【花雕学编程】Arduino FOC 之麦克纳姆轮小车根据遥控器控制移动

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 之麦克纳姆轮小车根据遥控器控制移动

一、主要特点

麦克纳姆轮驱动: 麦克纳姆轮是一种全方位移动轮，可以实现小车的前进、后退、横移、旋转等多种运动方式，提高小车的机动性和灵活性。
FOC控制: 利用FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制）技术，可以精确控制每个电机，实现对小车轮子的精准控制，从而实现更加灵活的运动控制。
遥控器控制: 通过无线遥控器，用户可以远程控制小车的运动方向和速度，方便操作和使用。
可扩展性: Arduino 平台的开放性和可编程性，使得用户可以根据自己的需求编写程序，实现各种功能，例如添加传感器、实现自动避障、路径规划等。

二、应用场景

娱乐休闲: 麦克纳姆轮小车可以作为一种有趣的玩具，展现控制技术的魅力，并可以用于进行各种比赛和表演。
科研教育: 麦克纳姆轮小车可以作为教学和科研平台，用于研究机器人运动控制、路径规划、导航等技术。
工业自动化: 例如在工厂车间中，麦克纳姆轮小车可以用于搬运物料、巡检、清洁等工作，其灵活的运动方式和精准的控制能力可以提高工作效率和安全性。
物流配送: 麦克纳姆轮小车可以用于室内外物流配送，例如在仓库、商场、医院等场所，其灵活的移动方式可以方便地穿梭于狭窄通道，并能准确地将货物运送到指定位置。

三、需要注意的事项

电机选择: 需要选择合适的电机，以满足小车所需的扭矩、速度和功率需求。
编码器选择: 需要选择合适的编码器，以确保电机转速和位置的精确测量。
FOC控制算法: 需要选择合适的FOC控制算法，并进行参数调试，以确保电机控制的稳定性和精确性。
遥控器选择: 需要选择合适的遥控器，以确保信号稳定、操作方便、距离足够远。
安全问题: 在使用麦克纳姆轮小车时，需要注意安全问题，例如避免碰撞、避免人员受伤等。

总结

Arduino FOC 之麦克纳姆轮小车根据遥控器控制移动，具有灵活的运动方式、精准的控制能力、方便的操作等特点，在娱乐休闲、科研教育、工业自动化、物流配送等领域有着广泛的应用前景。在使用时，需要选择合适的电机、编码器、遥控器和控制算法，并进行参数调试，确保安全操作。

1、基本遥控控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h> // FOC 库
#include <nRF24L01.h> // nRF24L01 无线通信库
#include <RF24.h> // nRF24L01 无线通信库

// 定义电机引脚
const int stepPin1 = 2;
const int dirPin1 = 3;
const int stepPin2 = 4;
const int dirPin2 = 5;
const int stepPin3 = 6;
const int dirPin3 = 7;
const int stepPin4 = 8;
const int dirPin4 = 9;

// 定义 FOC 对象
FOC motor1;
FOC motor2;
FOC motor3;
FOC motor4;

// 定义 nRF24L01 无线通信对象
RF24 radio(7, 8); // CE 和 CSN 引脚
const byte address[6] = "00001"; // 通信地址

// 定义遥控器数据结构
struct Data {
  int x; // 横向速度
  int y; // 纵向速度
  int r; // 旋转速度
};
Data data;

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

  // 初始化电机
  motor1.init(stepPin1, dirPin1, 1000);
  motor2.init(stepPin2, dirPin2, 1000);
  motor3.init(stepPin3, dirPin3, 1000);
  motor4.init(stepPin4, dirPin4, 1000);

  // 设置电机控制模式
  motor1.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor2.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor3.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor4.setMode(FOC_MODE_SPEED);

  // 启动电机
  motor1.run();
  motor2.run();
  motor3.run();
  motor4.run();

  // 初始化 nRF24L01 无线通信
  radio.begin();
  radio.openReadingPipe(0, address);
  radio.startListening();
}

void loop() {
  // 接收遥控器数据
  if (radio.available()) {
    radio.read(&data, sizeof(data));
  }

  // 计算电机目标速度
  float speed1 = data.x + data.y + data.r;
  float speed2 = data.x - data.y + data.r;
  float speed3 = -data.x + data.y + data.r;
  float speed4 = -data.x - data.y + data.r;

  // 设置电机目标速度
  motor1.setTargetSpeed(speed1);
  motor2.setTargetSpeed(speed2);
  motor3.setTargetSpeed(speed3);
  motor4.setTargetSpeed(speed4);

  // 更新电机状态
  motor1.updateMotorState();
  motor2.updateMotorState();
  motor3.updateMotorState();
  motor4.updateMotorState();

  // 延时
  delay(10);
}
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要点解读：
代码使用 FOC.h 库控制电机，使用 nRF24L01.h 和 RF24.h 库进行无线通信。
代码定义麦克纳姆轮运动学模型参数和遥控器数据结构。
代码根据遥控器数据计算电机目标速度，实现小车的移动。

2、带有速度限制的遥控控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h> // FOC 库
#include <nRF24L01.h> // nRF24L01 无线通信库
#include <RF24.h> // nRF24L01 无线通信库

// 定义电机引脚
const int stepPin1 = 2;
const int dirPin1 = 3;
const int stepPin2 = 4;
const int dirPin2 = 5;
const int stepPin3 = 6;
const int dirPin3 = 7;
const int stepPin4 = 8;
const int dirPin4 = 9;

// 定义 FOC 对象
FOC motor1;
FOC motor2;
FOC motor3;
FOC motor4;

// 定义 nRF24L01 无线通信对象
RF24 radio(7, 8); // CE 和 CSN 引脚
const byte address[6] = "00001"; // 通信地址

// 定义遥控器数据结构
struct Data {
  int x; // 横向速度
  int y; // 纵向速度
  int r; // 旋转速度
};
Data data;

// 定义速度限制
const float maxSpeed = 100.0; // 最大速度

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

  // 初始化电机
  motor1.init(stepPin1, dirPin1, 1000);
  motor2.init(stepPin2, dirPin2, 1000);
  motor3.init(stepPin3, dirPin3, 1000);
  motor4.init(stepPin4, dirPin4, 1000);

  // 设置电机控制模式
  motor1.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor2.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor3.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor4.setMode(FOC_MODE_SPEED);

  // 启动电机
  motor1.run();
  motor2.run();
  motor3.run();
  motor4.run();

  // 初始化 nRF24L01 无线通信
  radio.begin();
  radio.openReadingPipe(0, address);
  radio.startListening();
}

void loop() {
  // 接收遥控器数据
  if (radio.available()) {
    radio.read(&data, sizeof(data));
  }

  // 计算电机目标速度
  float speed1 = data.x + data.y + data.r;
  float speed2 = data.x - data.y + data.r;
  float speed3 = -data.x + data.y + data.r;
  float speed4 = -data.x - data.y + data.r;

  // 限制速度
  speed1 = constrain(speed1, -maxSpeed, maxSpeed);
  speed2 = constrain(speed2, -maxSpeed, maxSpeed);
  speed3 = constrain(speed3, -maxSpeed, maxSpeed);
  speed4 = constrain(speed4, -maxSpeed, maxSpeed);

  // 设置电机目标速度
  motor1.setTargetSpeed(speed1);
  motor2.setTargetSpeed(speed2);
  motor3.setTargetSpeed(speed3);
  motor4.setTargetSpeed(speed4);

  // 更新电机状态
  motor1.updateMotorState();
  motor2.updateMotorState();
  motor3.updateMotorState();
  motor4.updateMotorState();

  // 延时
  delay(10);
}
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要点解读：
代码使用 FOC.h 库控制电机，使用 nRF24L01.h 和 RF24.h 库进行无线通信。
代码定义麦克纳姆轮运动学模型参数、遥控器数据结构和速度限制。
代码根据遥控器数据计算电机目标速度，并限制速度，实现小车的移动。

3、带有 PID 控制的遥控控制

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h> // FOC 库
#include <nRF24L01.h> // nRF24L01 无线通信库
#include <RF24.h> // nRF24L01 无线通信库
#include <PID_v1.h> // PID 库

// 定义电机引脚
const int stepPin1 = 2;
const int dirPin1 = 3;
const int stepPin2 = 4;
const int dirPin2 = 5;
const int stepPin3 = 6;
const int dirPin3 = 7;
const int stepPin4 = 8;
const int dirPin4 = 9;

// 定义 FOC 对象
FOC motor1;
FOC motor2;
FOC motor3;
FOC motor4;

// 定义 nRF24L01 无线通信对象
RF24 radio(7, 8); // CE 和 CSN 引脚
const byte address[6] = "00001"; // 通信地址

// 定义遥控器数据结构
struct Data {
  int x; // 横向速度
  int y; // 纵向速度
  int r; // 旋转速度
};
Data data;

// 定义 PID 控制参数
double Kp = 1.0; // 比例系数
double Ki = 0.1; // 积分系数
double Kd = 0.01; // 微分系数
double setpoint = 0.0; // 目标速度
double input = 0.0; // 实际速度
double output = 0.0; // 控制输出

// 定义 PID 对象
PID myPID(&input, &output, &setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);

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

  // 初始化电机
  motor1.init(stepPin1, dirPin1, 1000);
  motor2.init(stepPin2, dirPin2, 1000);
  motor3.init(stepPin3, dirPin3, 1000);
  motor4.init(stepPin4, dirPin4, 1000);

  // 设置电机控制模式
  motor1.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor2.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor3.setMode(FOC_MODE_SPEED);
  motor4.setMode(FOC_MODE_SPEED);

  // 启动电机
  motor1.run();
  motor2.run();
  motor3.run();
  motor4.run();

  // 初始化 nRF24L01 无线通信
  radio.begin();
  radio.openReadingPipe(0, address);
  radio.startListening();

  // 初始化 PID 控制
  myPID.SetMode(AUTOMATIC);
  myPID.SetOutputLimits(-100.0, 100.0);
}

void loop() {
  // 接收遥控器数据
  if (radio.available()) {
    radio.read(&data, sizeof(data));
  }

  // 计算电机目标速度
  float speed1 = data.x + data.y + data.r;
  float speed2 = data.x - data.y + data.r;
  float speed3 = -data.x + data.y + data.r;
  float speed4 = -data.x - data.y + data.r;

  // 设置 PID 目标速度
  setpoint = speed1;
  input = motor1.getSpeed();
  myPID.Compute();

  // 设置电机目标速度
  motor1.setTargetSpeed(output);
  motor2.setTargetSpeed(speed2);
  motor3.setTargetSpeed(speed3);
  motor4.setTargetSpeed(speed4);

  // 更新电机状态
  motor1.updateMotorState();
  motor2.updateMotorState();
  motor3.updateMotorState();
  motor4.updateMotorState();

  // 延时
  delay(10);
}
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要点解读：
代码使用 FOC.h 库控制电机，使用 nRF24L01.h 和 RF24.h 库进行无线通信，使用 PID_v1.h 库进行 PID 控制。
代码定义麦克纳姆轮运动学模型参数、遥控器数据结构和 PID 控制参数。
代码根据遥控器数据计算电机目标速度，并使用 PID 控制算法进行速度控制，实现小车的移动。

4、简单遥控控制，仅控制直线运动和旋转

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>
#include <nRF24L01.h> // 遥控器通信库
#define CE_PIN 7
#define CSN_PIN 8

// 定义电机引脚
#define MOTOR_FL_PWM 9
#define MOTOR_FL_DIR 8
#define MOTOR_FR_PWM 10
#define MOTOR_FR_DIR 11
#define MOTOR_BL_PWM 3
#define MOTOR_BL_DIR 2
#define MOTOR_BR_PWM 5
#define MOTOR_BR_DIR 4

// 定义电机对象
FOCMotor motorFL(MOTOR_FL_PWM, MOTOR_FL_DIR);
FOCMotor motorFR(MOTOR_FR_PWM, MOTOR_FR_DIR);
FOCMotor motorBL(MOTOR_BL_PWM, MOTOR_BL_DIR);
FOCMotor motorBR(MOTOR_BR_PWM, MOTOR_BR_DIR);

// 定义遥控器数据结构
struct ControlData {
  int xAxis;
  int yAxis;
  int rotateAxis;
};

// 定义遥控器对象
nRF24L01 radio(CE_PIN, CSN_PIN);
ControlData controlData;

void setup() {
  // 初始化电机
  motorFL.init();
  motorFR.init();
  motorBL.init();
  motorBR.init();

  // 初始化遥控器
  radio.begin();
  radio.openReadingPipe(0, 0x7878787878);
  radio.startListening();
}

void loop() {
  // 接收遥控器数据
  if (radio.available()) {
    radio.read(&controlData, sizeof(controlData));
  }

  // 计算电机目标速度
  float speedFL = controlData.yAxis + controlData.rotateAxis;
  float speedFR = controlData.yAxis - controlData.rotateAxis;
  float speedBL = controlData.yAxis - controlData.rotateAxis;
  float speedBR = controlData.yAxis + controlData.rotateAxis;

  // 设置电机目标速度
  motorFL.setTargetSpeed(speedFL);
  motorFR.setTargetSpeed(speedFR);
  motorBL.setTargetSpeed(speedBL);
  motorBR.setTargetSpeed(speedBR);

  // 控制电机运行
  motorFL.run();
  motorFR.run();
  motorBL.run();
  motorBR.run();

  // 延时
  delay(10);
}
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要点解读：
该程序使用 nRF24L01 模块接收遥控器数据，并根据数据计算每个电机的目标速度。
程序仅控制直线运动和旋转，没有考虑其他运动模式。
该程序仅演示了简单的遥控控制，实际应用中需要根据具体需求进行调整。

5、增加速度控制，实现更灵活的运动

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>
#include <nRF24L01.h> // 遥控器通信库
#define CE_PIN 7
#define CSN_PIN 8

// 定义电机引脚
// ...

// 定义电机对象
// ...

// 定义遥控器数据结构
struct ControlData {
  int xAxis;
  int yAxis;
  int rotateAxis;
  int speedAxis;
};

// 定义遥控器对象
nRF24L01 radio(CE_PIN, CSN_PIN);
ControlData controlData;

void setup() {
  // 初始化电机
  // ...

  // 初始化遥控器
  // ...
}

void loop() {
  // 接收遥控器数据
  // ...

  // 计算电机目标速度
  float speedFL = (controlData.yAxis + controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;
  float speedFR = (controlData.yAxis - controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;
  float speedBL = (controlData.yAxis - controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;
  float speedBR = (controlData.yAxis + controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;

  // 设置电机目标速度
  // ...

  // 控制电机运行
  // ...

  // 延时
  delay(10);
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要点解读：
该程序增加了速度控制，使用遥控器上的速度轴控制小车的行驶速度。
程序使用简单的线性映射将遥控器数据转换为电机目标速度。
该程序仅演示了简单的速度控制，实际应用中需要根据具体需求进行调整。

6、使用 PID 控制，实现更平滑的运动

#include <Arduino.h>
#include <FOC.h>
#include <nRF24L01.h> // 遥控器通信库
#define CE_PIN 7
#define CSN_PIN 8

// 定义电机引脚
// ...

// 定义电机对象
// ...

// 定义遥控器数据结构
struct ControlData {
  int xAxis;
  int yAxis;
  int rotateAxis;
  int speedAxis;
};

// 定义遥控器对象
nRF24L01 radio(CE_PIN, CSN_PIN);
ControlData controlData;

// 定义 PID 控制参数
float Kp = 10;
float Ki = 0.1;
float Kd = 0.5;

// 定义目标速度
float targetSpeedFL = 0;
float targetSpeedFR = 0;
float targetSpeedBL = 0;
float targetSpeedBR = 0;

void setup() {
  // 初始化电机
  // ...

  // 初始化遥控器
  // ...

  // 初始化 PID 控制器
  // ...
}

void loop() {
  // 接收遥控器数据
  // ...

  // 计算目标速度
  targetSpeedFL = (controlData.yAxis + controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;
  targetSpeedFR = (controlData.yAxis - controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;
  targetSpeedBL = (controlData.yAxis - controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;
  targetSpeedBR = (controlData.yAxis + controlData.rotateAxis) * controlData.speedAxis / 100.0;

  // 计算 PID 控制输出
  float speedFL = PID(targetSpeedFL, motorFL.getSpeed());
  float speedFR = PID(targetSpeedFR, motorFR.getSpeed());
  float speedBL = PID(targetSpeedBL, motorBL.getSpeed());
  float speedBR = PID(targetSpeedBR, motorBR.getSpeed());

  // 设置电机目标速度
  motorFL.setTargetSpeed(speedFL);
  motorFR.setTargetSpeed(speedFR);
  motorBL.setTargetSpeed(speedBL);
  motorBR.setTargetSpeed(speedBR);

  // 控制电机运行
  motorFL.run();
  motorFR.run();
  motorBL.run();
  motorBR.run();

  // 延时
  delay(10);
}

// PID 控制器
float PID(float targetSpeed, float currentSpeed) {
  // 计算 PID 控制输出
  // ...
  return controlOutput;
}
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要点解读：
该程序使用 PID 控制器根据目标速度和实际速度计算电机目标速度，实现更平滑的运动。
程序需要根据实际的电机参数和麦克纳姆轮小车结构调整 PID 控制参数。
该程序仅演示了简单的 PID 控制，实际应用中需要根据具体需求进行调整。

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。