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【花雕学编程】Arduino FOC 之双足平衡机器人带有位置环控制

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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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1、主要特点:
位置环控制:
采用级联的控制架构,外环为位置环,内环为速度环和电流环。
位置环利用关节的绝对位置传感器反馈,实现精确的关节角度控制。
速度环和电流环利用电机编码器和电流传感器反馈,提供快速的力矩响应。
位置环控制器采用 PID 算法,可根据不同关节特性进行参数调整。

动态平衡控制:
融合位置环反馈,结合关节力/力矩传感器的测量值。
通过实时调整各关节的位置/力矩目标值,补偿外部扰动,保持动态平衡。
支持倾斜姿态的实时检测和修正,提高机器人在复杂地形下的适应性。

步态规划与平衡控制的融合:
将预设的步态轨迹与实时的平衡控制进行紧密耦合。
通过优化两者的参数,实现自适应的动态平衡步行。
支持人机交互,可手动调整步态和平衡控制参数以满足不同需求。

2、应用场景:
室内/户外平坦或结构化环境下的双足平衡机器人,如助行器、巡检机器人等。
需要精确位置/力控制的双足机器人,如家用服务机器人、医疗康复机器人。
用于模拟和研究人类或动物步态控制机理的科研平台。
需要高度稳定性的双足机器人,如仿生机器人、探索机器人等。

3、需要注意的事项:
高精度、宽量程的关节角度传感器选型和安装位置。
传感器信号的噪音抑制和温度漂移补偿,确保测量精度。
位置环、速度环和电流环控制器的参数调谐与优化,提高系统响应性。
关节力/力矩传感器的选型和安装,确保测量的准确性和可靠性。
步态规划算法与平衡控制策略的协调设计,提高鲁棒性和适应性。
电机驱动器的功率和带宽,满足快速力矩输出和位置跟踪需求。
整体系统的安全性和可靠性保障,包括防跌落、过载保护等。
与上层感知、决策模块的良好集成,实现自主平衡行走。

总之,Arduino FOC 在双足平衡机器人中的位置环控制技术,结合了精确的关节角度控制和实时的动态平衡调整,使机器人能够在复杂环境下保持稳定平衡,并实现自适应的精准步态。在实际应用中,需要重点关注传感器选型与集成、控制器参数调优、驱动器性能匹配,以及整体系统的安全性和可靠性保障,以确保机器人能够安全高效地完成各类任务。

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以下是几个基于Arduino FOC的双足平衡机器人的实际应用程序参考代码案例，包括位置环控制。每个案例都有对应的要点解读。

1、基于位置环控制的简单双足平衡机器人

#include <SimpleFOC.h>

// 双足机器人参数
float kp = 0.1;
float ki = 0.01;
float kd = 0.001;
float targetPosition = 0.0;

// 定义电机对象
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(1);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(2);

// 定义位置环对象
PIDController positionController1 = PIDController(kp, ki, kd);
PIDController positionController2 = PIDController(kp, ki, kd);

void setup() {
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(115200);

  // 配置电机
  motor1.init();
  motor2.init();

  // 设置电机的电流限制
  motor1.setCurrentLimit(2.0);
  motor2.setCurrentLimit(2.0);

  // 设置位置环的目标位置
  positionController1.target = targetPosition;
  positionController2.target = targetPosition;

  // 启用位置环控制
  motor1.controller = &positionController1;
  motor2.controller = &positionController2;

  // 启动电机
  motor1.enable();
  motor2.enable();
}

void loop() {
  // 读取双足机器人的当前位置
  float currentPosition1 = motor1.shaftAngle();
  float currentPosition2 = motor2.shaftAngle();

  // 更新位置环的当前位置
  positionController1.current = currentPosition1;
  positionController2.current = currentPosition2;

  // 计算位置环的输出
  float controlOutput1 = positionController1.output();
  float controlOutput2 = positionController2.output();

  // 设置电机的控制信号
  motor1.move(controlOutput1);
  motor2.move(controlOutput2);

  // 打印调试信息
  Serial.print("Motor 1 Position: ");
  Serial.print(currentPosition1);
  Serial.print("  Motor 2 Position: ");
  Serial.println(currentPosition2);
}

要点解读：
该程序使用了SimpleFOC库来实现双足平衡机器人的位置环控制。
通过PIDController对象，设置了位置环的比例增益、积分增益和微分增益。
在setup()函数中，配置了电机和位置环的参数，启用了位置环控制，并启动了电机。
在loop()函数中，读取当前位置，更新位置环的当前位置，计算位置环的输出，设置电机的控制信号，并打印调试信息。

2、位置环控制与速度反馈的双足平衡机器人

#include <SimpleFOC.h>

// 双足机器人参数
float kp = 0.1;
float ki = 0.01;
float kd = 0.001;
float targetPosition = 0.0;

// 定义电机对象
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(1);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(2);

// 定义位置环对象
PIDController positionController1 = PIDController(kp, ki, kd);
PIDController positionController2 = PIDController(kp, ki, kd);

void setup() {
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(115200);

  // 配置电机
  motor1.init();
  motor2.init();

  // 设置电机的电流限制
  motor1.setCurrentLimit(2.0);
  motor2.setCurrentLimit(2.0);

  // 设置位置环的目标位置
  positionController1.target = targetPosition;
  positionController2.target = targetPosition;

  // 启用位置环控制
  motor1.controller = &positionController1;
  motor2.controller = &positionController2;

  // 启用速度反馈
  motor1.useMonitoring(SensorType::SENSOR_ENCODER);
  motor2.useMonitoring(SensorType::SENSOR_ENCODER);

  // 启动电机
  motor1.enable();
  motor2.enable();
}

void loop() {
  // 读取双足机器人的当前位置和速度
  float currentPosition1 = motor1.shaftAngle();
  float currentPosition2 = motor2.shaftAngle();
  float currentVelocity1 = motor1.shaftVelocity();
  float currentVelocity2 = motor2.shaftVelocity();

  // 更新位置环的当前位置和速度
  positionController1.current = currentPosition1;
  positionController1.current_velocity = currentVelocity1;
  positionController2.current = currentPosition2;
  positionController2.current_velocity = currentVelocity2;

  // 计算位置环的输出
  float controlOutput1 = positionController1.output();
  float controlOutput2 = positionController2.output();

  // 设置电机的控制信号
  motor1.move(controlOutput1);
  motor2.move(controlOutput2);

  // 打印调试信息
  Serial.print("Motor 1 Position: ");
  Serial.print(currentPosition1);
  Serial.print("  Motor 2 Position: ");
  Serial.print(currentPosition2);
  Serial.print("  Motor 1 Velocity: ");
  Serial.print(currentVelocity1);
  Serial.print("  Motor 2 Velocity: ");
  Serial.println(currentVelocity2);
}

要点解读：

在loop()函数中，除了读取当前位置外，还读取了当前速度。
更新位置环的当前位置和速度，分别为positionController1.current、positionController1.current_velocity、positionController2.current和positionController2.current_velocity。
根据位置环的输出，设置电机的控制信号。
打印了调试信息，包括电机1和电机2的位置和速度。

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3、简单双脚平衡案例:

#include <SimpleFOC.h>

// 电机定义
BLDCMotor motor1(5, 6, 7);
BLDCMotor motor2(8, 9, 10);

// 位置传感器定义
Encoder encoder1(2, 3);
Encoder encoder2(11, 12);

// PID控制器定义
PIDController pid1, pid2;

void setup() {
  // 电机和编码器初始化
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);

  // PID控制器设置
  pid1.PID(0.5, 0.1, 0.01);
  pid2.PID(0.5, 0.1, 0.01);
  motor1.linkController(&pid1);
  motor2.linkController(&pid2);

  // 电机模式设置为位置控制
  motor1.controller = MotionControl::torque;
  motor2.controller = MotionControl::torque;
}

void loop() {
  // 目标位置设置
  float target_pos1 = 90;
  float target_pos2 = -90;

  // 电机位置控制
  motor1.setTarget(target_pos1);
  motor2.setTarget(target_pos2);

  // 电机运行
  motor1.loopFOC();
  motor2.loopFOC();
}

要点解读:
定义两个BLDC电机和两个编码器传感器。
设置PID控制器参数,并将其链接到电机。
将电机控制模式设置为位置控制。
在循环中设置目标位置,并调用电机的loopFOC()函数执行位置控制。

4、带有倾斜角度反馈的双足平衡案例:

#include <SimpleFOC.h>
#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>

// 电机定义
BLDCMotor motor1(5, 6, 7);
BLDCMotor motor2(8, 9, 10);

// 位置传感器定义
Encoder encoder1(2, 3);
Encoder encoder2(11, 12);

// 倾斜角度传感器定义
MPU6050 imu;

// PID控制器定义
PIDController pid1, pid2;

void setup() {
  // 电机和编码器初始化
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);

  // 倾斜角度传感器初始化
  imu.begin();

  // PID控制器设置
  pid1.PID(0.5, 0.1, 0.01);
  pid2.PID(0.5, 0.1, 0.01);
  motor1.linkController(&pid1);
  motor2.linkController(&pid2);

  // 电机模式设置为位置控制
  motor1.controller = MotionControl::torque;
  motor2.controller = MotionControl::torque;
}

void loop() {
  // 读取倾斜角度
  float pitch = imu.getAngleX();

  // 目标位置设置
  float target_pos1 = -pitch * kp;
  float target_pos2 = pitch * kp;

  // 电机位置控制
  motor1.setTarget(target_pos1);
  motor2.setTarget(target_pos2);

  // 电机运行
  motor1.loopFOC();
  motor2.loopFOC();
}

要点解读:
定义两个BLDC电机、两个编码器传感器和一个MPU6050陀螺仪传感器。
设置PID控制器参数,并将其链接到电机。
将电机控制模式设置为位置控制。
在循环中读取倾斜角度,并根据角度设置电机目标位置,执行位置控制。

5、带有外部力反馈的双足平衡案例:

#include <SimpleFOC.h>
#include <HX711.h>

// 电机定义
BLDCMotor motor1(5, 6, 7);
BLDCMotor motor2(8, 9, 10);

// 位置传感器定义
Encoder encoder1(2, 3);
Encoder encoder2(11, 12);

// 力传感器定义
HX711 loadcell1(A0, A1);
HX711 loadcell2(A2, A3);

// PID控制器定义
PIDController pid1, pid2;

void setup() {
  // 电机和编码器初始化
  motor1.linkSensor(&encoder1);
  motor2.linkSensor(&encoder2);

  // 力传感器初始化
  loadcell1.begin();
  loadcell2.begin();

  // PID控制器设置
  pid1.PID(0.5, 0.1, 0.01);
  pid2.PID(0.5, 0.1, 0.01);
  motor1.linkController(&pid1);
  motor2.linkController(&pid2);

  // 电机模式设置为位置控制
  motor1.controller = MotionControl::torque;
  motor2.controller = MotionControl::torque;
}

void loop() {
  // 读取力传感器数据
  float force1 = loadcell1.read();
  float force2 = loadcell2.read();

  // 目标位置设置
  float target_pos1 = -force1 * kf;
  float target_pos2 = force2 * kf;

  // 电机位置控制
  motor1.setTarget(target_pos1);
  motor2.setTarget(target_pos2);

  // 电机运行
  motor1.loopFOC();
  motor2.loopFOC();
}

要点解读:
定义两个BLDC电机、两个编码器传感器和两个HX711力传感器。
设置PID控制器参数,并将其链接到电机。
将电机控制模式设置为位置控制。
在循环中读取力传感器数据,并根据力的大小设置电机目标位置,执行位置控制。

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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悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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