; }
    
    // 运动控制方法
    void RotateClockwise(int degrees);
    void RotateCounterclockwise(int degrees);
    void SweepBetween(int min_angle, int max_angle, int speed_ms = 1000);
    void Stop();
    void Reset(); // 回到中心位置（90度）
    
    // 状态查询
    bool IsMoving() const { return is_moving_; }
    bool IsSweeping() const { return is_sweeping_; }
    
    // 设置回调函数（当运动完成时调用）
    void SetOnMoveCompleteCallback(std::function<void()> callback) {
        on_move_complete_callback_ = callback;
    }

private:
    // 硬件相关
    gpio_num_t servo_pin_;
    ledc_channel_t ledc_channel_;
    ledc_timer_t ledc_timer_;
    
    // 状态变量
    int current_angle_;
    int target_angle_;
    bool is_moving_;
    bool is_sweeping_;
    bool stop_requested_;
    
    // 任务和队列
    TaskHandle_t servo_task_handle_;
    QueueHandle_t command_queue_;
    
    // 回调函数
    std::function<void()> on_move_complete_callback_;
    
    // 命令类型
    enum CommandType {
        CMD_SET_ANGLE,
        CMD_ROTATE_CW,
        CMD_ROTATE_CCW,
        CMD_SWEEP,
        CMD_STOP,
        CMD_RESET
    };
    
    // 命令结构
    struct ServoCommand {
        CommandType type;
        int param1;  // 角度或度数
        int param2;  // 最大角度（用于扫描）或速度
        int param3;  // 速度参数
    };
    
    // 私有方法
    void WriteAngle(int angle);
    uint32_t AngleToCompare(int angle);
    bool IsValidAngle(int angle) const;
    int ConstrainAngle(int angle) const;
    
    // 任务函数
    static void ServoTask(void* parameter);
    void ProcessCommands();
    void ExecuteSetAngle(int angle);
    void ExecuteRotate(int degrees, bool clockwise);
    void ExecuteSweep(int min_angle, int max_angle, int speed_ms);
    void SmoothMoveTo(int target_angle, int speed_ms = 500);
};

#endif // __SERVO_CONTROLLER_H__

3. servo_controller.cc - 舵机控制实现
作用：实现具体的舵机控制逻辑

这个文件从@闪电蘑菇老师代码直接复制过来，没有修改。

代码
#include "servo_controller.h"
#include <esp_log.h>
#include <cmath>

#define TAG "ServoController"

ServoController::ServoController(gpio_num_t servo_pin)
    : servo_pin_(servo_pin)
    , ledc_channel_(LEDC_CHANNEL_0)
    , ledc_timer_(LEDC_TIMER_0)
    , current_angle_(SERVO_DEFAULT_ANGLE)
    , target_angle_(SERVO_DEFAULT_ANGLE)
    , is_moving_(false)
    , is_sweeping_(false)
    , stop_requested_(false)
    , servo_task_handle_(nullptr)
    , command_queue_(nullptr)
    , on_move_complete_callback_(nullptr) {
    
}

ServoController::~ServoController() {
    Stop();
    if (servo_task_handle_ != nullptr) {
        vTaskDelete(servo_task_handle_);
    }
    if (command_queue_ != nullptr) {
        vQueueDelete(command_queue_);
    }
}

bool ServoController::Initialize() {
    ESP_LOGI(TAG, "初始化SG90舵机控制器，引脚: %d", servo_pin_);
    
    // 配置LEDC定时器 (ESP32-S3最大支持14位分辨率)
    ledc_timer_config_t timer_config = {
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
        .duty_resolution = LEDC_TIMER_14_BIT,
        .timer_num = ledc_timer_,
        .freq_hz = 50, // 50Hz for servo
        .clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK
    };
    
    esp_err_t ret = ledc_timer_config(&timer_config);
    if (ret != ESP_OK) {
        ESP_LOGE(TAG, "LEDC定时器配置失败: %s", esp_err_to_name(ret));
        return false;
    }
    
    // 配置LEDC通道
    ledc_channel_config_t channel_config = {
        .gpio_num = servo_pin_,
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
        .channel = ledc_channel_,
        .intr_type = LEDC_INTR_DISABLE,
        .timer_sel = ledc_timer_,
        .duty = 0,
        .hpoint = 0
    };
    
    ret = ledc_channel_config(&channel_config);
    if (ret != ESP_OK) {
        ESP_LOGE(TAG, "LEDC通道配置失败: %s", esp_err_to_name(ret));
        return false;
    }
    
    // 创建命令队列
    command_queue_ = xQueueCreate(10, sizeof(ServoCommand));
    if (command_queue_ == nullptr) {
        ESP_LOGE(TAG, "创建命令队列失败");
        return false;
    }
    
    // 创建舵机控制任务
    BaseType_t task_ret = xTaskCreate(
        ServoTask,
        "servo_task",
        4096,
        this,
        5,
        &servo_task_handle_
    );
    
    if (task_ret != pdPASS) {
        ESP_LOGE(TAG, "创建舵机任务失败");
        return false;
    }
    
    // 设置初始位置
    WriteAngle(current_angle_);
    
    ESP_LOGI(TAG, "SG90舵机控制器初始化成功");
    return true;
}

void ServoController::InitializeTools() {
    auto& mcp_server = McpServer::GetInstance();
    ESP_LOGI(TAG, "开始注册舵机MCP工具...");

    // 设置舵机角度
    mcp_server.AddTool("self.servo.set_angle",
                       "设置SG90舵机到指定角度。angle: 目标角度(0-180度)",
                       PropertyList({Property("angle", kPropertyTypeInteger, 90, 0, 180)}),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           int angle = properties["angle"].value<int>();
                           SetAngle(angle);
                           return "舵机设置到 " + std::to_string(angle) + " 度";
                       });

    // 顺时针旋转
    mcp_server.AddTool("self.servo.rotate_clockwise",
                       "顺时针旋转SG90舵机指定角度。degrees: 旋转角度(1-180度)",
                       PropertyList({Property("degrees", kPropertyTypeInteger, 30, 1, 180)}),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           int degrees = properties["degrees"].value<int>();
                           RotateClockwise(degrees);
                           return "舵机顺时针旋转 " + std::to_string(degrees) + " 度";
                       });

    // 逆时针旋转
    mcp_server.AddTool("self.servo.rotate_counterclockwise",
                       "逆时针旋转SG90舵机指定角度。degrees: 旋转角度(1-180度)",
                       PropertyList({Property("degrees", kPropertyTypeInteger, 30, 1, 180)}),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           int degrees = properties["degrees"].value<int>();
                           RotateCounterclockwise(degrees);
                           return "舵机逆时针旋转 " + std::to_string(degrees) + " 度";
                       });

    // 获取当前位置
    mcp_server.AddTool("self.servo.get_position",
                       "获取SG90舵机当前角度位置",
                       PropertyList(),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           int angle = GetCurrentAngle();
                           return "当前舵机角度: " + std::to_string(angle) + " 度";
                       });

    // 扫描模式
    mcp_server.AddTool("self.servo.sweep",
                       "SG90舵机扫描模式，在指定角度范围内来回摆动。"
                       "min_angle: 最小角度(0-179度); max_angle: 最大角度(1-180度); "
                       "speed: 摆动速度，毫秒(100-5000ms)",
                       PropertyList({Property("min_angle", kPropertyTypeInteger, 0, 0, 179),
                                     Property("max_angle", kPropertyTypeInteger, 180, 1, 180),
                                     Property("speed", kPropertyTypeInteger, 1000, 100, 5000)}),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           int min_angle = properties["min_angle"].value<int>();
                           int max_angle = properties["max_angle"].value<int>();
                           int speed = properties["speed"].value<int>();
                           SweepBetween(min_angle, max_angle, speed);
                           return "开始扫描模式: " + std::to_string(min_angle) + "° - " +
                                  std::to_string(max_angle) + "°";
                       });

    // 停止舵机
    mcp_server.AddTool("self.servo.stop",
                       "立即停止SG90舵机运动",
                       PropertyList(),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           Stop();
                           return "舵机已停止";
                       });

    // 复位到中心位置
    mcp_server.AddTool("self.servo.reset",
                       "将SG90舵机复位到中心位置(90度)",
                       PropertyList(),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           Reset();
                           return "舵机已复位到中心位置(90度)";
                       });

    // 获取舵机状态
    mcp_server.AddTool("self.servo.get_status",
                       "获取SG90舵机当前状态",
                       PropertyList(),
                       [this](const PropertyList& properties) -> ReturnValue {
                           int angle = GetCurrentAngle();
                           bool moving = IsMoving();
                           bool sweeping = IsSweeping();

                           std::string status = "{\"angle\":" + std::to_string(angle) +
                                              ",\"moving\":" + (moving ? "true" : "false") +
                                              ",\"sweeping\":" + (sweeping ? "true" : "false") + "}";
                           return status;
                       });

    ESP_LOGI(TAG, "舵机MCP工具注册完成");
}

void ServoController::SetAngle(int angle) {
    if (!IsValidAngle(angle)) {
        ESP_LOGW(TAG, "无效角度: %d，将限制在有效范围内", angle);
        angle = ConstrainAngle(angle);
    }
    
    ServoCommand cmd = {CMD_SET_ANGLE, angle, 0, 0};
    xQueueSend(command_queue_, &cmd, portMAX_DELAY);
}

void ServoController::RotateClockwise(int degrees) {
    if (degrees <= 0) {
        ESP_LOGW(TAG, "旋转角度必须大于0");
        return;
    }
    
    ServoCommand cmd = {CMD_ROTATE_CW, degrees, 0, 0};
    xQueueSend(command_queue_, &cmd, portMAX_DELAY);
}

void ServoController::RotateCounterclockwise(int degrees) {
    if (degrees <= 0) {
        ESP_LOGW(TAG, "旋转角度必须大于0");
        return;
    }
    
    ServoCommand cmd = {CMD_ROTATE_CCW, degrees, 0, 0};
    xQueueSend(command_queue_, &cmd, portMAX_DELAY);
}

void ServoController::SweepBetween(int min_angle, int max_angle, int speed_ms) {
    if (!IsValidAngle(min_angle) || !IsValidAngle(max_angle)) {
        ESP_LOGW(TAG, "扫描角度范围无效: %d - %d", min_angle, max_angle);
        return;
    }
    
    if (min_angle >= max_angle) {
        ESP_LOGW(TAG, "最小角度必须小于最大角度");
        return;
    }
    
    ServoCommand cmd = {CMD_SWEEP, min_angle, max_angle, speed_ms};
    xQueueSend(command_queue_, &cmd, portMAX_DELAY);
}

void ServoController::Stop() {
    stop_requested_ = true;
    ServoCommand cmd = {CMD_STOP, 0, 0, 0};
    xQueueSend(command_queue_, &cmd, 0); // 不等待，立即发送停止命令
}

void ServoController::Reset() {
    ServoCommand cmd = {CMD_RESET, SERVO_DEFAULT_ANGLE, 0, 0};
    xQueueSend(command_queue_, &cmd, portMAX_DELAY);
}

void ServoController::WriteAngle(int angle) {
    angle = ConstrainAngle(angle);
    uint32_t compare_value = AngleToCompare(angle);
    ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, ledc_channel_, compare_value);
    ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, ledc_channel_);
    current_angle_ = angle;
}

uint32_t ServoController::AngleToCompare(int angle) {
    // 将角度转换为PWM占空比
    // SG90: 0.5ms-2.5ms 对应 0-180度
    // 50Hz周期 = 20ms
    // 占空比 = (脉宽 / 周期) * 2^14 (ESP32-S3使用14位分辨率)

    float pulse_width_ms = 0.5f + (angle / 180.0f) * 2.0f; // 0.5ms to 2.5ms
    float duty_cycle = pulse_width_ms / 20.0f; // 20ms period
    uint32_t compare_value = (uint32_t)(duty_cycle * 16383); // 14-bit resolution (2^14 - 1)

    return compare_value;
}

bool ServoController::IsValidAngle(int angle) const {
    return angle >= SERVO_MIN_DEGREE && angle <= SERVO_MAX_DEGREE;
}

int ServoController::ConstrainAngle(int angle) const {
    if (angle < SERVO_MIN_DEGREE) return SERVO_MIN_DEGREE;
    if (angle > SERVO_MAX_DEGREE) return SERVO_MAX_DEGREE;
    return angle;
}

void ServoController::ServoTask(void* parameter) {
    ServoController* controller = static_cast<ServoController*>(parameter);
    controller->ProcessCommands();
}

void ServoController::ProcessCommands() {
    ServoCommand cmd;
    
    while (true) {
        if (xQueueReceive(command_queue_, &cmd, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdTRUE) {
            if (stop_requested_ && cmd.type != CMD_STOP) {
                continue; // 忽略非停止命令
            }
            
            switch (cmd.type) {
                case CMD_SET_ANGLE:
                    ExecuteSetAngle(cmd.param1);
                    break;
                    
                case CMD_ROTATE_CW:
                    ExecuteRotate(cmd.param1, true);
                    break;
                    
                case CMD_ROTATE_CCW:
                    ExecuteRotate(cmd.param1, false);
                    break;
                    
                case CMD_SWEEP:
                    ExecuteSweep(cmd.param1, cmd.param2, cmd.param3);
                    break;
                    
                case CMD_STOP:
                    is_moving_ = false;
                    is_sweeping_ = false;
                    stop_requested_ = false;
                    ESP_LOGI(TAG, "舵机停止");
                    break;
                    
                case CMD_RESET:
                    ExecuteSetAngle(cmd.param1);
                    break;
            }
        }
    }
}

void ServoController::ExecuteSetAngle(int angle) {
    ESP_LOGI(TAG, "设置舵机角度: %d度", angle);
    is_moving_ = true;
    SmoothMoveTo(angle, 500);
    is_moving_ = false;

    if (on_move_complete_callback_) {
        on_move_complete_callback_();
    }
}

void ServoController::ExecuteRotate(int degrees, bool clockwise) {
    int target = current_angle_ + (clockwise ? degrees : -degrees);
    target = ConstrainAngle(target);

    ESP_LOGI(TAG, "%s旋转 %d度，从 %d度 到 %d度",
             clockwise ? "顺时针" : "逆时针", degrees, current_angle_, target);

    is_moving_ = true;
    SmoothMoveTo(target, 500);
    is_moving_ = false;

    if (on_move_complete_callback_) {
        on_move_complete_callback_();
    }
}

void ServoController::ExecuteSweep(int min_angle, int max_angle, int speed_ms) {
    ESP_LOGI(TAG, "开始扫描模式: %d度 - %d度，速度: %dms", min_angle, max_angle, speed_ms);

    is_sweeping_ = true;
    is_moving_ = true;

    bool direction = true; // true = 向最大角度，false = 向最小角度

    while (is_sweeping_ && !stop_requested_) {
        int target = direction ? max_angle : min_angle;
        SmoothMoveTo(target, speed_ms);

        if (stop_requested_) break;

        direction = !direction;
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 短暂停顿
    }

    is_sweeping_ = false;
    is_moving_ = false;

    ESP_LOGI(TAG, "扫描模式结束");

    if (on_move_complete_callback_) {
        on_move_complete_callback_();
    }
}

void ServoController::SmoothMoveTo(int target_angle, int speed_ms) {
    target_angle = ConstrainAngle(target_angle);

    if (target_angle == current_angle_) {
        return; // 已经在目标位置
    }

    int start_angle = current_angle_;
    int angle_diff = target_angle - start_angle;
    int steps = abs(angle_diff);

    if (steps == 0) return;

    int delay_per_step = speed_ms / steps;
    if (delay_per_step < 10) delay_per_step = 10; // 最小延迟

    for (int i = 1; i <= steps && !stop_requested_; i++) {
        int current_step_angle = start_angle + (angle_diff * i) / steps;
        WriteAngle(current_step_angle);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(delay_per_step));
    }

    // 确保到达精确位置
    if (!stop_requested_) {
        WriteAngle(target_angle);
    }
}

4、修改df_k10_board.cc代码

集成所有硬件（包括舵机）组件，提供统一接口

文件开头添加导入控制文件

image.png

舵机控制器成员变量声明
image.png
作用：

声明舵机控制器的对象指针

作为Df_K10Board类的成员，管理舵机控制器的生命周期

舵机初始化函数

image.png

作用：

创建对象：实例化ServoController类

硬件初始化：调用Initialize()配置PWM硬件

错误处理：初始化失败时清理资源

回调设置：注册运动完成时的LED指示

状态日志：输出初始化状态信息

IoT功能初始化中的舵机注册

image.png

作用：

工具注册：将舵机控制功能注册为MCP工具

AI集成：使AI能够通过工具调用控制舵机

条件检查：确保舵机控制器已成功初始化

构造函数中的初始化调用

image.png

作用：

初始化顺序：在系统启动流程中调用舵机初始化

资源管理：确保在IoT注册前完成舵机初始化

依赖关系：正确的硬件初始化顺序

析构函数中的资源清理

image.png

作用：

内存管理：防止内存泄漏

资源释放：清理PWM硬件资源

安全关闭：确保系统退出时舵机停止

代码
#include "wifi_board.h"
#include "k10_audio_codec.h"
#include "display/lcd_display.h"
#include "esp_lcd_ili9341.h"
#include "led_control.h"
#include "font_awesome_symbols.h"
#include "application.h"
#include "button.h"
#include "config.h"
#include "esp32_camera.h"

#include "led/circular_strip.h"
#include "assets/lang_config.h"

#include <esp_log.h>
#include <esp_lcd_panel_vendor.h>
#include <driver/i2c_master.h>
#include <driver/spi_common.h>
#include <wifi_station.h>

#include "esp_io_expander_tca95xx_16bit.h"
#include "servo_controller.h"  //舵机控制类声明

#define TAG "DF-K10"

LV_FONT_DECLARE(font_puhui_20_4);
LV_FONT_DECLARE(font_awesome_20_4);

class Df_K10Board : public WifiBoard {
private:
    i2c_master_bus_handle_t i2c_bus_;
    esp_io_expander_handle_t io_expander;
    LcdDisplay *display_;
    button_handle_t btn_a;
    button_handle_t btn_b;
    Esp32Camera* camera_;
    ServoController* servo_controller_;  // 舵机控制器指针

    button_driver_t* btn_a_driver_ = nullptr;
    button_driver_t* btn_b_driver_ = nullptr;

    CircularStrip* led_strip_;

    static Df_K10Board* instance_;

    void InitializeI2c() {
        // Initialize I2C peripheral
        i2c_master_bus_config_t i2c_bus_cfg = {
                .i2c_port = (i2c_port_t)1,
                .sda_io_num = AUDIO_CODEC_I2C_SDA_PIN,
                .scl_io_num = AUDIO_CODEC_I2C_SCL_PIN,
                .clk_source = I2C_CLK_SRC_DEFAULT,
                .glitch_ignore_cnt = 7,
                .intr_priority = 0,
                .trans_queue_depth = 0,
                .flags = {
                                .enable_internal_pullup = 1,
                        },
        };
        ESP_ERROR_CHECK(i2c_new_master_bus(&i2c_bus_cfg, &i2c_bus_));
    }

    void InitializeSpi() {
        spi_bus_config_t buscfg = {};
        buscfg.mosi_io_num = GPIO_NUM_21;
        buscfg.miso_io_num = GPIO_NUM_NC;
        buscfg.sclk_io_num = GPIO_NUM_12;
        buscfg.quadwp_io_num = GPIO_NUM_NC;
        buscfg.quadhd_io_num = GPIO_NUM_NC;
        buscfg.max_transfer_sz = DISPLAY_WIDTH * DISPLAY_HEIGHT * sizeof(uint16_t);
        ESP_ERROR_CHECK(spi_bus_initialize(SPI3_HOST, &buscfg, SPI_DMA_CH_AUTO));
    }

    esp_err_t IoExpanderSetLevel(uint16_t pin_mask, uint8_t level) {
        return esp_io_expander_set_level(io_expander, pin_mask, level);
    }

    uint8_t IoExpanderGetLevel(uint16_t pin_mask) {
        uint32_t pin_val = 0;
        esp_io_expander_get_level(io_expander, DRV_IO_EXP_INPUT_MASK, &pin_val);
        pin_mask &= DRV_IO_EXP_INPUT_MASK;
        return (uint8_t)((pin_val & pin_mask) ? 1 : 0);
    }

    void InitializeIoExpander() {
        esp_io_expander_new_i2c_tca95xx_16bit(
                i2c_bus_, ESP_IO_EXPANDER_I2C_TCA9555_ADDRESS_000, &io_expander);

        esp_err_t ret;
        ret = esp_io_expander_print_state(io_expander);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Print state failed: %s", esp_err_to_name(ret));
        }
        ret = esp_io_expander_set_dir(io_expander, IO_EXPANDER_PIN_NUM_0,
                                                                    IO_EXPANDER_OUTPUT);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Set direction failed: %s", esp_err_to_name(ret));
        }
        ret = esp_io_expander_set_level(io_expander, 0, 1);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Set level failed: %s", esp_err_to_name(ret));
        }
        ret = esp_io_expander_set_dir(
                io_expander, DRV_IO_EXP_INPUT_MASK,
                IO_EXPANDER_INPUT);
        if (ret != ESP_OK) {
            ESP_LOGE(TAG, "Set direction failed: %s", esp_err_to_name(ret));
        }
    }
    void InitializeButtons() {
        instance_ = this;

        // Button A
        button_config_t btn_a_config = {
            .long_press_time = 1000,
            .short_press_time = 0
        };
        btn_a_driver_ = (button_driver_t*)calloc(1, sizeof(button_driver_t));
        btn_a_driver_->enable_power_save = false;
        btn_a_driver_->get_key_level = [](button_driver_t *button_driver) -> uint8_t {
            return !instance_->IoExpanderGetLevel(IO_EXPANDER_PIN_NUM_2);
        };
        ESP_ERROR_CHECK(iot_button_create(&btn_a_config, btn_a_driver_, &btn_a));
        iot_button_register_cb(btn_a, BUTTON_SINGLE_CLICK, nullptr, [](void* button_handle, void* usr_data) {
            auto self = static_cast<Df_K10Board*>(usr_data);
            auto& app = Application::GetInstance();
            if (app.GetDeviceState() == kDeviceStateStarting && !WifiStation::GetInstance().IsConnected()) {
                self->ResetWifiConfiguration();
            }
            app.ToggleChatState();
        }, this);
        iot_button_register_cb(btn_a, BUTTON_LONG_PRESS_START, nullptr, [](void* button_handle, void* usr_data) {
            auto self = static_cast<Df_K10Board*>(usr_data);
            auto codec = self->GetAudioCodec();
            auto volume = codec->output_volume() - 10;
            if (volume < 0) {
                volume = 0;
            }
            codec->SetOutputVolume(volume);
            self->GetDisplay()->ShowNotification(Lang::Strings::VOLUME + std::to_string(volume));
        }, this);

        // Button B
        button_config_t btn_b_config = {
            .long_press_time = 1000,
            .short_press_time = 0
        };
        btn_b_driver_ = (button_driver_t*)calloc(1, sizeof(button_driver_t));
        btn_b_driver_->enable_power_save = false;
        btn_b_driver_->get_key_level = [](button_driver_t *button_driver) -> uint8_t {
            return !instance_->IoExpanderGetLevel(IO_EXPANDER_PIN_NUM_12);
        };
        ESP_ERROR_CHECK(iot_button_create(&btn_b_config, btn_b_driver_, &btn_b));
        iot_button_register_cb(btn_b, BUTTON_SINGLE_CLICK, nullptr, [](void* button_handle, void* usr_data) {
            auto self = static_cast<Df_K10Board*>(usr_data);
            auto& app = Application::GetInstance();
            if (app.GetDeviceState() == kDeviceStateStarting && !WifiStation::GetInstance().IsConnected()) {
                self->ResetWifiConfiguration();
            }
            app.ToggleChatState();
        }, this);
        iot_button_register_cb(btn_b, BUTTON_LONG_PRESS_START, nullptr, [](void* button_handle, void* usr_data) {
            auto self = static_cast<Df_K10Board*>(usr_data);
            auto codec = self->GetAudioCodec();
            auto volume = codec->output_volume() + 10;
            if (volume > 100) {
                volume = 100;
            }
            codec->SetOutputVolume(volume);
            self->GetDisplay()->ShowNotification(Lang::Strings::VOLUME + std::to_string(volume));
        }, this);
    }

    void InitializeCamera() {

        camera_config_t config = {};
        config.ledc_channel = LEDC_CHANNEL_2;   // LEDC通道选择  用于生成XCLK时钟 但是S3不用
        config.ledc_timer = LEDC_TIMER_2;       // LEDC timer选择  用于生成XCLK时钟 但是S3不用
        config.pin_d0 = CAMERA_PIN_D2;
        config.pin_d1 = CAMERA_PIN_D3;
        config.pin_d2 = CAMERA_PIN_D4;
        config.pin_d3 = CAMERA_PIN_D5;
        config.pin_d4 = CAMERA_PIN_D6;
        config.pin_d5 = CAMERA_PIN_D7;
        config.pin_d6 = CAMERA_PIN_D8;
        config.pin_d7 = CAMERA_PIN_D9;
        config.pin_xclk = CAMERA_PIN_XCLK;
        config.pin_pclk = CAMERA_PIN_PCLK;
        config.pin_vsync = CAMERA_PIN_VSYNC;
        config.pin_href = CAMERA_PIN_HREF;
        config.pin_sccb_sda = -1;  // 这里如果写-1 表示使用已经初始化的I2C接口
        config.pin_sccb_scl = CAMERA_PIN_SIOC;
        config.sccb_i2c_port = 1;               //  这里如果写1 默认使用I2C1
        config.pin_pwdn = CAMERA_PIN_PWDN;
        config.pin_reset = CAMERA_PIN_RESET;
        config.xclk_freq_hz = XCLK_FREQ_HZ;
        config.pixel_format = PIXFORMAT_RGB565;
        config.frame_size = FRAMESIZE_VGA;
        config.jpeg_quality = 12;
        config.fb_count = 1;
        config.fb_location = CAMERA_FB_IN_PSRAM;
        config.grab_mode = CAMERA_GRAB_WHEN_EMPTY;

        camera_ = new Esp32Camera(config);
    }

    void InitializeIli9341Display() {
        esp_lcd_panel_io_handle_t panel_io = nullptr;
        esp_lcd_panel_handle_t panel = nullptr;

        // 液晶屏控制IO初始化
        ESP_LOGD(TAG, "Install panel IO");
        esp_lcd_panel_io_spi_config_t io_config = {};
        io_config.cs_gpio_num = GPIO_NUM_14;
        io_config.dc_gpio_num = GPIO_NUM_13;
        io_config.spi_mode = 0;
        io_config.pclk_hz = 40 * 1000 * 1000;
        io_config.trans_queue_depth = 10;
        io_config.lcd_cmd_bits = 8;
        io_config.lcd_param_bits = 8;
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_new_panel_io_spi(SPI3_HOST, &io_config, &panel_io));

        // 初始化液晶屏驱动芯片
        ESP_LOGD(TAG, "Install LCD driver");
        esp_lcd_panel_dev_config_t panel_config = {};
        panel_config.reset_gpio_num = GPIO_NUM_NC;
        panel_config.bits_per_pixel = 16;
        panel_config.color_space = ESP_LCD_COLOR_SPACE_BGR;

        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_new_panel_ili9341(panel_io, &panel_config, &panel));
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_panel_reset(panel));
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_panel_init(panel));
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_panel_invert_color(panel, DISPLAY_BACKLIGHT_OUTPUT_INVERT));
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_panel_swap_xy(panel, DISPLAY_SWAP_XY));
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_panel_mirror(panel, DISPLAY_MIRROR_X, DISPLAY_MIRROR_Y));
        ESP_ERROR_CHECK(esp_lcd_panel_disp_on_off(panel, true));

        display_ = new SpiLcdDisplay(panel_io, panel,
                                DISPLAY_WIDTH, DISPLAY_HEIGHT, DISPLAY_OFFSET_X, DISPLAY_OFFSET_Y, DISPLAY_MIRROR_X, DISPLAY_MIRROR_Y, DISPLAY_SWAP_XY,
                                {
                                        .text_font = &font_puhui_20_4,
                                        .icon_font = &font_awesome_20_4,
                                        .emoji_font = font_emoji_64_init(),
                                });
    }
 void InitializeServoController() //舵机初始化函数
    {
        ESP_LOGI(TAG, "初始化SG90舵机控制器");
        servo_controller_ = new ServoController(SERVO_GPIO);
        
        if (!servo_controller_->Initialize())
        {
            ESP_LOGE(TAG, "舵机控制器初始化失败");
            delete servo_controller_;
            servo_controller_ = nullptr;
            return;
        }

        // 设置运动完成回调（可选，用于状态指示）
        servo_controller_->SetOnMoveCompleteCallback([this]() {
            // 运动完成时闪烁LED
            gpio_set_level(BUILTIN_LED_GPIO, 1);
            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
            gpio_set_level(BUILTIN_LED_GPIO, 0); });

        ESP_LOGI(TAG, "SG90舵机控制器初始化完成");
    }

    // 物联网初始化，添加对 AI 可见设备
    void InitializeIot() {
        led_strip_ = new CircularStrip(BUILTIN_LED_GPIO, 3);
        new LedStripControl(led_strip_);
        if (servo_controller_ != nullptr) {
            servo_controller_->InitializeTools(); // 关键：注册MCP工具
        }
    }

public:
    Df_K10Board() :
        servo_controller_(nullptr){
        InitializeI2c();
        InitializeIoExpander();
        InitializeSpi();
        InitializeIli9341Display();
        InitializeButtons();
        InitializeServoController(); // ← 舵机初始化调用
        InitializeIot();
        InitializeCamera();
    }
    virtual ~Df_K10Board()
    {
        if (servo_controller_) {
        delete servo_controller_;
        }        
    }

   virtual Led* GetLed() override {
        return led_strip_;
    }

    virtual AudioCodec *GetAudioCodec() override {
        static K10AudioCodec audio_codec(
                    i2c_bus_,
                    AUDIO_INPUT_SAMPLE_RATE,
                    AUDIO_OUTPUT_SAMPLE_RATE,
                    AUDIO_I2S_GPIO_MCLK,
                    AUDIO_I2S_GPIO_BCLK,
                    AUDIO_I2S_GPIO_WS,
                    AUDIO_I2S_GPIO_DOUT,
                    AUDIO_I2S_GPIO_DIN,
                    AUDIO_CODEC_PA_PIN,
                    AUDIO_CODEC_ES8311_ADDR,
                    AUDIO_CODEC_ES7210_ADDR,
                    AUDIO_INPUT_REFERENCE);
        return &audio_codec;
    }

    virtual Camera* GetCamera() override {
        return camera_;
    }

    virtual Display *GetDisplay() override {
        return display_;
    }
};

DECLARE_BOARD(Df_K10Board);

Df_K10Board* Df_K10Board::instance_ = nullptr;

配置、编译、烧录、测试

【小结】

当前系统的完整功能：

基本控制：设置绝对角度 (0-180°) 相对旋转（顺时针/逆时针）平滑运动控制

高级功能：自动扫描模式 急停控制 位置复位

状态管理：实时角度查询 运动状态监控 完成回调通知

远程控制：通过MCP工具与AI交互 完整的错误处理 详细的日志输出

Makelog作者原创文章，未经授权禁止转载。
#行空板K10#DFRobot#人工智能#物联网#Arduino

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