智能型機(jī)器魚(yú)的論文,智能型,機(jī)器,論文 智能機(jī)器魚(yú) 比賽編號(hào)： ___ A10419_______________ 日期 ___2002-10-5_______________ 設(shè)計(jì)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(jì)概述 1. 特性 2. 系統(tǒng)概述 3. MC68HC908MR8 簡(jiǎn)介 4. 總體框圖 三． 硬件描述 1. 機(jī)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(shuō)明 3. 主程序簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu) 4. 主程序流程圖 五． 結(jié)論 2 智能機(jī)器魚(yú) 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(jī)來(lái)仿真魚(yú)的游動(dòng) ,并尋求其機(jī)器魚(yú)最優(yōu)游動(dòng)模擬控制。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器魚(yú) 68HC908MR8 DC 電機(jī) PWM 一 . 引言： 21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。加上由于各種技 術(shù)的全面發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的 發(fā)展， 對(duì)于在海洋開(kāi)發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)已引起了各方面的重視。 并 且隨著海洋開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，一般的潛水技術(shù)已無(wú)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(shí)中也只是在利用螺旋槳來(lái)推動(dòng)船的前進(jìn)， 而 是否能利用魚(yú)類的游動(dòng)原理來(lái)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(yùn)輸方式和水下推進(jìn)方式， 已成為一個(gè)熱門研究課題。 當(dāng)今， 已有一些研究機(jī)構(gòu)模擬魚(yú)類游動(dòng)原理和其生理構(gòu)造研究制造出魚(yú)形機(jī)器人， 它也 叫人工機(jī)器魚(yú) （ robofish） 。 本文就是利用單片 MC68HC908MR8 來(lái)制作完成用來(lái) 模擬魚(yú)基本動(dòng)作的魚(yú)形機(jī)器人 。 研制機(jī)器魚(yú)具有廣泛的研究意義， 它可以更逼真的模擬魚(yú)的游動(dòng)原理， 使水 下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(cè)海洋， 尋找和檢測(cè)海域中受污染的地方， 也可以用來(lái)勘探地形； 可以通過(guò) 研制機(jī)器魚(yú)這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)研究魚(yú)的運(yùn)動(dòng)原理和魚(yú)類運(yùn)動(dòng)所依附的流體力學(xué)原 理； 而且它以泳動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)， 解決了螺旋槳的噪聲問(wèn)題； 構(gòu)造要比一般的水下推 進(jìn)器簡(jiǎn)單， 制作和使用成本都較低； 能源利用率高， 作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)； 當(dāng)給相同的電 能時(shí)， 機(jī)器魚(yú)能夠比自制的潛艇游的更遠(yuǎn)； 無(wú)需生命維持保障設(shè)備， 可以小型化； 且對(duì)人沒(méi)有任何危險(xiǎn) .等。另外在娛樂(lè)方面具有良好的發(fā)展前景 , 例如水族館等。 機(jī)器魚(yú)能夠應(yīng)用的領(lǐng)域有： 魚(yú)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(yú)的游動(dòng)原理 魚(yú)的游動(dòng)原理包括魚(yú)為什么能夠快速的游 動(dòng)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(yú)類本身的外形（如上圖） 、尾鰭的長(zhǎng)度和擺 動(dòng)的力量對(duì)魚(yú)的游動(dòng)方式進(jìn)行簡(jiǎn)單分類，具體可以分為三種： a. Anguilliform： （鰻狀的）通過(guò)整體身軀肌肉的波動(dòng)來(lái)游動(dòng)，像鰻魚(yú)一樣 3 b. Carangiform：通過(guò)尾鰭和與尾部相連的身軀擺動(dòng)來(lái)游動(dòng)，像鮭魚(yú)，金槍魚(yú)， 旗魚(yú) c. Ostraciifrom：只通過(guò)尾鰭的擺動(dòng)而不利用身體擺動(dòng)而進(jìn)行泳動(dòng) 而從魚(yú)的游動(dòng)所依靠的生理部位和推進(jìn) 原理來(lái)說(shuō)，可以分為兩大類為 BCF 類和 MPF 類， BCF（ body and/or caudal fin） ， 這類魚(yú)主要依靠身體和尾部的擺動(dòng) 來(lái)游動(dòng)， MPF（ median and/or paired fin） ,這類魚(yú)依靠身體中部的腹鰭來(lái)游動(dòng)。 以下所采用的機(jī)器魚(yú)類模型便是 BCF 類，是一種基本的魚(yú)類模型，依靠身體的 后半部分和尾鰭進(jìn)行擺動(dòng)而游動(dòng)。 2 仿生原理 所制作的機(jī)器魚(yú)把魚(yú)的身體的后部和尾鰭分為兩個(gè)關(guān)節(jié)， 利用兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行 控制。 整個(gè)魚(yú)體可以分為四大塊， 分別是： 感知區(qū)、 行為區(qū)、 動(dòng)作區(qū)、 還有學(xué)習(xí) 指令區(qū)。 感知區(qū)對(duì)應(yīng)著實(shí)際應(yīng)用的傳感器， 動(dòng)作區(qū)代表帶動(dòng)魚(yú)體動(dòng)作的電機(jī)、 拉 桿和齒輪， 行為區(qū)是用來(lái)控制電機(jī)的實(shí)際電路。 而學(xué)習(xí)指令區(qū)是魚(yú)的大腦， 代表 控制程序， 這里也就是主控制芯片 （本項(xiàng)采用 MC68HC908MR8） 。 如下圖所示， 下面就幾個(gè)關(guān)鍵部分加以說(shuō)明。 3 控制原理 機(jī)器魚(yú)無(wú)論是靠身體擺動(dòng)還是魚(yú)鰭的擺動(dòng)， 都需要人為的控制。 這個(gè)控制部 分代表魚(yú)形機(jī)器人的大腦和核心。 本項(xiàng)采用無(wú)線控制， 可以把控制器如單片機(jī)放 在機(jī)器魚(yú)內(nèi)部， 同時(shí)通過(guò)遙控器對(duì)單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制。 無(wú)線電發(fā)射臺(tái)傳輸正 確的信號(hào)， 機(jī)器人內(nèi)部由一個(gè)無(wú)線電接受裝置， 接受到信號(hào)以后， 向各個(gè)子系統(tǒng) 發(fā)出控制信號(hào)，所以該機(jī)器人能按規(guī)定的指令執(zhí)行動(dòng)作。 二 . 設(shè)計(jì)概述 1. 特性 a) 能使機(jī)器魚(yú)能夠自由游動(dòng) 4 b) 能夠自由轉(zhuǎn)彎 c) 能夠上浮與下沉 d) 能夠避開(kāi)障礙物； e) 能夠受到遙控控制； f) 電源部分的智能報(bào)警； g) 電源的充電功能； 2. 系統(tǒng)概述 整個(gè)魚(yú)分為三部分：頭部（包括魚(yú)鰭） ，身體，尾部；魚(yú)鰭只控制魚(yú)的向前 游動(dòng)， 而身體是魚(yú)的主要部分， 控制電路及電機(jī)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路都在其中， 尾部 可以分為兩部分， 都是進(jìn)行左右擺動(dòng)， 這兩部分都是通過(guò)電機(jī)控制的連桿來(lái)控制 的。 在魚(yú)頭部裝有兩個(gè)魚(yú)須， 它代表兩個(gè)簡(jiǎn)易的接近傳感器， 在魚(yú)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(gè)外套環(huán)， 給這 個(gè)同樣裸線套環(huán)上加上高電平， 當(dāng)魚(yú)在規(guī)定的水域中游動(dòng)時(shí)， 若魚(yú)須碰到障礙物， 內(nèi)部的須線便接觸到外套環(huán)， 此時(shí)魚(yú)須上也為高電平， 便可以利用這個(gè)信號(hào)給主 控單片一個(gè)中斷。 另外， 整個(gè)魚(yú)密封設(shè)計(jì)， 利用高彈性的橡膠制作魚(yú)的外皮。 電源部分能夠自 動(dòng)感知電源的不足，及時(shí)報(bào)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(yú)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(yú)的行為模擬， 若進(jìn)行其他的設(shè)計(jì)， 可以在 上面加一些其他的傳感器件， 也可以把它設(shè)計(jì)成有線控制， 這樣對(duì)魚(yú)的控制更加 直接，實(shí)時(shí)。 3. MC68HC908MR8 簡(jiǎn)介 MC68HC908MR8 是摩托羅拉公司推出的專用于進(jìn)行馬達(dá)控制 MR 系列 單片機(jī)的一種，其主要接口如下： a) 具有六路 PWM 輸出，可控制六個(gè)電機(jī)，在機(jī)器魚(yú)上可用四個(gè) PWM 輸 出控制四路電機(jī)，分別控制魚(yú)的尾部和身體擺動(dòng)。 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(jì)傳來(lái)的模擬信號(hào)， 來(lái)控制電機(jī)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(jìn)行無(wú)線遙控控制，因此對(duì) 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(duì)電機(jī)進(jìn)行糾錯(cuò)保護(hù)控制， 故沒(méi)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分 本機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分利用兩個(gè)電機(jī)來(lái)對(duì)兩個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行分別控制的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)， 如下圖所示， 兩個(gè)關(guān)節(jié)能夠獨(dú)立的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制， 該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證機(jī)器 魚(yú)實(shí)現(xiàn)直線和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)關(guān)節(jié) 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制魚(yú)尾部的擺動(dòng)， 從而驅(qū)動(dòng)魚(yú)向前游動(dòng)； 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 通過(guò)關(guān)節(jié) 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制魚(yú)的左右轉(zhuǎn)向。 而 整個(gè)機(jī)械部分又為一體設(shè)計(jì)， 互相影響， 這在編程時(shí)要進(jìn)行算法設(shè)計(jì)， 以考慮魚(yú) 尾的擺動(dòng)角度變化，尋求最佳游動(dòng)方式。 如下圖所示，電機(jī) 1 控制關(guān)節(jié) 1 的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī) 2 控制關(guān)節(jié) 2 的轉(zhuǎn)動(dòng)。此外， 每個(gè)電機(jī)通過(guò)一個(gè)電位計(jì)來(lái)反饋電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。 這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也為以后的進(jìn)一步研究提供了便利條件， 可以通過(guò)對(duì)兩個(gè)關(guān)節(jié)的 協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)， 來(lái)尋求最優(yōu)的游動(dòng)方式， 從而更真實(shí)的模擬和反映魚(yú)類的游 動(dòng)機(jī)理。 電機(jī)2 電機(jī)1 關(guān)節(jié)1 關(guān)節(jié) 2 尾部結(jié)構(gòu)圖 電位計(jì)2 電位計(jì)1 6 2. 電路部分 1) 整體控制電路 2) 電源部分 由于魚(yú)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(dòng) 報(bào)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(bào)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(shí)可達(dá)到 10V 左右， 通過(guò) 芯片 7805 和 7806 轉(zhuǎn)換可以得到 5V， 6V， 5v 用來(lái)供給各個(gè)芯片內(nèi)部電源，而 6v 是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，它直接給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L293D 供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 a) 充電電路部分： b) 電壓轉(zhuǎn)換部分：通過(guò)對(duì)電池電壓后接 7805 和 7806 進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。 7 c) 報(bào)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(guò)裝在魚(yú)眼 里面的小型發(fā)光二極管顯示。 3) 遙控部分 無(wú)線遙控模塊采用微小 型、低功耗、高速率 19.2K 無(wú)線收發(fā)數(shù)傳 MODEM PTR2000。該無(wú)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(guó)際通用 433MHz，抗干擾能力強(qiáng)，工作電壓 2.7~5.25v，功耗小。 3． 工作最高速率可達(dá) 20k bit/s。 4． 具有兩個(gè)頻道，滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合。 PTR2000 模塊共有七個(gè)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(jī)微功耗狀態(tài) TXEN：發(fā)射接收控制， TXEN=1 時(shí)模塊為發(fā)射狀態(tài)， TXEN=0 時(shí)模塊為接收狀態(tài) 說(shuō)明： 為了適應(yīng)此項(xiàng)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(guò)發(fā)射單元的 MCU 只是利用了少量幾個(gè)引腳。 PTR2000 8 和單片的接口電路十分單一，它只是通過(guò)設(shè)置 TXEN 口來(lái)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(jī) 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(jì)要完成的主要功能為： 電機(jī)位置控制 （通過(guò) ATD 口） 、 PWM 輸出方式來(lái)控制電機(jī)、無(wú)線遙控。 1． 電機(jī)位置控制： 對(duì)電位計(jì)的模擬電信號(hào)通過(guò) ATD 口進(jìn)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(jìn)行比較來(lái)控制電機(jī)的位置。 2． PWM輸出： 通過(guò)單片機(jī)的 PWM端口可以很容易的實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(wú)線遙控： 通過(guò)串口編程， 運(yùn)用 TXD、 RXD 的串口傳輸功能， 通過(guò) 預(yù)定的傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器魚(yú)的無(wú)線控制。 2．主程序說(shuō)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(shí)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(jìn)行 AD 采樣轉(zhuǎn)換設(shè)置， 并進(jìn)行比較計(jì)算。 此外， 還有定時(shí) 器的參數(shù)設(shè)置，及其計(jì)數(shù)溢出中斷進(jìn)入其它服務(wù)子程序的設(shè)置等。 3．主程序簡(jiǎn)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(jī) 1 運(yùn)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(guò)試驗(yàn)表明， 以上設(shè)計(jì)制作的機(jī)器魚(yú)能夠正常的游動(dòng)， 并能進(jìn)行較好的控 制， 且具有較好的感知外界環(huán)境的能力， 達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的效果。 當(dāng)然機(jī)器魚(yú)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(gè)機(jī)器魚(yú)的初步實(shí)現(xiàn)，還 有許多有待于改進(jìn)的地方， 有理由相信， 隨著機(jī)器魚(yú)游動(dòng)算法的進(jìn)一步研究， 在 上面添加一些輔助的電路和傳感器， 魚(yú)形仿生水下機(jī)器人能夠更好的模擬魚(yú)類的 游動(dòng)動(dòng)作，完成更復(fù)雜的任務(wù)。 10