机器鱼本体及控制系统开发.docx

机器鱼本体及控制系统开发.docx

《机器鱼本体及控制系统开发.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器鱼本体及控制系统开发.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

机器鱼本体及控制系统开发

重庆大学本科学生毕业设计（论文）

机器鱼本体及控制系统开发

学生：

学号：

指导教师：

专业：

自动化

重庆大学自动化学院

二o——年六月

GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity

DesignofRobotFishanditsControlSystem

Undergraduate:

Supervisor:

Major:

Automation

Automation

ChongqingUniversity

June2011

本文的主要LI的是设计一个观赏型机器鱼系统。

相对于真鱼，机器鱼无需特别照顾，并可以与人进行交互。

整个设计过程分为机械结构设计，硬件设计和软件设计。

在选择舵机作为驱动源的基础上，提出了分段式机械设计方法，将机器鱼分为头部，中部和尾部三个部分分别设计。

头部用于放置控制电路，中部用于放置舵机、电池及传动机构，尾部无内部结构。

采用这种设计，可以使机器鱼设计更具有模块化的特点且便于密封防水。

为了使机器鱼外形美观，采用了增加支架与架设肌肉的设计方案，并且对整条鱼进行蒙皮设计，使外观更真实。

机器鱼的硬件部分包括电源、传感器、无线通信模块和控制电路。

电源部分采用银氢电池串联并添加稳压电路来实现。

传感器用于检测障碍，采用的是红外光电传感器。

对于无线通信，釆用NRF24L01无线通信模块来实现。

控制电路的主要作用是釆集传感器的信号，控制无线模块接收数据以及通过运算控制舵机的运转，从而控制机器鱼的运动。

软件部分主要包括运动模式的选取与控制程序的设计。

对于运动模式，我们选择常见的鳄科模式，控制程序基于51单片机编写，内容包括无线通信，传感器检测，运算与舵机控制。

经实验，机器鱼最终运动效果良好，可以正常躲避障碍物，使用遥控器可以对机器鱼进行自由遥控，达到了设计目标。

关键词：

机器鱼，观赏型，分段设计，躲避障碍，遥控

ABSTRACT

ThemainpurposeofthispaperistodesignanOrnamentalroboticfishsystem.Relativetotherealfish,theroboticfishdon^tneedtobetakenspecialcareofandcaninteractwithpeople・Theentiredesignprocessisdividedintomechanicaldesign,hardwaredesignandsoftwaredesign.

Onthebasisofselectthesteeringgearasthedrivingsource,inmechanicaldesign,.Proposedthesegmentaldesign,theroboticfishisdividedintothreepartsofhead,middleandtailanddesignedrespectively.Headforplacingthecontrolcircuit,thecentralplacefortheseno,batteiyandtransmission,tailliasn^intenialstructure・Usingthis,roboticfishdesignismoremodularandeasytosealwaterproof.Usetheincreaseinstentdesignanderectionofmuscletomaketherobotfishbeautiful.Andthedesignofthewholefishskinmakethefishlookmorereal.

Thehardwareoftheroboticfishincludepower,sensors,wirelesscommunicationmoduleandcontrolcircuitry.Forpowerusingnickel-metalhydridebatteriesinseriesandaddavoltageregulatorcircuittoachieve・Sensorsfordetectobstaclesisaninfraredphotoelectricsensor.Forwirelesscommunication,theNRF24L01isused・Themainfunctionofthecontrolcircuitistocollectthesensorsignals,controlthewirelessmoduletoreceivedataandcontrolthesteeringoperationbyoperation,soastocontrolthemovementofroboticfish・

Thesoftwarepartincludestheselectionofmovementmodeandcontrolprogramdesign・Forthemovementmode,wechoosethecommonCarangidaemode,thecontrolprogrampreparedbasedon51single-chip,includingwirelesscommunications,sensor,computingandthesteeringgearcontrol.

Experimentalresults,themovementrobotfishworkswellfinally,itcanavoidobstaclesnormallyandcanberemotecontrolfreely.Thedesigngoalisachieved・

Keywords：

Robotfish,Ornamental,Segmenteddesign,Avoidobstacles,Remotecontrol

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1概述1

1.2仿生机器鱼研究概况2

1.2.1国外研究概况2

1.2.2国内研究概况5

1.3课题设计目标6

2机器鱼机械结构设计8

2.1机器鱼驱动源选择8

2.2机器鱼机械结构设计10

2.2.1自由度选择与分段设计方案10

2.2.2头部设计11

2.2.3中部设计12

2.2.4尾部设计14

2.2.5鱼鳍设计14

2.2.6防水结构设计14

2.3机器鱼外观设计16

2.3.1支架与肌肉16

2.3.2蒙皮17

3硬件设计19

3.1电源19

3.2传感20

3.3无线通信21

3.4控制电路23

4运动模式与程序设计25

4.1机器鱼运动模式分类25

4.2运动模式26

4.2.1直线运动26

4.2.2转弯运动26

4.2.3上浮与下潜27

4.3程序设计29

5实验与结论34

5.1实验过程34

5.2实验结果34

5.3结论35

参考文献36

1绪论

1.1概述

工程技术发展到今天，已经达到了相当高的地步。

单一方向的技术发展越来越显现出它的局限性。

因此，各种交义科学异军突起，取得了许多不凡的成就。

其中，就包括仿生学。

仿生学是上世纪六十年代出现的一种边缘交义科学。

它是由生命科学与工程技术相互交义、相互结合而成。

通过把生物学应用到工程系统中，仿生学对机器人学的研究与发展起到了巨大的推进作用，因此，越来越多的注意力被投到了仿生学上。

例如波士顿动力公司在美国军方的支持下研制出一种机器狗，其稳定性以及方向感令人惊叹，可以处理战场上许多未知的挑战。

乂如近日，德国科技公司费斯托（FESTO）的科学家发明了一种叫做SmartBird的机器鸟，它可以自主地启动、飞翔和降落，灵活程度可以和真正的鸟相媲美。

它精简的材料和结构使得资源和能源的消耗降到最低，飞行效率远高于螺旋桨机构。

对于鱼类的仿生同样早已开始，鱼类是水生生物，经过儿亿年漫长的进化过程，形成了近乎完美的在水中行进的生理结构与运动模式。

鱼类就像极其出色的流体力学专家，通过恰当的利用流体力学原理，鱼类获得了极高的推进效率和机动性能，远高于普通的螺旋桨推水机构。

在推进效率方面，金枪鱼在速度高达80km/h的惜况下，推进效率达到90%,而相比之下，普通螺旋桨推进系统只有40-50%o在机动性能方面，起动时，鱼类的加速度竟然可以达到50倍重力加速度，远高于螺旋桨机构。

转弯时鱼类的转弯半径只有体长的10~30%,而普通螺旋桨推进系统要达到体长的3~5倍。

曲于鱼类的这些优越性，对于鱼类的仿生具有很大的研究与应用价值⑴。

在应用方面，主要在以下方面有比较好的应用前景

1.军事方面，螺旋桨推进器在运行时会产生许多不必要的紊流，并产生许多空泡噪音、扰动噪音。

山于仿生鱼类游动时有噪声低，尾流与真鱼相似的特点，不容易被对方声纳探测，使得仿生鱼具有较大的军事价值。

2.环境检测方面，由于机器鱼运行效率高，在能源限制的情况下，以有限的能源能进行更大范围，更长时间的检测，如水质检测等。

3.生物观察方面，由于机器鱼噪声小，外形与真鱼相似，更容易接近水生生物，进行近距离的科学观察，同时，机器鱼不具有类似螺旋桨的旋转机构，不容易被水草等障碍物缠住，更适合在水环境复杂的地方执行任务。

4.狭窄环境探测方面，由于机器鱼有更高的机动性，可以在狭窄的环境如管道中和缝隙中执行探测任务。

5.娱乐方面，通过对外观进行包装，可以做出各种美丽的机器鱼，在水族馆中供人观赏，并且通过加入智能模块，实现自动巡游以及人鱼交互的功能，具有较大的娱乐与商业价值。

1.2仿生机器鱼研究概况

国内外开展机器鱼的研究已经很长时间了，不过对于机器鱼实体的设计，还是从上世纪九十年代开始。

随着电子技术与材料科学的发展，机器鱼的设计也越来越成熟，以下做一个简单的介绍|3H5lo

1.2.1国外研究概况

1.世界上第一条真正意义的机器鱼产生于麻省理工学院，名为Robotuna,是一条机器金枪鱼。

该机器鱼长约1.25m,宽0.21m,高0.3m,由2843个零件组成。

它由六台无刷直流伺服电动机驱动，在处理器控制下，通过摆动躯体和尾鳍，游动速度可达2m/s,推进效率可达91%。

如图1.1和1.2

机器金枪鱼的最新版本如图1・5所示，这个新原型拥有柔软的身体，体内只装有1台电机以及6个移动部件，使其能够在更大程度上模拟真实鱼的移动。

山于身体完全山一整块柔软的聚合体材料制成，避免了水破坏脆弱内部零件的可能性。

由于材料透明，可以完全看到鱼体内部结构。

2.日本国家海洋中心从1998年就开始设计机器鱼。

2000年，为了研究机器鱼的转弯原理，他们设计了PF-300。

该鱼长度约0.34米，鱼头部中有一个电池组与一个伺服电机。

另一个伺服电机位于尾部。

通过使用木头做成一个漂浮于水面的天线，可以与外界进行无线通信。

如图1・6和1.7

2001年,他们设计出另一款机器鱼,PF-2001,主要面向