机器鱼本体及控制系统开发毕业论文.doc
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1、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一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Robot Fish and its Control SystemUndergraduate: Supervisor: Major: AutomationAutomationChongqing UniversityJune 2011摘 要本文的主要目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
2、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。电源部分采用镍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,采用NRF24L01无线通信模块来实现。控制电路的主要作用是采集传感器的
3、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,我们选择常见的鲹科模式,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ABSTRACTThe main purpose of this paper is to design an Ornamental robotic fish system. Relative to the rea
4、l fish, the robotic fish dont need to be taken special care of and can interact with people. The entire design process is divided into mechanical design, hardware design and software design.On the basis of select the steering gear as the driving source, in mechanical design,. Proposed the segmental
5、design, the robotic fish is divided into three parts of head, middle and tail and designed respectively. Head for placing the control circuit, the central place for the servo, battery and transmission, tail hasnt internal structure. Using this, robotic fish design is more modular and easy to seal wa
6、terproof. Use the increase in stent design and erection of muscle to make the robot fish beautiful. And the design of the whole fish skin make the fish look more real.The hardware of the robotic fish include power, sensors, wireless communication module and control circuitry. For power using nickel-
7、metal hydride batteries in series and add a voltage regulator circuit to achieve. Sensors for detect obstacles is an infrared photoelectric sensor. For wireless communication, the NRF24L01 is used. The main function of the control circuit is to collect the sensor signals, control the wireless module
8、 to receive data and control the steering operation by operation, so as to control the movement of robotic fish.The software part includes the selection of movement mode and control program design. For the movement mode, we choose the common Carangidae mode, the control program prepared based on 51
9、single-chip, including wireless communications, sensor, computing and the steering gear control.Experimental results, the movement robot fish works well finally, it can avoid obstacles normally and can be remote control freely. The design goal is achieved.Key words: Robot fish, Ornamental, Segmented
10、 design, Avoid obstacles, Remote control目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 概述11.2 仿生机器鱼研究概况21.2.1 国外研究概况21.2.2 国内研究概况51.3 课题设计目标62 机器鱼机械结构设计82.1 机器鱼驱动源选择82.2 机器鱼机械结构设计102.2.1 自由度选择与分段设计方案102.2.2 头部设计112.2.3 中部设计122.2.4 尾部设计142.2.5 鱼鳍设计142.2.6 防水结构设计142.3 机器鱼外观设计162.3.1 支架与肌肉162.3.2 蒙皮173 硬件设计193.1 电源193.2 传感
11、203.3 无线通信213.4 控制电路234 运动模式与程序设计254.1 机器鱼运动模式分类254.2 运动模式264.2.1 直线运动264.2.2 转弯运动264.2.3 上浮与下潜274.3 程序设计275 实验与结论325.1 实验过程325.2 实验结果325.3 结论33参考文献341 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,各种交叉科学异军突起,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叉科学。它是由生命科学与工程技术相互交叉、相互结合而成。通过把生物学应用到工程系统中,
12、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。又如近日,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,经过几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
13、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的情况下,推进效率达到90%,而相比之下,普通螺旋桨推进系统只有4050%。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1030%,而普通螺旋桨推进系统要达到体长的35倍。由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1。在应用方面,主要在以下方面有比较好的应用前景2。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。由于仿生鱼类游动时有噪声低,尾流与真鱼相似
14、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
15、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3-5。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图1.1 MIT机器金枪鱼Robotuna图1.2
16、 MIT机器金枪鱼Robotuna结构图1995年,为了研究鱼的机动性和静止状态下的加速性,麻省理工学院又设计了Robotuna的改进版RoboPike。鱼体长约0.81米,重约3.6kg。它的骨架由螺旋形玻璃纤维弹簧构成,这种柔性结构可以使抵抗游动时的撞击,而其强度又足以使其承受水压。该机器鱼具有良好的加速能力。如图1.3和1.4图1.3 MIT机器金枪鱼RoboPike图1.4 MIT机器金枪鱼RoboPike结构图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。由于身体完全由一整块柔软的聚合体材料制成
17、,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。图1.5 MIT最新机器金枪鱼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图1.6 PF-300机器鱼图1.7 PF-300机器鱼转弯效果图2001年,他们设计出另一款机器鱼,PF-2001,主要面向高性能实验平台和多功能应用,如图1.8和1.9所示。UPF-2001长0.97m,最大速度为
18、0.97m/s,有两个关节,使用升降舵实现上浮和下潜运动。该样机采取了模块设计的概念,分为以下几个模块:电源模块、动力模块、通信模块、控制模块,传动模块。图1.8 PF-2001机器鱼图1.9 PF-2001机器鱼结构图日本国家海洋中心的最新研究是PF-550,是为了研究快速上浮下潜运动而设计的。它采用了一种全新的上浮下潜原理,通过改变尾部的倾角方向实现矢量推进。该机器鱼长度约0.57米,尾鳍可以旋转角度达到90度。如图1.10和1.11图1.10 PF-550机器鱼图1.11 PF-550机器鱼结构图3. 英国Essex大学机器鱼课题组于2003开始研制一系列的机器鱼,主要工作集中在实现仿鱼
19、游动,特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列:G系列和MT系列。其中G系列均是采用多电机多关节的尾部结构,通过对多个电机进行协调控制,该机器鱼游动姿态和真鱼极其相似。图1.12为他们所设计的最新版机器鱼G9的实物图。图1.12 Essex大学G9机器鱼图1.13 Essex大学MT1机器鱼而MT系列机器鱼则是采用单电机、多关节的尾部结构,采用5个参数的控制算法实现机器鱼的三维游动,如图1.13。MT1长约0.48m,重约3.6kg,平均前进速度约为0.4m/s,当采用20度的击水角时,下潜速度为0.021m/s,上升速度为0.022m/s。1.2.2 国内研究概况1. 北京航
20、空航天大学从1999年开始研究机器鱼,为国内最早。2002年,为了进行新型水动力布局的游动稳定性研究,确定尺寸和速度的关系,北航机器人研究所研制了SPC-1机器鱼。该鱼长约1.9m,重约156kg,在频率2Hz时可达最大速度1.5m/s,最小转弯半径为一倍体长。利用这款机器鱼,北航对太湖水质进行了检测。2003年,北航对SPC-1机器鱼进行了改进,研了SPC-2机器鱼,性能较改进前有所提高。并将其用于郑成功古战船遗址的水下考古探测。如图1.14和1.15图1.14 北航机器鱼SPC-1图1.15 北航机器鱼SPC-22. 北京大学从2001年开始研究机器鱼,其设计的游龙系列机器鱼运动灵活,鱼体
21、长约45厘米,驱动器包含四个舵机,可以更真实的模拟鱼的运动姿态。前侧鱼鳍可以控制机器鱼沉浮。鱼体中安装了摄像头与压力传感器,可以获取大量外部信息,便于进行控制与信息采集。如图1.16和1.17图1.16 北京大学机器鱼图1.17 北京大学机器鱼结构图3. 哈尔滨工程大学郭书祥教授课题组于2008年攻克了水中微型机器人的核心技术离子聚合物ICPF的制作工艺,成功研制出生物型驱动器像肌肉一样可以柔性弯曲的驱动器,同时此驱动器还具有传感器功能,由此奠定了水下微型仿生机器人的研究开发基础。2011年,哈尔滨工程大学利用ICPF研制的微型机器鱼参加了“十一五”国家重大科技成就展,该鱼的设计理念是将控制电
22、路板作为鱼的骨架,这种结构改变了传统的设计理念,将机器鱼分成鱼身、尾鳍、胸鳍3部分。该鱼长约9cm,宽约5cm,厚约3cm,重约60g,却可以相当逼真的模拟鱼的游动姿态。如图1.18和1.19图1.18 微型机器鱼图1.19 微型机器鱼结构1.3 课题设计目标通过对鱼类的体型与运动模式进行模仿,设计并制作机器鱼的本体,并设计其控制系统软硬件,并最终进行下水实验,使其可以实现水中自由游动。主要在以下几个方面开展研究:(1)设计机器鱼的机械结构,主要包括自由度的确定,传动机构的设计,以及防水机构的设计。(2)设计机器鱼的外观。主要实现方法是通过内部支架与弹性肌肉配合外部蒙皮,达到所需的外观曲线,并
23、且有比较美观的效果。(3)设计机器鱼的硬件电路,主要包括电源模块,驱动模块,控制模块,检测模块以及无线通信模块,先对各模块进行分部分调试,最终将其整合到一起进行综合实验,当达到预期效果后进行电路板印制。(4)选择机器鱼的运动模型,编写控制算法,使其可以控制机器鱼按合理的姿态运动,并达到良好的运动效果。(5)对机器鱼进行下水实验,观察设计的效果,获得实验数据,并针对不合理的地方进行改进,最后对实验结果进行分析。2 机器鱼机械结构设计2.1 机器鱼驱动源选择在进行机械结构设计之前,首先要选择合适的驱动源。这样才能为相应的驱动源设计其传动及支撑机构。目前驱动源主要包括两大类,一类是传统驱动,另一类是
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