【花雕学编程】Arduino FOC 之双足静态步态算法

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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:
该算法基于Arduino FOC提供的电机控制功能,实现了双足机器人的静态步行。
采用预先规划的关节角度轨迹,通过精确控制电机输出实现机器人关节的协调运动。
步态规划遵循静态稳定性原则,确保机器人在任何时刻都保持在稳定支撑多边形内,避免倾覆。
通过对支撑脚和摆动脚的交替切换,实现机器人的缓慢前进。
算法采用逐步迭代的方式规划每一步的关节角度轨迹,确保过渡平稳,避免机器人剧烈抖动。
该算法可以与机器人的感知、规划等模块进行融合,实现更智能化的步行控制。

2、应用场景:
载重能力要求较低的双足机器人:静态步行算法相比动态步态,对电机输出扭矩要求较低,适合于载重能力有限的双足机器人。
移动环境较为简单的双足机器人:静态步行算法不需要处理急剧的动态变化,适合在平坦、无障碍的环境中应用。
对能耗要求严格的双足机器人:静态步行算法能耗相对较低,适合于需要长时间工作的场景。
对安全性要求高的双足机器人:静态步行算法保持机器人在稳定支撑多边形内,能够提高安全性,适用于人员密集环境。
作为动态步态控制的基础:静态步行算法可以为后续开发基于动态稳定性的高级步态控制奠定基础。

3、需要注意的事项:
运动学建模精度:准确的机器人运动学模型是实现平稳步行的关键,需要对模型参数进行精细测量和标定。
关节角度轨迹规划:步态规划算法需要根据机器人的运动学特性和目标步长,合理规划每一步的关节角度轨迹。
步长与稳定性平衡:较大的步长可以提高机器人的移动速度,但会增大倾覆风险,需要在速度和稳定性之间权衡。
外界干扰抑制:静态步行算法对外界干扰(如地面不平整)较为敏感,需要设计相应的自适应补偿机制。
与其他功能模块的融合:步行算法需要与感知、规划等功能模块协调配合,实现更智能化的步行控制。

总的来说,Arduino FOC中的双足静态步态算法,采用预先规划的关节角度轨迹,通过精确的电机控制实现机器人的缓慢前进。该算法保持机器人在稳定支撑多边形内,具有较低能耗、安全性高等特点,适用于载重要求较低、环境相对简单的场景。但在运动学建模精度、步长与稳定性平衡以及外界干扰抑制等方面需要进一步优化,同时还需要与其他功能模块进行深度融合,才能发挥其更大的应用价值。

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1、双足静态步态控制

#include <ArduinoFOC.h>

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

// 设置电机参数
float motor_voltage = 12.0;  // 电机电压
float Kp = 2.0;             // 比例增益
float Ki = 0.5;             // 积分增益

// 设置步态参数
float step_length = 0.2;    // 步长
float step_height = 0.1;    // 步高
int step_duration = 1000;   // 步态周期（毫秒）

// 初始化步态控制器
StaticGaitController gaitController;

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

  // 设置电机参数
  motor1.voltage_power_supply = motor_voltage;
  motor2.voltage_power_supply = motor_voltage;
  motor1.init();
  motor2.init();

  // 配置FOC控制器
  motor1.linkFOC(&Serial);
  motor1.controller = FOCModulationType::SpaceVectorPWM;
  motor1.PID_velocity.P = Kp;
  motor1.PID_velocity.I = Ki;
  motor2.linkFOC(&Serial);
  motor2.controller = FOCModulationType

【花雕学编程】Arduino FOC 之双足静态步态算法

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