【花雕学编程】Arduino FOC 之使用正逆运动学的二轴绘图机器人程序

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

Arduino FOC 之使用正逆运动学的二轴绘图机器人程序
1、主要特点:

正逆运动学: 该程序结合了正向运动学和逆向运动学,能够实现平面二轴绘图机器人的位置控制和轨迹生成。
Arduino FOC 控制: 该程序采用了 Arduino FOC 库进行电机控制,可以实现精准的位置、速度、加速度控制,保证绘图过程的平稳性和精确性。
简单易用: 该程序提供了直观的接口和范例代码,使得用户可以轻松地编程和控制二轴绘图机器人。
实时性能: 该程序能够在 Arduino 微控制器上实现高频率的实时控制,满足绘图机器人的实时性要求。
可扩展性: 该程序的架构设计灵活,可以根据需求进行定制和扩展,支持更复杂的绘图任务。

2、应用场景:

艺术创作: 利用二轴绘图机器人可以实现各种创意的绘画和雕刻,应用于艺术品创作等场景。
教育培训: 二轴绘图机器人可以用于STEM教育中的机器人编程实践训练,培养学生的动手能力和编程思维。
装饰设计: 二轴绘图机器人可以用于墙体打印、地毯图案设计等装饰领域,实现个性化定制。
科研实验: 二轴绘图机器人可以用于材料实验、生物实验等领域,进行精准的实验样品制作和数据采集。
商业应用: 二轴绘图机器人可以用于产品打样、样品制作等商业应用场景,提高生产效率和灵活性。

3、需要注意的事项:

机械结构设计: 需要设计稳定、精准的二轴机械结构,降低由于机械因素造成的误差。
电机选型: 需要选择性能优异的步进电机或伺服电机,并与Arduino FOC控制器相匹配。
传感器选择: 需要选用高精度的角度传感器,以准确检测二轴的实际位置。
正逆运动学建模: 需要准确建立二轴绘图机器人的正向和逆向运动学模型,确保位置控制的正确性。
控制算法调试: 需要对Arduino FOC控制算法进行细致的参数调试,以实现最佳的绘图性能。
运动规划: 需要根据绘图任务的要求,设计合理的轨迹规划算法,确保绘图过程的流畅性和精度。
安全保护: 需要考虑二轴绘图机器人在运行过程中的安全保护措施,以防止意外情况的发生。

总的来说,基于Arduino FOC的二轴绘图机器人程序可以为各种创意绘图、教育培训、装饰设计、科研实验和商业应用提供一个灵活、高性能的解决方案。在实际应用中,需要重点关注机械结构设计、电机选型、传感器选择、正逆运动学建模、控制算法调试、运动规划和安全保护等方面,确保系统能够发挥最佳性能,满足各种二轴绘图机器人的需求。

1、二轴绘图机器人 - 正弦曲线绘制

#include <SimpleFOC.h>

// 电机驱动对象
BLDCMotor motor1(14, 12, 13, 15);
BLDCMotor motor2(2, 3, 4, 5);

// 编码器对象
Encoder encoder1(16, 17, 1024);
Encoder encoder2(18, 19, 1024);

void setup() {
   
  // 初始化电机
  motor1.linkEncoder(&encoder1);
  motor2.linkEncoder(&encoder2);
  motor1.useFOCController();
  motor2.useFOCController();

  // 初始化绘图坐标
  float center_x = 150, center_y = 150;
  float radius = 100;
  float freq = 0.5;

  while (true) {
   
    // 计算绘图坐标
    float angle = freq * millis() / 1000.0 * 2 * PI;
    float x = center_x + radius * cos(angle);
    float y = center_y + radius * sin(angle);

    // 根据正运动学计算电机角度
    float theta1 = atan2(y, x);
    float theta2 = atan2(y, x - 150);

    // 设置电机目标位置
    motor1.setTarget(theta1);
    motor2.setTarget(theta2);

    // 更新电机
    motor1.run();
    motor2.run();

    delay(10);
  }
}

要点解读:
使用 SimpleFOC 库初始化两个BLDC电机和两个编码器
根据正运动学计算绘图坐标对应的两个电机角度
使用 setTarget() 函数设置电机目标位置,然后调用 run() 函数更新电机

2、二轴绘图机器人 - 任意图形绘制

#include <SimpleFOC.h>

// 电机驱动对象
BLDCMotor motor1(14, 12, 13, 15);
BLDCMotor motor2(2, 3, 4, 5);

// 编码器对象
Encoder encoder1(16, 17, 1024);
Encoder encoder2(18, 19, 1024);

void setup() {
   
  // 初始化电机
  motor1.linkEncoder(&encoder1);
  motor2.linkEncoder(&encoder2);
  motor1.useFFControllerPID();
  motor2