智能型機器魚的論文

智能型機器魚的論文,智能型,機器,論文 智能機器魚 比賽編號： ___ A10419_______________ 日期 ___2002-10-5_______________ 設(shè)計者： 姓名： __張志華 ________（中文） Zhang Zhihua (英文 ) 職業(yè)：碩士研究生 電子郵箱： myflymail@ 姓名： __劉希民 _______（中文） Liu Ximin (英文 ) 職業(yè)：碩士研究生 電子郵箱： ximliu@ 單位名稱：青島海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系 1 目錄 一． 引言 二． 設(shè)計概述 1. 特性 2. 系統(tǒng)概述 3. MC68HC908MR8 簡介 4. 總體框圖 三． 硬件描述 1. 機械結(jié)構(gòu) 2. 電路部分 1) 整體控制電路 2) 電源部分 3) 遙控部分 四． 軟件描述 1. 概述 2. 主程序說明 3. 主程序簡略結(jié)構(gòu) 4. 主程序流程圖 五． 結(jié)論 2 智能機器魚 張志華 劉希民 青島海洋大學(xué)電子系（266071） 摘要： 本文采用 Motorola 68HC908MR8 作為 MCU, 以脈寬調(diào)制控制 (PWM)方式 控制電機來仿真魚的游動 ,并尋求其機器魚最優(yōu)游動模擬控制。 關(guān)鍵詞： 機器魚 68HC908MR8 DC 電機 PWM 一 . 引言： 21 世紀是海洋的世紀。加上由于各種技 術(shù)的全面發(fā)展帶動了機器人技術(shù)的 發(fā)展， 對于在海洋開發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運用機器人技術(shù)已引起了各方面的重視。 并 且隨著海洋開發(fā)的進展，一般的潛水技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代高深度綜合考察和研 究、 完成各種作業(yè)的需要。 但在現(xiàn)實中也只是在利用螺旋槳來推動船的前進， 而 是否能利用魚類的游動原理來做出比具有螺旋槳的更快和更低噪聲的水下推行 器， 突破當(dāng)今專一的運輸方式和水下推進方式， 已成為一個熱門研究課題。 當(dāng)今， 已有一些研究機構(gòu)模擬魚類游動原理和其生理構(gòu)造研究制造出魚形機器人， 它也 叫人工機器魚 （ robofish） 。 本文就是利用單片 MC68HC908MR8 來制作完成用來 模擬魚基本動作的魚形機器人 。 研制機器魚具有廣泛的研究意義， 它可以更逼真的模擬魚的游動原理， 使水 下的機器人運動更符合流體力學(xué)原理， 具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力， 利用它們可 以探測海洋， 尋找和檢測海域中受污染的地方， 也可以用來勘探地形； 可以通過 研制機器魚這個實驗平臺來研究魚的運動原理和魚類運動所依附的流體力學(xué)原 理； 而且它以泳動方式運動， 解決了螺旋槳的噪聲問題； 構(gòu)造要比一般的水下推 進器簡單， 制作和使用成本都較低； 能源利用率高， 作業(yè)時間長； 當(dāng)給相同的電 能時， 機器魚能夠比自制的潛艇游的更遠； 無需生命維持保障設(shè)備， 可以小型化； 且對人沒有任何危險 .等。另外在娛樂方面具有良好的發(fā)展前景 , 例如水族館等。 機器魚能夠應(yīng)用的領(lǐng)域有： 魚類展覽； 配合其它器件， 可用于勘探和救生； 相關(guān) 科研領(lǐng)域等。 1 魚的游動原理 魚的游動原理包括魚為什么能夠快速的游 動和轉(zhuǎn)向，這也是困擾生物界 多年的課題，當(dāng)今，生物學(xué)家根據(jù)魚類本身的外形（如上圖） 、尾鰭的長度和擺 動的力量對魚的游動方式進行簡單分類，具體可以分為三種： a. Anguilliform： （鰻狀的）通過整體身軀肌肉的波動來游動，像鰻魚一樣 3 b. Carangiform：通過尾鰭和與尾部相連的身軀擺動來游動，像鮭魚，金槍魚， 旗魚 c. Ostraciifrom：只通過尾鰭的擺動而不利用身體擺動而進行泳動 而從魚的游動所依靠的生理部位和推進 原理來說，可以分為兩大類為 BCF 類和 MPF 類， BCF（ body and/or caudal fin） ， 這類魚主要依靠身體和尾部的擺動 來游動， MPF（ median and/or paired fin） ,這類魚依靠身體中部的腹鰭來游動。 以下所采用的機器魚類模型便是 BCF 類，是一種基本的魚類模型，依靠身體的 后半部分和尾鰭進行擺動而游動。 2 仿生原理 所制作的機器魚把魚的身體的后部和尾鰭分為兩個關(guān)節(jié)， 利用兩個電機進行 控制。 整個魚體可以分為四大塊， 分別是： 感知區(qū)、 行為區(qū)、 動作區(qū)、 還有學(xué)習(xí) 指令區(qū)。 感知區(qū)對應(yīng)著實際應(yīng)用的傳感器， 動作區(qū)代表帶動魚體動作的電機、 拉 桿和齒輪， 行為區(qū)是用來控制電機的實際電路。 而學(xué)習(xí)指令區(qū)是魚的大腦， 代表 控制程序， 這里也就是主控制芯片 （本項采用 MC68HC908MR8） 。 如下圖所示， 下面就幾個關(guān)鍵部分加以說明。 3 控制原理 機器魚無論是靠身體擺動還是魚鰭的擺動， 都需要人為的控制。 這個控制部 分代表魚形機器人的大腦和核心。 本項采用無線控制， 可以把控制器如單片機放 在機器魚內(nèi)部， 同時通過遙控器對單片機進行簡單的控制。 無線電發(fā)射臺傳輸正 確的信號， 機器人內(nèi)部由一個無線電接受裝置， 接受到信號以后， 向各個子系統(tǒng) 發(fā)出控制信號，所以該機器人能按規(guī)定的指令執(zhí)行動作。 二 . 設(shè)計概述 1. 特性 a) 能使機器魚能夠自由游動 4 b) 能夠自由轉(zhuǎn)彎 c) 能夠上浮與下沉 d) 能夠避開障礙物； e) 能夠受到遙控控制； f) 電源部分的智能報警； g) 電源的充電功能； 2. 系統(tǒng)概述 整個魚分為三部分：頭部（包括魚鰭） ，身體，尾部；魚鰭只控制魚的向前 游動， 而身體是魚的主要部分， 控制電路及電機和相關(guān)驅(qū)動電路都在其中， 尾部 可以分為兩部分， 都是進行左右擺動， 這兩部分都是通過電機控制的連桿來控制 的。 在魚頭部裝有兩個魚須， 它代表兩個簡易的接近傳感器， 在魚須的外部用帶 橡膠的套套住， 以防止水導(dǎo)電， 內(nèi)部裸露， 在內(nèi)部的須中裝有一個外套環(huán)， 給這 個同樣裸線套環(huán)上加上高電平， 當(dāng)魚在規(guī)定的水域中游動時， 若魚須碰到障礙物， 內(nèi)部的須線便接觸到外套環(huán)， 此時魚須上也為高電平， 便可以利用這個信號給主 控單片一個中斷。 另外， 整個魚密封設(shè)計， 利用高彈性的橡膠制作魚的外皮。 電源部分能夠自 動感知電源的不足，及時報警，由于采用外部密封，所以必須使電源能夠充電， 而不必經(jīng)常的更換電池， 只需在魚體上加上外接電源插頭就可以了。 這些需要一 些相關(guān)輔助電路。 我們做的只是近似魚的行為模擬， 若進行其他的設(shè)計， 可以在 上面加一些其他的傳感器件， 也可以把它設(shè)計成有線控制， 這樣對魚的控制更加 直接，實時。 3. MC68HC908MR8 簡介 MC68HC908MR8 是摩托羅拉公司推出的專用于進行馬達控制 MR 系列 單片機的一種，其主要接口如下： a) 具有六路 PWM 輸出，可控制六個電機，在機器魚上可用四個 PWM 輸 出控制四路電機，分別控制魚的尾部和身體擺動。 b) 并口 A(PTA0/ATD0~PTA3/ATD3),該四路接口為普通 I/O 口與內(nèi)置的模數(shù) 轉(zhuǎn)換接口復(fù)用。該系統(tǒng)只用了其中的兩路作為 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，接收電 位 計傳來的模擬信號， 來控制電機的方位。 其余的兩路作為普通 I/O 口用。 c) 并口 B(PTB0~PTB6)，由于該系統(tǒng)中需要進行無線遙控控制，因此對 PTB0、 PTB1 用其復(fù)用功能 (RXD、 TXD),編程用作串行傳輸用。其余為 普通 I/O 口。 d) 并口 C(PTC1/FAULT1)， 由于本系統(tǒng)中不需要對電機進行糾錯保護控制， 故沒有用到該口的 FAULT1 復(fù)用功能，改口仍作為普通 I/O 口。 4. 總體框圖 為了完成以上功能，需要一些輔助芯 片，這些輔助芯片能夠幫助 MC68HC908MR8 完成所需要的功能，總體框圖如下： 5 三 . 硬件描述 1. 機械結(jié)構(gòu)部分 本機器魚機械結(jié)構(gòu)部分利用兩個電機來對兩個關(guān)節(jié)進行分別控制的結(jié)構(gòu)設(shè) 計， 如下圖所示， 兩個關(guān)節(jié)能夠獨立的進行運動控制， 該結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠保證機器 魚實現(xiàn)直線和轉(zhuǎn)向運動。直線運動時，通過關(guān)節(jié) 1 的轉(zhuǎn)動來控制魚尾部的擺動， 從而驅(qū)動魚向前游動； 轉(zhuǎn)向運動時， 通過關(guān)節(jié) 2 的轉(zhuǎn)動來控制魚的左右轉(zhuǎn)向。 而 整個機械部分又為一體設(shè)計， 互相影響， 這在編程時要進行算法設(shè)計， 以考慮魚 尾的擺動角度變化，尋求最佳游動方式。 如下圖所示，電機 1 控制關(guān)節(jié) 1 的轉(zhuǎn)動，電機 2 控制關(guān)節(jié) 2 的轉(zhuǎn)動。此外， 每個電機通過一個電位計來反饋電機的運動位置，從而實現(xiàn)對電機的精確控制。 這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計也為以后的進一步研究提供了便利條件， 可以通過對兩個關(guān)節(jié)的 協(xié)調(diào)運動進行試驗， 來尋求最優(yōu)的游動方式， 從而更真實的模擬和反映魚類的游 動機理。 電機2 電機1 關(guān)節(jié)1 關(guān)節(jié) 2 尾部結(jié)構(gòu)圖 電位計2 電位計1 6 2. 電路部分 1) 整體控制電路 2) 電源部分 由于魚在水下的封閉性和電源電壓的不可知性， 電源電路部分采用智能自動 報警充電裝置， 共分為三部分： 充電電路部分和電壓轉(zhuǎn)換部分以及報警電路部分。 充電電路部分采用 8 節(jié) Ni-MH 可充電電池， 當(dāng)充滿電時可達到 10V 左右， 通過 芯片 7805 和 7806 轉(zhuǎn)換可以得到 5V， 6V， 5v 用來供給各個芯片內(nèi)部電源，而 6v 是電機驅(qū)動電壓，它直接給電機驅(qū)動芯片 L293D 供電驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。 a) 充電電路部分： b) 電壓轉(zhuǎn)換部分：通過對電池電壓后接 7805 和 7806 進行電壓轉(zhuǎn)換。 7 c) 報警電路部分： 由于在水下聲音傳播的能量消耗比較高， 采用通過裝在魚眼 里面的小型發(fā)光二極管顯示。 3) 遙控部分 無線遙控模塊采用微小 型、低功耗、高速率 19.2K 無線收發(fā)數(shù)傳 MODEM PTR2000。該無線收發(fā)模塊主要有以下特性： 1． 接收發(fā)射合一，體積微小，約 40mm*27mm*5mm。 2． 工作頻率為國際通用 433MHz，抗干擾能力強，工作電壓 2.7~5.25v，功耗小。 3． 工作最高速率可達 20k bit/s。 4． 具有兩個頻道，滿足需要多信道工作的特殊場合。 PTR2000 模塊共有七個引腳，分別定義如下： VCC：正電源，接 2.7~5.25V CS：頻道選擇， CS=0 選擇工作頻道 1， 433 .92MHz， CS=1 選擇工作頻道 2， 434.33MHz DO：數(shù)據(jù)輸出； DI：數(shù)據(jù)輸入； GND：電源地 PWR：節(jié)能控制， PWR=1 正常工作狀態(tài)， PWR=0 待機微功耗狀態(tài) TXEN：發(fā)射接收控制， TXEN=1 時模塊為發(fā)射狀態(tài)， TXEN=0 時模塊為接收狀態(tài) 說明： 為了適應(yīng)此項目的選擇單片的單一性，手持遙控發(fā)射組的單片也利用 MC68HC908MR8，不過發(fā)射單元的 MCU 只是利用了少量幾個引腳。 PTR2000 8 和單片的接口電路十分單一，它只是通過設(shè)置 TXEN 口來選擇發(fā)射還是接受狀 態(tài)。另附上 PTR2000 和單片的接口電路。 PTR2000 和單片機 68HC908MR8 的接口電路如下 ： 四 . 軟件描述 1 . 概述 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計要完成的主要功能為： 電機位置控制 （通過 ATD 口） 、 PWM 輸出方式來控制電機、無線遙控。 1． 電機位置控制： 對電位計的模擬電信號通過 ATD 口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與預(yù)定的數(shù)據(jù)進行比較來控制電機的位置。 2． PWM輸出： 通過單片機的 PWM端口可以很容易的實現(xiàn)電機的 PWM 控制， 當(dāng)將其參數(shù)設(shè)置好以后本部分的工作就基本上不占用 CPU 了， 因此其效率較高。 3． 無線遙控： 通過串口編程， 運用 TXD、 RXD 的串口傳輸功能， 通過 預(yù)定的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)對機器魚的無線控制。 2．主程序說明 主程序首先初始化系統(tǒng)， 設(shè)定系統(tǒng)的工作參數(shù)， 主要包括系統(tǒng)總線的時鐘選 擇， 頻率設(shè)定， 端口的初始化設(shè)置， PWM(脈沖調(diào)制 )的工作模式設(shè)置， 遙控模塊 的初始化設(shè)置， 以及進行 AD 采樣轉(zhuǎn)換設(shè)置， 并進行比較計算。 此外， 還有定時 器的參數(shù)設(shè)置，及其計數(shù)溢出中斷進入其它服務(wù)子程序的設(shè)置等。 3．主程序簡略結(jié)構(gòu) START: JSR PLLS ； Programming the PLLS JSR PWMM ； PWM 初始化設(shè)置 JSR ADCC ； A/D 轉(zhuǎn)換，中斷設(shè)置 JSR COMM ；串口 (SCI)傳輸參數(shù)，中斷設(shè)置 BSET 1， PCTL1 ；電機 1 運轉(zhuǎn) BRSET 6,PTB,SWEL ； 判斷是否轉(zhuǎn)彎 SWEL 為左轉(zhuǎn)彎控制子 ；程序 BRSET 1， PTC,SWER ;判斷是否轉(zhuǎn)彎 SWER 為右轉(zhuǎn)彎子程序 9 MAINEND： JMP START 4．主程序流程圖 四 . 結(jié)論 通過試驗表明， 以上設(shè)計制作的機器魚能夠正常的游動， 并能進行較好的控 制， 且具有較好的感知外界環(huán)境的能力， 達到了預(yù)先設(shè)計的效果。 當(dāng)然機器魚具 有復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)，以上只是利用 MR8 單片完成的一個機器魚的初步實現(xiàn)，還 有許多有待于改進的地方， 有理由相信， 隨著機器魚游動算法的進一步研究， 在 上面添加一些輔助的電路和傳感器， 魚形仿生水下機器人能夠更好的模擬魚類的 游動動作，完成更復(fù)雜的任務(wù)。 10