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【花雕学编程】Arduino FOC 之B样条曲线生成与步进电机控制

时间：2024-11-21 09:47:16浏览次数：3  
标签：花雕 样条 电机 float Arduino FOC controlPoints

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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B样条曲线生成与步进电机控制

主要特点
平滑轨迹生成：
B样条曲线能够生成高度平滑的运动轨迹，适合步进电机在执行任务时的路径规划，确保运动过程中的连续性，减少震动和冲击。
局部控制特性：
B样条曲线具有局部控制的特性，调整某个控制点仅会影响曲线的局部部分，而不影响整体形状。这使得优化和调整运动轨迹变得更加灵活和高效。
高灵活性：
用户可以通过增减控制点来自由地调整曲线形状，以适应不同的应用需求，从而实现复杂的运动模式。
高效的计算性能：
B样条曲线的计算相对简单，能够在实时控制中快速生成路径点，适合高频率的步进电机控制要求。
多段连接能力：
多段B样条曲线可以将多个曲线段连接在一起，形成更复杂的运动轨迹，满足多样化的应用需求。

应用场景
自动化生产线：
在工业自动化中，B样条曲线生成用于规划步进电机的运动轨迹，适合焊接、装配和搬运等操作，提高生产效率和精度。
3D打印：
在3D打印中，步进电机利用B样条曲线生成的平滑路径进行打印，确保打印头运动的连续性，提升打印质量和速度。
机器人控制：
在服务机器人和移动机器人中，B样条曲线控制可以用于实现平滑的导航和路径跟踪，提升机器人的灵活性与适应能力。
数控机床：
在数控加工设备中，通过B样条曲线控制刀具的运动轨迹，能够提高加工精度，特别适用于复杂形状的切割和雕刻。
动画与模拟：
在计算机动画和虚拟现实中，B样条曲线可以用于平滑角色和物体的运动路径，提升视觉表现的自然性。

需要注意的事项
控制点的选择：
选择适当的控制点对生成理想的B样条曲线至关重要，需根据具体应用仔细规划，以确保曲线能够满足运动要求。
路径平滑性：
在连接多个B样条曲线段时，要确保连接处的平滑性，避免在连接点出现突变，从而影响步进电机的运动稳定性。
实时性能要求：
步进电机控制系统需要具备良好的实时性能，能够快速处理指令与反馈，以确保在动态环境中稳定运行。
负载适应性：
考虑到不同负载条件对步进电机运动性能的影响，控制系统应具备适应性，能够根据负载变化动态调整控制策略。
安全机制设计：
在实际应用中，需设计合理的安全机制，如运动范围限制、急停功能等，以确保在异常情况下能够及时响应，防止设备损坏或安全事故。
通过合理应用Arduino FOC的B样条曲线生成与步进电机控制技术，开发者能够实现高效、平滑的运动控制，提升系统在复杂应用环境中的性能与用户体验。

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1、B 样条曲线生成

#include <Arduino.h>

struct Point {
    float x;
    float y;
};

// B 样条曲线计算
Point bSpline(float t, Point p0, Point p1, Point p2, Point p3) {
    Point result;
    float u = t;  // t 在 [0, 1] 范围内
    float u2 = u * u;
    float u3 = u2 * u;

    result.x = (1 - 3*u + 3*u2 - u3) * p0.x +
               (3*u - 6*u2 + 3*u3) * p1.x +
               (3*u2 - 3*u3) * p2.x +
               (u3) * p3.x;

    result.y = (1 - 3*u + 3*u2 - u3) * p0.y +
               (3*u - 6*u2 + 3*u3) * p1.y +
               (3*u2 - 3*u3) * p2.y +
               (u3) * p3.y;

    return result;
}

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

void loop() {
    // 定义控制点
    Point controlPoints[] = {
        {10.0, 10.0},
        {50.0, 100.0},
        {100.0, 50.0},
        {150.0, 150.0}
    };
    const int numPoints = sizeof(controlPoints) / sizeof(controlPoints[0]);

    // 生成 B 样条曲线点
    for (float t = 0; t <= 1; t += 0.01) {
        for (int i = 0; i < numPoints - 3; i++) {
            Point p = bSpline(t, controlPoints[i], controlPoints[i + 1], controlPoints[i + 2], controlPoints[i + 3]);
            Serial.printf("t: %.2f, Point: (%.2f, %.2f)\n", t, p.x, p.y);
        }
    }
    while (true); // 停止后续循环
}

要点解读：
B 样条曲线生成：通过四个控制点生成 B 样条曲线，利用数学公式计算曲线上的点。
结构体定义：使用结构体 Point 来表示二维坐标，使得代码更具可读性和可维护性。
参数化遍历：使用 t 参数在 [0, 1] 范围内不断计算曲线点，确保曲线的平滑性。
实时输出：每次循环输出计算得到的曲线点，便于调试和观察曲线生成过程。
循环停止：生成所有曲线点后停止循环，避免不必要的重复计算。

2、B 样条曲线与步进电机控制

#include <Arduino.h>
#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200;  // 每转一圈的步数
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 3, 4, 5, 6); // 步进电机引脚

struct Point {
    float x;
    float y;
};

Point bSpline(float t, Point p0, Point p1, Point p2, Point p3) {
    Point result;
    float u = t;
    float u2 = u * u;
    float u3 = u2 * u;

    result.x = (1 - 3*u + 3*u2 - u3) * p0.x +
               (3*u - 6*u2 + 3*u3) * p1.x +
               (3*u2 - 3*u3) * p2.x +
               (u3) * p3.x;

    result.y = (1 - 3*u + 3*u2 - u3) * p0.y +
               (3*u - 6*u2 + 3*u3) * p1.y +
               (3*u2 - 3*u3) * p2.y +
               (u3) * p3.y;

    return result;
}

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

void loop() {
    Point controlPoints[] = {
        {10.0, 10.0},
        {50.0, 100.0},
        {100.0, 50.0},
        {150.0, 150.0}
    };
    const int numPoints = sizeof(controlPoints) / sizeof(controlPoints[0]);

    for (float t = 0; t <= 1; t += 0.01) {
        for (int i = 0; i < numPoints - 3; i++) {
            Point p = bSpline(t, controlPoints[i], controlPoints[i + 1], controlPoints[i + 2], controlPoints[i + 3]);
            
            // 将坐标映射到步进电机控制
            int steps = map(p.x, 0, 255, 0, stepsPerRevolution);
            myStepper.step(steps);
            Serial.printf("t: %.2f, Point: (%.2f, %.2f), Steps: %d\n", t, p.x, p.y, steps);
            delay(100); // 控制每个点的输出间隔
        }
    }
    while (true); // 停止后续循环
}

要点解读：
步进电机控制集成：通过步进电机库实现对电机的控制，利用 B 样条曲线的计算结果来驱动电机移动。
坐标映射：将计算得到的 B 样条曲线的 x 坐标映射到步进电机的步数，确保电机能准确到达目标位置。
动态点控制：根据 B 样条曲线的点动态控制电机的步进，确保移动的平滑性。
实时监测输出：输出每个计算点的坐标和对应的步数，便于调试和观察电机的运动情况。
延时控制：设置延时以确保电机在每个计算点之间有足够的时间进行调整，增强运动的平滑性。

3、多段 B 样条曲线与步进电机控制

#include <Arduino.h>
#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200;  // 每转一圈的步数
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 3, 4, 5, 6); // 步进电机引脚

struct Point {
    float x;
    float y;
};

// 计算 B 样条曲线的点
Point bSpline(float t, Point p0, Point p1, Point p2, Point p3) {
    Point result;
    float u = t;
    float u2 = u * u;
    float u3 = u2 * u;

    result.x = (1 - 3*u + 3*u2 - u3) * p0.x +
               (3*u - 6*u2 + 3*u3) * p1.x +
               (3*u2 - 3*u3) * p2.x +
               (u3) * p3.x;

    result.y = (1 - 3*u + 3*u2 - u3) * p0.y +
               (3*u - 6*u2 + 3*u3) * p1.y +
               (3*u2 - 3*u3) * p2.y +
               (u3) * p3.y;

    return result;
}

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

void loop() {
    // 定义多个控制点
    Point controlPoints[][4] = {
        {{10.0, 10.0}, {50.0, 100.0}, {100.0, 50.0}, {150.0, 150.0}},
        {{150.0, 150.0}, {200.0, 100.0}, {250.0, 200.0}, {300.0, 100.0}}
    };
    const int numCurves = sizeof(controlPoints) / sizeof(controlPoints[0]);

    // 遍历每条 B 样条曲线
    for (int i = 0; i < numCurves; i++) {
        for (float t = 0; t <= 1; t += 0.01) {
            Point p = bSpline(t, controlPoints[i][0], controlPoints[i][1], controlPoints[i][2], controlPoints[i][3]);
            
            // 将坐标映射到步进电机控制
            int steps = map(p.x, 0, 300, 0, stepsPerRevolution); // 假设 x 范围为 0 到 300
            myStepper.step(steps);
            Serial.printf("Curve %d, t: %.2f, Point: (%.2f, %.2f), Steps: %d\n", i, t, p.x, p.y, steps);
            delay(100); // 控制每个点的输出间隔
        }
    }
    while (true); // 停止后续循环
}

要点解读：
多段 B 样条曲线生成：实现了对多条 B 样条曲线的生成和控制，适合复杂路径跟踪。
动态控制点设置：通过二维数组定义多个 B 样条曲线的控制点，便于扩展和修改。
逐段处理：在每条曲线内进行参数化遍历，确保曲线的平滑性和连续性。
步进电机控制：根据计算得到的曲线点动态控制步进电机的步数，确保路径的准确追踪。
实时监测与调试：输出每条曲线的计算点和对应的步数，便于观察运动情况和调整控制策略。

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4、基本的B样条曲线生成与步进电机控制

#include <SimpleFOC.h>
#include <AccelStepper.h>

// 定义步进电机
AccelStepper stepper1(AccelStepper::DRIVER, 2, 3);
AccelStepper stepper2(AccelStepper::DRIVER, 4, 5);

// B样条曲线控制点
float controlPoints[4][2] = {{0, 0}, {5, 10}, {10, 10}, {15, 0}};

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 初始化步进电机
    stepper1.setMaxSpeed(1000);
    stepper1.setAcceleration(500);
    stepper2.setMaxSpeed(1000);
    stepper2.setAcceleration(500);
}

void loop() {
    for (float t = 0; t <= 1; t += 0.01) {
        float x = Bspline(t, controlPoints, 0);
        float y = Bspline(t, controlPoints, 1);

        stepper1.moveTo(x * 100);
        stepper2.moveTo(y * 100);

        stepper1.run();
        stepper2.run();
        
        delay(10);
    }
}

float Bspline(float t, float controlPoints[][2], int axis) {
    // B样条曲线计算
    float result = pow(1 - t, 3) * controlPoints[0][axis] +
                   3 * t * pow(1 - t, 2) * controlPoints[1][axis] +
                   3 * pow(t, 2) * (1 - t) * controlPoints[2][axis] +
                   pow(t, 3) * controlPoints[3][axis];
    return result;
}

6、带有位置反馈的B样条曲线控制

#include <SimpleFOC.h>
#include <AccelStepper.h>

// 定义步进电机和位置反馈
AccelStepper stepper1(AccelStepper::DRIVER, 2, 3);
AccelStepper stepper2(AccelStepper::DRIVER, 4, 5);
Encoder encoder1 = Encoder(6, 7, 1024);
Encoder encoder2 = Encoder(8, 9, 1024);

// B样条曲线控制点
float controlPoints[4][2] = {{0, 0}, {5, 10}, {10, 10}, {15, 0}};

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 初始化步进电机和编码器
    stepper1.setMaxSpeed(1000);
    stepper1.setAcceleration(500);
    stepper2.setMaxSpeed(1000);
    stepper2.setAcceleration(500);
    encoder1.init();
    encoder2.init();
}

void loop() {
    for (float t = 0; t <= 1; t += 0.01) {
        float x = Bspline(t, controlPoints, 0);
        float y = Bspline(t, controlPoints, 1);

        // 获取当前的位置反馈
        float currentPos1 = encoder1.getAngle();
        float currentPos2 = encoder2.getAngle();

        // 计算控制目标位置
        stepper1.moveTo(x * 100);
        stepper2.moveTo(y * 100);

        stepper1.run();
        stepper2.run();
        
        Serial.print("Target X: ");
        Serial.print(x);
        Serial.print(", Current X: ");
        Serial.print(currentPos1);
        Serial.print(", Target Y: ");
        Serial.print(y);
        Serial.print(", Current Y: ");
        Serial.println(currentPos2);

        delay(10);
    }
}

float Bspline(float t, float controlPoints[][2], int axis) {
    // B样条曲线计算
    float result = pow(1 - t, 3) * controlPoints[0][axis] +
                   3 * t * pow(1 - t, 2) * controlPoints[1][axis] +
                   3 * pow(t, 2) * (1 - t) * controlPoints[2][axis] +
                   pow(t, 3) * controlPoints[3][axis];
    return result;
}

6、带有PID控制的B样条曲线控制

#include <SimpleFOC.h>
#include <AccelStepper.h>

// 定义步进电机和位置反馈
AccelStepper stepper1(AccelStepper::DRIVER, 2, 3);
AccelStepper stepper2(AccelStepper::DRIVER, 4, 5);
Encoder encoder1 = Encoder(6, 7, 1024);
Encoder encoder2 = Encoder(8, 9, 1024);
PIDController pid1(1.0, 0.1, 0.01, 1);
PIDController pid2(1.0, 0.1, 0.01, 1);

// B样条曲线控制点
float controlPoints[4][2] = {{0, 0}, {5, 10}, {10, 10}, {15, 0}};

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 初始化步进电机和编码器
    stepper1.setMaxSpeed(1000);
    stepper1.setAcceleration(500);
    stepper2.setMaxSpeed(1000);
    stepper2.setAcceleration(500);
    encoder1.init();
    encoder2.init();
}

void loop() {
    for (float t = 0; t <= 1; t += 0.01) {
        float x = Bspline(t, controlPoints, 0);
        float y = Bspline(t, controlPoints, 1);

        // 获取当前的位置反馈
        float currentPos1 = encoder1.getAngle();
        float currentPos2 = encoder2.getAngle();

        // 计算控制误差
        float error1 = x * 100 - currentPos1;
        float error2 = y * 100 - currentPos2;

        // 使用PID控制调整电机位置
        float control1 = pid1.compute(error1);
        float control2 = pid2.compute(error2);

        stepper1.moveTo(currentPos1 + control1);
        stepper2.moveTo(currentPos2 + control2);

        stepper1.run();
        stepper2.run();

        Serial.print("Target X: ");
        Serial.print(x);
        Serial.print(", Current X: ");
        Serial.print(currentPos1);
        Serial.print(", Control X: ");
        Serial.print(control1);
        Serial.print(", Target Y: ");
        Serial.print(y);
        Serial.print(", Current Y: ");
        Serial.print(currentPos2);
        Serial.print(", Control Y: ");
        Serial.println(control2);

        delay(10);
    }
}

float Bspline(float t, float controlPoints[][2], int axis) {
    // B样条曲线计算
    float result = pow(1 - t, 3) * controlPoints[0][axis] +
                   3 * t * pow(1 - t, 2) * controlPoints[1][axis] +
                   3 * pow(t, 2) * (1 - t) * controlPoints[2][axis] +
                   pow(t, 3) * controlPoints[3][axis];
    return result;
}

要点解读
硬件初始化与参数设置： 在setup()函数中初始化步进电机、编码器和PID控制器，并设置电压限制和FOC参数，确保硬件正常运行。
B样条曲线生成： 实现Bspline()函数，根据给定的控制点生成B样条曲线上的位置，通过时间t、控制点controlPoints和轴参数axis计算B样条曲线的值。

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,样条,电机,float,Arduino,FOC,controlPoints
From： https://blog.csdn.net/weixin_41659040/article/details/143842441

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