【花雕学编程】Arduino FOC 之四连杆机构的轮腿机器人

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。

Arduino FOC（Field Oriented Control，场向量控制）是一种先进的电机控制技术，它允许精确控制电机的转矩和速度。这种控制技术特别适用于无刷直流电机（BLDC）和步进电机。在Arduino平台上实现FOC可以提供平滑的运行和高度的扭矩、速度和位置控制，它通过精确控制电机的电流和电压来实现高效率、高精度和低噪声的操作。

主要特点:
1、高性能电机控制：FOC是一种高级的电机控制算法，可以精准控制PMSM(永磁同步电机)和BLDC(无刷直流)电机，实现平滑的转速和扭矩输出。
2、闭环控制架构：FOC采用闭环反馈控制，通过检测电机的位置和速度数据，实时调整输出电压和电流，确保电机动作符合预期。
3、模块化设计：Arduino FOC库采用模块化设计，包含电机建模、速度/位置/电流控制环、PWM生成等子模块，用户可根据需求灵活组合使用。
4、可移植性强：Arduino FOC可移植到多种硬件平台，如Arduino、ESP32、STM32与树莓派等，适用于功率从几十瓦到几千瓦的电机系统。
5、参数自动识别：FOC库具有自动识别电机参数的功能，可以大幅简化电机控制系统的调试过程。

应用场景:
1、工业自动化：在工厂的机器人、传送带、CNC加工设备等领域，Arduino FOC可提供高性能的电机控制解决方案。
2、电动车辆：电动自行车、电动汽车、电动叉车等车载电机驱动系统，可以采用Arduino FOC进行精准控制。
3、家用电器：在电风扇、洗衣机、空调等家用电器中，Arduino FOC可实现细腻的电机速度和扭矩控制。
4、航模和无人机：航模飞机、无人机等对电机控制性能要求很高的领域，Arduino FOC能够提供高精度的电机驱动。
5、机器人：工业机器人、服务机器人、仿生机器人等对电机控制性能有严格要求的领域，Arduino FOC是一个不错的选择。

需要注意的事项:
1、硬件要求：Arduino FOC对控制器的性能(如CPU频率、RAM/ROM容量等)有一定要求，需要选择合适的硬件平台。
2、调试复杂性：FOC算法涉及电机建模、坐标变换、PI调节器等诸多环节，调试和调优过程相对复杂，需要一定的专业知识。
3、噪声抑制：电机驱动电路容易产生噪声干扰，需要采取合理的屏蔽和滤波措施，确保信号质量。
4、安全防护：电机驱动系统可能会产生过电流、过压等故障,需要配备可靠的保护电路，确保人身和设备安全。
5、系统集成：将Arduino FOC集成到完整的电机驱动系统中时，需要考虑机械、电力、控制等各个方面的协调配合。

总的来说，Arduino FOC是一种功能强大、性能优秀的电机控制解决方案,适用于工业自动化、电动车辆、家用电器等众多领域。但在硬件选型、算法调试、噪声抑制和安全防护等方面都需要谨慎考虑，以确保系统稳定可靠地运行。

附录：系列目录
1、Arduino FOC的特点、场景和使用事项
http://t.csdnimg.cn/WZhYL
2、Arduino FOC 之简单FOC库 - 跨平台的无刷直流和步进电机FOC实现
http://t.csdnimg.cn/p9ADE
3、Arduino FOC 之无刷直流电机速度控制
http://t.csdnimg.cn/gZ7CY
4、Arduino FOC 之步进电机位置控制
http://t.csdnimg.cn/VYbIb
5、Arduino FOC 之无刷直流电机电流控制
http://t.csdnimg.cn/wWGVu
6、Arduino FOC 之 SimpleFOC 库的主要函数
http://t.csdnimg.cn/S26MC
7、Arduino FOC 之 ArduinoFOC库的核心函数
http://t.csdnimg.cn/3VLzF
8、Arduino FOC 之传感器校准
http://t.csdnimg.cn/NS3TR
9、Arduino FOC 之SimpleFOCShield v2.0.4无刷电机驱动板
http://t.csdnimg.cn/g9mP7
10、Arduino FOC 之 AS5600角度读取
http://t.csdnimg.cn/dmI6F
11、Arduino FOC 之 FOC算法
http://t.csdnimg.cn/ENxc0
12、Arduino FOC 之 SimpleFOC库的适配电机方案
http://t.csdnimg.cn/QdH6k

1、主要特点:
四连杆混合结构: 该方案采用了四连杆机构与轮式结构的混合设计,实现了运动方式的灵活切换。
Arduino FOC集成: Arduino FOC库为轮腿机器人提供了全面的电机驱动和运动控制支持。
四连杆正逆运动学: 该方案针对四连杆机构,进行了详细的正逆运动学建模和解算。
实时轨迹规划: 算法采用数学建模和优化方法,生成平滑、连续的四连杆运动轨迹。
可视化界面: 该方案包含了基于Arduino的三维可视化界面,能够实时显示轮腿机器人的运动状态。

2、应用场景:
复杂地形运动: 该方案可应用于需要在复杂地形中运动的场景,如野外搜救、军事侦察等。
障碍物越障: 四连杆机构能够有效解决障碍物跨越问题,广泛应用于室内外环境。
教学实验: 该方案可用于工程教育和机器人实验中,作为轮腿机器人的教学演示。
特种任务执行: 该轮腿机器人可应用于特殊任务场景,如应急救援、空间探测等领域。

3、需要注意的事项:
四连杆建模: 该方案需要建立轮腿机器人四连杆机构的精确运动学和动力学模型。
电机标定调试: 各关节电机的参数标定和FOC控制效果优化,对机器人运动性能很关键。
负载分析: 考虑机器人自身重量和外界载荷,需要进行详细的负载分析和力学计算。
轨迹规划算法: 针对复杂地形,需要采用先进的轨迹规划算法,生成可行的四连杆运动轨迹。
传感器融合: 结合里程计、IMU等传感器数据,可实现对机器人姿态和位置的精确估计。
实时性能: 该方案需要具备高速的数据采集、运动规划和驱动响应能力,才能实现真正的实时控制。
安全防护: 算法还需要具备可靠的过载、碰撞等安全保护机制,确保机器人运行的安全性。
人机交互: 三维可视化界面的设计需要考虑人机交互的友好性和直观性,满足不同使用场景的需求。

总的来说,基于Arduino FOC的四连杆机构轮腿机器人方案,在复杂地形运动、障碍物越障、教学实验、特种任务执行等领域都有广泛应用前景。但在四连杆建模、电机标定调试、负载分析、轨迹规划算法、传感器融合、实时性能、安全防护、人机交互等方面,仍需要格外重视和谨慎处理。

1、基本四连杆机构控制

#include 

// 定义电机和编码器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(3, 5, 6);
Encoder encoder1 = Encoder(2, 3, 500);
Encoder encoder2 = Encoder(18, 19, 500);

// 定义四连杆参数
float L1 = 10.0, L2 = 15.0, L3 = 20.0, L4 = 25.0;

void setup() {
  // 初始化电机
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.controller = MotionControlType::angle;
  motor1.init();
  motor2.init();
}

void loop() {
  // 获取电机角度
  float theta1 = motor1.shaftAngle();
  float theta2 = motor2.shaftAngle();

  // 计算末端执行器位置
  float Cx = L1 * cos(theta1) + L2 * cos(theta2);
  float Cy = L1 * sin(theta1) + L2 * sin(theta2);

  // 打印结果
  Serial.print("Cx: ");
  Serial.println(Cx);
  Serial.print("Cy: ");
  Serial.println(Cy);

  delay(1000);
}

2、实时四连杆机构控制

#include 

// 定义电机和编码器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(3, 5, 6);
Encoder encoder1 = Encoder(2, 3, 500);
Encoder encoder2 = Encoder(18, 19, 500);

// 定义四连杆参数
float L1 = 10.0, L2 = 15.0, L3 = 20.0, L4 = 25.0;

void setup() {
  // 初始化电机
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.controller = MotionControlType::angle;
  motor1.init();
  motor2.init();
}

void loop() {
  // 获取电机角度
  float theta1 = motor1.shaftAngle();
  float theta2 = motor2.shaftAngle();

  // 计算末端执行器位置
  float Cx = L1 * cos(theta1) + L2 * cos(theta2);
  float Cy = L1 * sin(theta1) + L2 * sin(theta2);

  // 实时调整电机角度
  motor1.move(theta1 + 0.01);
  motor2.move(theta2 + 0.01);

  // 打印结果
  Serial.print("Cx: ");
  Serial.println(Cx);
  Serial.print("Cy: ");
  Serial.println(Cy);

  delay(100);
}

3、复杂路径规划与四连杆机构控制

#include 

// 定义电机和编码器
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(3, 5, 6);
Encoder encoder1 = Encoder(2, 3, 500);
Encoder encoder2 = Encoder(18, 19, 500);

// 定义四连杆参数
float L1 = 10.0, L2 = 15.0, L3 = 20.0, L4 = 25.0;

void setup() {
  // 初始化电机
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.controller = MotionControlType::angle;
  motor1.init();
  motor2.init();
}

void loop() {
  // 复杂路径规划
  for (float t = 0; t < 10; t += 0.1) {
    float theta1 = sin(t);
    float theta2 = cos(t);

    // 计算末端执行器位置
    float Cx = L1 * cos(theta1) + L2 * cos(theta2);
    float Cy = L1 * sin(theta1) + L2 * sin(theta2);

    // 设置电机角度
    motor1.move(theta1);
    motor2.move(theta2);

    // 打印结果
    Serial.print("Cx: ");
    Serial.println(Cx);
    Serial.print("Cy: ");
    Serial.println(Cy);

    delay(100);
  }
}

要点解读
电机初始化：每个案例都展示了如何初始化电机、驱动器和编码器，并将它们链接在一起。这是实现FOC控制的基础步骤。
四连杆参数设置：通过设置四连杆的各个杆长参数，可以准确计算末端执行器的位置。这些参数在每个案例中都被定义并用于计算。
实时角度获取：每个案例都展示了如何实时获取电机的角度，并基于这些角度进行正运动学解算。这对于实现精确的运动控制非常重要。
路径规划：案例三展示了如何通过复杂的路径规划来控制电机的运动，并实时计算末端执行器的位置。这种方法可以用于实现复杂的运动轨迹。
结果输出：每个案例都展示了如何将计算结果输出到串口监视器，以便进行调试和验证。这对于确保算法的正确性和系统的稳定性非常重要。

4、四连杆机构轮腿机器人的平衡控制程序:

#include 
#include 

// 电机配置
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7, 6, 5);
BLDCDriver3PWM driver = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11, 8);

// 编码器配置
Encoder encoder = Encoder(2, 3, 500);
MagneticSensorAngle sensor = MagneticSensorAngle(A0, A1, 14, _5BIT);

// 四连杆参数
float l1 = 0.1; // 上臂长度
float l2 = 0.1; // 下臂长度
float l3 = 0.1; // 腿部长度

void setup() {
  // 电机初始化
  motor.linkDriver(&driver);
  motor.linkSensor(&sensor);
  motor.controller = MotionControlType::angle;
  motor.PID_velocity.P = 0.2;
  motor.PID_velocity.I = 5;
  motor.PID_velocity.D = 0.001;
  motor.voltage_limit = 12;
  motor.velocity_limit = 5;
  motor.init();
  
  // 编码器初始化
  encoder.init();
  sensor.init();
  sensor.calibrate();
}

void loop() {
  // 获取当前角度
  float angle = sensor.getAngle();
  
  // 计算目标角度
  float target_angle = atan2(l3 * sin(angle), l1 + l2 * cos(angle));
  
  // 更新电机角度
  motor.setTarget(target_angle);
  motor.move();
  
  delay(1);
}

要点解读:
该程序实现了四连杆机构轮腿机器人的平衡控制,通过电机控制维持机器人的平衡状态。
使用SimpleFOC库进行电机控制,包括电机配置、编码器配置等。
利用四连杆机构的几何关系,计算出目标角度,并将其设置为电机的目标角度。
在loop()函数中不断更新电机角度,使机器人保持平衡。
该程序需要根据实际的机构参数进行调整,如上臂长度、下臂长度和腿部长度等。

5、四连杆机构轮腿机器人的轨迹规划程序:

#include 
#include 

// 电机配置
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7, 6, 5);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11, 8);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(3, 2, 4);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(A2, A3, A4, A5);

// 编码器配置
Encoder encoder1 = Encoder(20, 21, 500);
MagneticSensorAngle sensor1 = MagneticSensorAngle(A0, A1, 14, _5BIT);
Encoder encoder2 = Encoder(18, 19, 500);
MagneticSensorAngle sensor2 = MagneticSensorAngle(A6, A7, 14, _5BIT);

// 四连杆参数
float l1 = 0.1; // 上臂长度
float l2 = 0.1; // 下臂长度
float l3 = 0.1; // 腿部长度

void setup() {
  // 电机初始化
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor1.linkSensor(&sensor1);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor1.PID_velocity.P = 0.2;
  motor1.PID_velocity.I = 5;
  motor1.PID_velocity.D = 0.001;
  motor1.voltage_limit = 12;
  motor1.velocity_limit = 5;
  motor1.init();
  
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor2.linkSensor(&sensor2);
  motor2.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.PID_velocity.P = 0.2;
  motor2.PID_velocity.I = 5;
  motor2.PID_velocity.D = 0.001;
  motor2.voltage_limit = 12;
  motor2.velocity_limit = 5;
  motor2.init();
  
  // 编码器初始化
  encoder1.init();
  sensor1.init();
  sensor1.calibrate();
  encoder2.init();
  sensor2.init();
  sensor2.calibrate();
}

void loop() {
  // 计算目标角度
  float target_angle1 = atan2(l3 * sin(sensor1.getAngle()), l1 + l2 * cos(sensor1.getAngle()));
  float target_angle2 = atan2(l3 * sin(sensor2.getAngle()), l1 + l2 * cos(sensor2.getAngle()));
  
  // 更新电机角度
  motor1.setTarget(target_angle1);
  motor1.move();
  motor2.setTarget(target_angle2);
  motor2.move();
  
  delay(1);
}

要点解读:
该程序实现了四连杆机构轮腿机器人的轨迹规划,通过电机控制驱动机器人沿预定轨迹运动。
使用SimpleFOC库进行电机控制,包括两个电机和编码器的配置。
利用四连杆机构的几何关系,计算出每个电机的目标角度,并将其设置为电机的目标角度。
在loop()函数中不断更新两个电机的角度,使机器人沿预定轨迹运动。
该程序需要根据实际的机构参数进行调整,如上臂长度、下臂长度和腿部长度等。

6、四连杆机构轮腿机器人的路径规划程序:

#include 
#include 

// 电机配置
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7, 6, 5);
BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(9, 10, 11, 8);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(3, 2, 4);
BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(A2, A3, A4, A5);

// 编码器配置
Encoder encoder1 = Encoder(20, 21, 500);
MagneticSensorAngle sensor1 = MagneticSensorAngle(A0, A1, 14, _5BIT);
Encoder encoder2 = Encoder(18, 19, 500);
MagneticSensorAngle sensor2 = MagneticSensorAngle(A6, A7, 14, _5BIT);

// 四连杆参数
float l1 = 0.1; // 上臂长度
float l2 = 0.1; // 下臂长度
float l3 = 0.1; // 腿部长度

// 路径点
float path_x[] = {0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6};
float path_y[] = {0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6};
int path_size = 5;
int path_index = 0;

void setup() {
  // 电机初始化
  motor1.linkDriver(&driver1);
  motor1.linkSensor(&sensor1);
  motor1.controller = MotionControlType::angle;
  motor1.PID_velocity.P = 0.2;
  motor1.PID_velocity.I = 5;
  motor1.PID_velocity.D = 0.001;
  motor1.voltage_limit = 12;
  motor1.velocity_limit = 5;
  motor1.init();
  
  motor2.linkDriver(&driver2);
  motor2.linkSensor(&sensor2);
  motor2.controller = MotionControlType::angle;
  motor2.PID_velocity.P = 0.2;
  motor2.PID_velocity.I = 5;
  motor2.PID_velocity.D = 0.001;
  motor2.voltage_limit = 12;
  motor2.velocity_limit = 5;
  motor2.init();
  
  // 编码器初始化
  encoder1.init();
  sensor1.init();
  sensor1.calibrate();
  encoder2.init();
  sensor2.init();
  sensor2.calibrate();
}

void loop() {
  // 计算目标角度
  float target_angle1 = atan2(l3 * sin(sensor1.getAngle()), l1 + l2 * cos(sensor1.getAngle()));
  float target_angle2 = atan2(l3 * sin(sensor2.getAngle()), l1 + l2 * cos(sensor2.getAngle()));
  
  // 更新电机角度
  motor1.setTarget(target_angle1);
  motor1.move();
  motor2.setTarget(target_angle2);
  motor2.move();
  
  // 判断是否到达下一个路径点
  if (abs(sensor1.getAngle() - atan2(path_y[path_index] - 0.1, path_x[path_index] - 0.1)) < 0.01 &&
      abs(sensor2.getAngle() - atan2(path_y[path_index] - 0.1, path_x[path_index] - 0.1)) < 0.01) {
    path_index++;
    if (path_index >= path_size) {
      path_index = 0;
    }
  }
  
  delay(1);
}

要点解读:
该程序实现了四连杆机构轮腿机器人沿预定路径进行运动。
使用SimpleFOC库进行电机控制,包括两个电机和编码器的配置。
定义了一组路径点,在loop()函数中不断检查机器人是否到达下一个路径点,如果到达则切换至下一个路径点。
利用四连杆机构的几何关系,计算出每个电机的目标角度,并将其设置为电机的目标角度。
该程序需要根据实际的机构参数和路径点进行调整,以确保机器人能够顺利沿预定路径运动。

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。