【花雕学编程】Arduino FOC 之并联五连杆算法

标签：花雕 Arduino float fiveBar FOC Serial 连杆

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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。

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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

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Arduino FOC 之并联五连杆算法
1、主要特点
灵活性高: 并联五连杆结构通过多个连杆连接，能够在二维或三维空间内实现灵活的运动，适合多种复杂的运动任务。
高刚性: 由于多个连杆共同作用，结构具有较高的刚性和稳定性，能够承受较大的负载，同时减少运动中的变形和震动。
运动范围广: 五连杆设计允许机械臂在较大的工作空间内实现精确控制，适用于各种复杂的操作需求。
控制简单: 使用Arduino FOC库，可以通过简单的控制算法实现对各个连杆的协调运动，简化了控制逻辑的设计。

2、应用场景
工业自动化: 并联五连杆机器人广泛应用于装配、焊接、喷涂等工业自动化领域，提高生产效率和精度。
机器人手臂: 在服务机器人和教育机器人中，五连杆结构能够实现灵活的抓取和操作，适应不同的任务需求。
医疗设备: 在医疗领域，五连杆机制可用于手术机器人和康复机器人，实现高精度的操作。
仿生机器人: 该结构可以模拟动物的运动，应用于仿生机器人的研发，提升机器人运动的自然性和灵活性。

3、需要注意的事项
运动学建模: 准确的运动学模型是实现精确控制的基础，需要针对五连杆结构建立详细的运动学模型。
控制算法: 选择合适的控制算法（如PID、模糊控制等），并进行参数调优，以确保系统的稳定性和响应速度。
负载管理: 在设计过程中，需要考虑负载对各个连杆的影响，合理选择材料和结构，以确保在不同负载下的稳定性。
奇异点问题: 在某些配置下，可能会出现奇异点，导致控制失败，需设计奇异点检测和处理机制。
实时反馈: 建立有效的传感器反馈机制，以实时监测各个关节的位置和状态，确保系统能够快速响应变化。

总结
Arduino FOC中的并联五连杆算法为机械臂提供了一种高效、灵活的控制方案，适用于工业自动化、医疗设备和仿生机器人等多种应用场景。通过合理的运动学建模和控制算法设计，可以实现高精度和高刚性的运动控制。在实际开发中，应重视运动学模型、负载管理和实时反馈等关键因素，以确保系统的稳定性和可靠性。

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注意：由于 Arduino 的计算能力有限，并联五连杆算法的实时计算可能比较困难。以下代码案例仅供参考，实际应用中需要根据具体情况进行调整。

1、逆运动学求解

#include <Arduino.h>
#include <FiveBar.h>

// 定义五连杆机构参数
FiveBar fiveBar(
  // 杆长
  100.0, // 杆 1 长度
  150.0, // 杆 2 长度
  100.0, // 杆 3 长度
  150.0, // 杆 4 长度
  100.0, // 杆 5 长度
  // 基座坐标
  0.0, // 基座 x 坐标
  0.0, // 基座 y 坐标
  // 平台坐标
  100.0, // 平台 x 坐标
  100.0 // 平台 y 坐标
);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 设置平台目标坐标
  fiveBar.setPlatformPosition(150.0, 150.0);

  // 求解关节角度
  if (fiveBar.solveInverseKinematics()) {
    // 获取关节角度
    float theta1 = fiveBar.getJointAngle(1);
    float theta2 = fiveBar.getJointAngle(2);
    float theta3 = fiveBar.getJointAngle(3);
    float theta4 = fiveBar.getJointAngle(4);
    float theta5 = fiveBar.getJointAngle(5);

    // 打印关节角度
    Serial.print("Theta1: ");
    Serial.println(theta1);
    Serial.print("Theta2: ");
    Serial.println(theta2);
    Serial.print("Theta3: ");
    Serial.println(theta3);
    Serial.print("Theta4: ");
    Serial.println(theta4);
    Serial.print("Theta5: ");
    Serial.println(theta5);
  } else {
    Serial.println("无法求解");
  }

  delay(1000);
}

2、正运动学计算

#include <Arduino.h>
#include <FiveBar.h>

// 定义五连杆机构参数
FiveBar fiveBar(
  // 杆长
  100.0, // 杆 1 长度
  150.0, // 杆 2 长度
  100.0, // 杆 3 长度
  150.0, // 杆 4 长度
  100.0, // 杆 5 长度
  // 基座坐标
  0.0, // 基座 x 坐标
  0.0, // 基座 y 坐标
  // 平台坐标
  100.0, // 平台 x 坐标
  100.0 // 平台 y 坐标
);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 设置关节角度
  fiveBar.setJointAngles(
    30.0, // 关节 1 角度
    45.0, // 关节 2 角度
    60.0, // 关节 3 角度
    75.0, // 关节 4 角度
    90.0  // 关节 5 角度
  );

  // 计算平台坐标
  fiveBar.solveForwardKinematics();

  // 获取平台坐标
  float platform_x = fiveBar.getPlatformPositionX();
  float platform_y = fiveBar.getPlatformPositionY();

  // 打印平台坐标
  Serial.print("Platform X: ");
  Serial.println(platform_x);
  Serial.print("Platform Y: ");
  Serial.println(platform_y);

  delay(1000);
}

3、轨迹跟踪

#include <Arduino.h>
#include <FiveBar.h>

// 定义五连杆机构参数
FiveBar fiveBar(
  // 杆长
  100.0, // 杆 1 长度
  150.0, // 杆 2 长度
  100.0, // 杆 3 长度
  150.0, // 杆 4 长度
  100.0, // 杆 5 长度
  // 基座坐标
  0.0, // 基座 x 坐标
  0.0, // 基座 y 坐标
  // 平台坐标
  100.0, // 平台 x 坐标
  100.0 // 平台 y 坐标
);

// 定义轨迹点
float trajectory_points[][2] = {
  {100.0, 100.0},
  {150.0, 150.0},
  {100.0, 200.0},
  {50.0, 150.0},
  {100.0, 100.0}
};

// 定义轨迹跟踪参数
float velocity = 50.0; // 单位：mm/秒
float lookahead_distance = 10.0; // 单位：mm

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 获取当前平台坐标
  float current_x = fiveBar.getPlatformPositionX();
  float current_y = fiveBar.getPlatformPositionY();

  // 寻找目标点
  int target_index = 0;
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    float distance = sqrt(pow(trajectory_points[i][0] - current_x, 2) + pow(trajectory_points[i][1] - current_y, 2));
    if (distance < lookahead_distance) {
      target_index = i;
      break;
    }
  }

  // 计算目标速度
  float target_x_speed = (trajectory_points[target_index][0] - current_x) * velocity / abs(trajectory_points[target_index][0] - current_x);
  float target_y_speed = (trajectory_points[target_index][1] - current_y) * velocity / abs(trajectory_points[target_index][1] - current_y);

  // 设置平台目标坐标
  fiveBar.setPlatformPosition(current_x + target_x_speed * (millis() / 1000.0), current_y + target_y_speed * (millis() / 1000.0));

  // 求解关节角度
  if (fiveBar.solveInverseKinematics()) {
    // 获取关节角度
    float theta1 = fiveBar.getJointAngle(1);
    float theta2 = fiveBar.getJointAngle(2);
    float theta3 = fiveBar.getJointAngle(3);
    float theta4 = fiveBar.getJointAngle(4);
    float theta5 = fiveBar.getJointAngle(5);

    // 设置电机角度
    // ...

  } else {
    Serial.println("无法求解");
  }

  delay(10);
}

要点解读：
并联五连杆算法: 代码使用并联五连杆算法来计算机构的运动学，包括逆运动学和正运动学。
逆运动学: 逆运动学是指根据平台目标坐标计算关节角度。
正运动学: 正运动学是指根据关节角度计算平台坐标。
轨迹跟踪: 代码使用轨迹跟踪算法来控制平台沿着预定的轨迹运动。
应用场景: 并联五连杆算法适用于需要高精度控制的应用场景，例如机器人控制、自动化设备等。

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4、并联五连杆机器人正运动学计算

#include <Arduino.h>

// 定义连杆长度
const float l1 = 10.0;
const float l2 = 10.0;
const float l3 = 10.0;
const float l4 = 10.0;
const float l5 = 10.0;

// 定义关节角度
float theta1, theta2, theta3, theta4, theta5;

// 计算末端执行器位置
void calculateForwardKinematics() {
  float x = l1 * cos(theta1) + l2 * cos(theta2) + l3 * cos(theta3) + l4 * cos(theta4) + l5 * cos(theta5);
  float y = l1 * sin(theta1) + l2 * sin(theta2) + l3 * sin(theta3) + l4 * sin(theta4) + l5 * sin(theta5);
  Serial.print("End Effector Position: ");
  Serial.print("X: ");
  Serial.print(x);
  Serial.print(" Y: ");
  Serial.println(y);
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 示例角度
  theta1 = radians(30);
  theta2 = radians(45);
  theta3 = radians(60);
  theta4 = radians(75);
  theta5 = radians(90);
  
  calculateForwardKinematics();
  delay(1000);
}

要点解读
连杆长度定义：定义了五连杆的长度，确保计算的基础数据准确。
关节角度：通过设置关节角度来计算末端执行器的位置。
正运动学计算：利用几何关系计算末端执行器的X和Y坐标。
串口输出：通过串口输出末端执行器的位置，便于调试和验证。
循环更新：在loop函数中不断更新和计算位置，模拟实时控制。

5、并联五连杆机器人逆运动学计算

#include <Arduino.h>

// 定义连杆长度
const float l1 = 10.0;
const float l2 = 10.0;
const float l3 = 10.0;
const float l4 = 10.0;
const float l5 = 10.0;

// 目标位置
float targetX = 15.0;
float targetY = 15.0;

// 计算关节角度
void calculateInverseKinematics() {
  // 简化的逆运动学计算示例
  float theta1 = atan2(targetY, targetX);
  float theta2 = atan2(targetY - l1 * sin(theta1), targetX - l1 * cos(theta1));
  // 其他角度计算略
  Serial.print("Joint Angles: ");
  Serial.print("Theta1: ");
  Serial.print(degrees(theta1));
  Serial.print(" Theta2: ");
  Serial.println(degrees(theta2));
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  calculateInverseKinematics();
  delay(1000);
}

要点解读
目标位置定义：设置目标位置，作为逆运动学计算的输入。
逆运动学计算：通过几何关系计算关节角度，以实现末端执行器到达目标位置。
简化计算：示例中简化了部分计算，实际应用中需根据具体情况完善。
串口输出：输出计算得到的关节角度，便于调试和验证。
实时更新：在loop函数中不断更新和计算关节角度，模拟实时控制。

6、并联五连杆机器人速度控制

#include <Arduino.h>

// 定义连杆长度
const float l1 = 10.0;
const float l2 = 10.0;
const float l3 = 10.0;
const float l4 = 10.0;
const float l5 = 10.0;

// 目标速度
float targetSpeedX = 1.0;
float targetSpeedY = 1.0;

// 计算关节速度
void calculateJointSpeeds() {
  // 简化的速度计算示例
  float jointSpeed1 = targetSpeedX / l1;
  float jointSpeed2 = targetSpeedY / l2;
  // 其他关节速度计算略
  Serial.print("Joint Speeds: ");
  Serial.print("Joint1: ");
  Serial.print(jointSpeed1);
  Serial.print(" Joint2: ");
  Serial.println(jointSpeed2);
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  calculateJointSpeeds();
  delay(1000);
}

要点解读
目标速度定义：设置目标速度，作为速度控制的输入。
速度计算：通过几何关系计算各关节的速度，以实现末端执行器的目标速度。
简化计算：示例中简化了部分计算，实际应用中需根据具体情况完善。
串口输出：输出计算得到的关节速度，便于调试和验证。
实时更新：在loop函数中不断更新和计算关节速度，模拟实时控制。

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。

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标签：花雕,Arduino,float,fiveBar,FOC,Serial,连杆
From： https://blog.csdn.net/weixin_41659040/article/details/141846002

【花雕学编程】Arduino FOC 之并联五连杆算法

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