路佰得机器人创客项目《机器鱼》.docx

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路佰得机器人创客项目《机器鱼》

路佰得机器人创客项目《机器鱼》

——仿生鱼形机器人

摘要：

现代船类产生动力所需能量消耗巨大，效率较低。

因此解决船类在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务的问题成为了人们攻克的目标。

鱼在水中产生前进动力的方式引起了我们的兴趣。

通过对鱼游动时的观察和资料的查询，我们了解到鱼类是靠鳍的摆动拨水前进。

所以我们想到是否可以模拟鱼类运动的方式，来做一条仿生机器人。

根据多次的实验我们发现，机器鱼摆动时所需能耗较低，且有很好的机动性、高效性和低噪性。

并且利用电磁舵机来模拟鱼的尾部，鱼鳍运动。

再结合上类似机翼转向的方式控制运动方向，且叠加鱼尾的推动，使得转向更为高效。

本项目的另一大创新点是用陀螺仪（倾角传感器）来模拟鱼类的半规管，达到感测平衡的目的。

红外线的反射测距来做出反应，躲避障碍物使得更拟合鱼类生活模式。

关键字：

鱼类游动鱼鳍转向机器鱼平衡

目录：

一.项目介绍………………………………………………………………3

二.项目实施过程

（一）硬件搭建

1.理论依据………………………………………………………4

2.Tiny2313测试…………………………………………………5

3.红外二极管发射-接收实验………………………………………6

4.总体测试…………………………………………………………6

5.电路打印与安装…………………………………………………7

6.最后成形…………………………………………………………8

（二）电路设计

1.电路………………………………………………………………9

（三）程序设计

1.程序主体…………………………………………………………10

2.程序介绍…………………………………………………………11

三.项目分析………………………………………………………………11

四.项目小结………………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………13

一.项目介绍

创意来源：

鱼类游动的推进效率高达90%以上，这使得鱼类能够在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度并具有持久的耐力。

因此它可以用很小的能量进行长距离游动，更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。

鱼类通过鱼鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统一。

且海底，河道监察，探索也是现在的一个问题。

利用机械鱼在可以更容易，更广泛地解决。

加上一些附加技能的机器鱼，比如说，水质实时监控，影像数据无线发送，跟踪定位等都有一定的发展前景。

所以，我们定下了这个项目。

项目构想：

我们做的是一条仿生机器鱼。

它能够模拟鱼类的游动方式，目的是更为高效的推动。

利用鱼鳍与鱼尾推动相结合的方式，让机器鱼快速的转向并前进。

不仅仅如此，我们要做一条真正有价值的机器鱼，具有多种的工作环境。

所以，我们给机器鱼以几个基础的运动模式，与几个在不同外界刺激下的反应动作。

其中较为突出的一点是它可以发射红外的信号光线，在物体反射后，反馈回一个信号，通过这个来避开障碍。

可行性分析：

我们知道鱼鳍与机翼的转向工作原理在物理上相当。

当机翼和其运动方向成一个小角度倾斜是，气流冲击相对较平的机翼下表面，空气被迫向下推动，所以导致了一个向上作用的升力，而同时冲击机翼前缘上曲面部分的气流斜向上运动。

也就是说，机翼导致作用于空气的力，迫使空气向下，同时也就提供了来自空气的相等的反作用力，迫使机翼向上。

向下相同。

这样只要在鱼尾的推动下，改变鱼鳍方向就可以完美地控制鱼的左转，右转甚至上浮，下沉。

红外信号在与物体表面接触时反射回来。

利用一个红外接收头对于信号的反馈就可以确定物体的位置。

然而在实际生活中到处都有红外信号的干扰，对信号的接收反馈会有重大的影响，导致难以定位，所有还利用单片机的PWM波输出调制了红外信号的频率来杜绝干扰。

二．项目实施过程

（一）硬件搭建：

1.理论依据：

当鱼尾在推进时，鱼鳍可以通过改变与水平方向的角度来得到一个与水流对鱼鳍作用力方向相反的力。

这个力分解成两个方向的力，一个阻碍机器鱼的前进，一个改变了鱼的运动方向。

这样就能实现游动的目的。

特制频率的红外信号的发射与接收可以对障碍物进行了定位。

但还有一个问题，就是红外反射二极管的旁射与接收头半透明的材质使得接收到的红外信号并不一定是反射回的。

因此，我们给二极管与接收头皆在非发射-反射的路径上的部分上了黑漆，解决了这一问题。

2.Tiny2313测试

这是一个测试与实验电路

利用这个电路可以测试Tiny2313的使用性能。

此电路基本测试了2部分的电路，一个是红外信号的发射—接收，令一个是利用NPN三极管构成非门电路来驱动H型电路。

红外二级管用了胶布封住防止旁射干扰，一个接收头与其平行放置。

利用外部石英晶振的计时与单片机的T1计时器，使用可输出高频的快速PWM模式，并对占空比（影响信号强弱）进行调整，调制出不会受外界影响的特制频率（38KHZ）。

非门电路控制H型电路原理是集电极与VCC相连，基极与单片机引脚相连，当单片机输出低电平时，基极到发射极截止，若此时从集电极导出电流到H型电路一端，则此端为高电平。

与单片机和H型电路另一端相连的基极则输出低电平。

当单片机输出高电平时，基极到发射极饱和，则与集电极联通的一端输出低电平，与基极联通的一端输出高电平。

3.红外二极管发射-接收实验

利用外部石英晶振的计时与单片机的T1计时器，使用可输出高频的快速PWM模式，调制出不会受外界干扰的38kHz的波。

通过改变波的占空比，我们反复实验测量发现，占空比为50%时信号最强，可以经过10cm的距离后被反射并接收。

4.总体测试

将所有基本组件安装在一起

5.电路雕刻与安装

正在雕刻电路

雕刻好的电路

6.最后成形

（二）电路设计：

1.电路

4个红外发光二极管与4个OCR引脚相连，可从OCR引脚上产生38kHz的波型，从而调制频率。

4个红外接收头收到红外信号后会从OUTPUT脚上输出低电平，只需读出引脚数据就能确定信号经反射后的来源方向了。

非门电路控制H型电路原理是集电极与VCC相连，基极与单片机引脚PB0相连，当单片机输出低电平时，基极到发射极截止，若此时从集电极导出电流到H型电路一端，则此端为高电平。

与单片机和H型电路另一端相连的基极则输出低电平。

当单片机输出高电平时，基极到发射极饱和，则与集电极联通的一端输出低电平，与基极联通的一端输出高电平。

电磁舵机在电流方向变化的过程中，就改变其角度。

三．项目分析

项目科学性：

当鱼尾在推进时，鱼鳍可以通过改变与水平方向的角度来得到一个与水流对鱼鳍作用力方向相反的力。

这个力分解成两个方向的力，一个阻碍机器鱼的前进，一个改变了鱼的运动方向。

这样就能实现游动的目的。

特制频率的红外信号的发射与接收可以对障碍物进行了定位。

左右及上下两侧安装的传感器，可以有效地帮助机器鱼避开障碍物。

用电磁舵机制作尾部推进动力，低能耗。

项目先进性：

该项目模仿鱼类游动的方式，通过尾部的摇摆使，压水向后使身体前进。

这种推动方式推进效率高达90%以上，这使得机器鱼能够在能量有限、且消耗相对较少的情况下达到相当的速度并持续较长时间运动，具有高效、机动、低噪的特点。

项目实用性：

机器鱼可以用很小的能量进行长距离游动，更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。

如可以加上测量装置，检测港口环境，当一条鱼发现某种物质后，会把污染点位置的GPS详细资料发送给其他鱼，然后它们会聚集在发现物质的区域来共同探测。

四.项目小结

通过这个项目，培养了我们对于制作发明的兴趣。

了解了单片机的工作原理与编程，掌握使用C语言，学会WINAVR，protel99与SLISP等软件的使用。

认识了很多电子元件的应用，巩固了焊接技术。

锻炼了思考与解决问题的能力。