仿魚機(jī)器人介紹

Anlcm^JidimSAnlcm^JidimS洪※※※※※※※※※※※※※※※※※※※濃 2013年山東省大學(xué)生機(jī)器人大賽 淤京機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目組參賽作品 京※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※仿魚機(jī)器人MkivpnwcsMr+l\:riphcnilsAuintnumLaoskeletonIismnilCrriiiii^nLdilMid!BrieryMfiVlSwiJc^rstr山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院二0—三年六月TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 1\o"CurrentDocument"機(jī)械與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2\o"CurrentDocument"2.1魚的身體結(jié)構(gòu) 2\o"CurrentDocument"2.2魚的各種推進(jìn)方式 3\o"CurrentDocument"2.3幾種機(jī)器魚機(jī)構(gòu)比較與分析 3\o"CurrentDocument"集成紅外傳感器的仿魚機(jī)器人 6\o"CurrentDocument"3.1集成紅外傳感器的機(jī)器魚設(shè)計(jì)方案 7\o"CurrentDocument"3.2仿生機(jī)器魚的基本運(yùn)動 9\o"CurrentDocument"3.3仿生機(jī)器魚的智能控制策略 10\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12\o"CurrentDocument"4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想 12\o"CurrentDocument"4.2主控制芯片及控制系統(tǒng) 13\o"CurrentDocument"4.3舵機(jī)的構(gòu)造及控制方法 134.4PC機(jī)與單片機(jī)間通訊 錯(cuò)誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"結(jié)論 14\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 14仿魚機(jī)器人引言隨著人類社會的急速發(fā)展，人口的急速增長，人類面臨很嚴(yán)重的發(fā)展的壓力，陸地資源的過度采集已經(jīng)使各國不斷向海洋，太空尋求更多的資源。而相對于太空，占地球大部分表面積的海洋自身蘊(yùn)含著豐富的食物、礦產(chǎn)等資源，而且也是重要的運(yùn)輸及軍事戰(zhàn)略空間，與任何一個(gè)國家的生存發(fā)展息息相關(guān)。為了充分利用海洋資源，各種船只，潛水艇及水下機(jī)器人等被廣泛的使用和設(shè)計(jì)，這些水上及水下作業(yè)的機(jī)器已經(jīng)拓展了我們的生存空間，但是殘酷的競爭激勵(lì)人們不斷探索高效、高機(jī)動性的水下推進(jìn)控制技術(shù)。目前傳統(tǒng)的水下推進(jìn)系統(tǒng)多采用螺旋槳和葉輪式等原理的常規(guī)推進(jìn)器，并多以電磁馬達(dá)或液壓馬達(dá)驅(qū)動。這些常規(guī)推進(jìn)器的存在能源利用低、結(jié)構(gòu)尺寸及重量大、受擾能力差，噪音大，隱蔽性差，可靠性差等缺點(diǎn)。而且常規(guī)的推進(jìn)方式驅(qū)動水下運(yùn)動裝置存在啟動、加速性能弱，運(yùn)動靈活性差等缺點(diǎn)，受承載空間和能力的影響會限制其作業(yè)時(shí)間和范圍，從而限制了它的應(yīng)用。采用波狀擺動推進(jìn)的魚類，有著卓越的游動能力，就像飛機(jī)與雷達(dá)的研制，人們發(fā)現(xiàn)魚類在水中游動時(shí)，可以本能的利用流體力學(xué)的原理，減小阻力提高推力。十幾億年的進(jìn)化使魚類能夠以最科學(xué)的方式駕馭水流，以達(dá)到高速，高效的游動。大多數(shù)魚類的游動推進(jìn)效率在80%以上，鲹科魚類的推進(jìn)效率可以超過90%，而傳統(tǒng)的推進(jìn)方式的推進(jìn)效率平均僅為40%-50%左右。魚類可以在不減速情況下迅速改變方向，轉(zhuǎn)彎半徑僅有體長的10%-30%，而船的轉(zhuǎn)彎半徑要比本身長度大一個(gè)量級，且通常在轉(zhuǎn)彎前先要減速一半；梭子魚可以以25倍的重力加速度迅速起動來獵取食物，海豚的加速度可以達(dá)到20-50倍的重力加速度。魚類優(yōu)良的游動運(yùn)動方式給人類提高水下機(jī)器人系統(tǒng)的推進(jìn)操控性能及與水環(huán)境的交互性能帶來了希望。魚類的高速，高效游動，吸引著學(xué)者們研究魚類的推進(jìn)機(jī)理，并利用所研究的推進(jìn)機(jī)理研制一些水下仿生學(xué)機(jī)器人，已驗(yàn)證其高效，高速的性能，并希望在實(shí)際的船只、潛艇等水上水下作業(yè)的器械上加以利用，以提高其機(jī)動性和效率。

機(jī)械與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1魚的身體結(jié)構(gòu)由于魚類的生活習(xí)性和生活環(huán)境的不同，魚的種類是也多種多樣的，水作為魚類的游動介質(zhì)，其難壓縮性和高密度性在魚類的進(jìn)化中具有重要的作用，導(dǎo)致了大多數(shù)魚的進(jìn)化過程中產(chǎn)生了推動協(xié)調(diào)其各種運(yùn)動的不同的鰭及各種為適應(yīng)其特點(diǎn)而產(chǎn)生的運(yùn)動機(jī)理。由圖2-1可以看出魚的基本形態(tài)和它們不同部位的鰭。圖2-1魚的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)各個(gè)位置的鰭對大多數(shù)魚類的游動能力起到?jīng)Q定性的作用，各種魚鰭所起的作用和它們的特點(diǎn)如表2-1o表2-1各種鰭的比較鰭的類別所處部位作用是否有助于前進(jìn)尾鰭尾部最后推進(jìn)和轉(zhuǎn)向的作用有背鰭身體的背后維持身體的平衡一般沒有臀鰭肛門之后維持平衡，可與背鰭合作幫助魚體運(yùn)動一般沒有胸鰭頭部腮孔之后附近的胸部驅(qū)動前進(jìn)、平衡、加速減速、轉(zhuǎn)彎有腹鰭腹側(cè)維持身體平衡、輔助升降、轉(zhuǎn)彎一般沒有由表2-1可知魚類的鰭主要是用來游動、平衡、轉(zhuǎn)彎的。一般的，尾鰭是前向游動主要動力源，背鰭和臀鰭是起平衡作用的，而胸鰭和腹鰭主要起到轉(zhuǎn)彎和平衡的作用。2.2魚的各種推進(jìn)方式按魚類的體形及由體型引發(fā)的功能的不同，有下面幾種常見的基本推進(jìn)運(yùn)動模式：噴射方式、身體波動方式、尾鰭推動方式和胸鰭推動方式。噴射方式：此類方式的生物體內(nèi)部的特殊部位可向后擠壓產(chǎn)生水流后向推力，通過反作用力使其向前游動的。此類方式產(chǎn)生動力的生物體有烏賊、魷魚、水母。身體波動式：此類生物體的游動關(guān)節(jié)遍布全身，它們的游動猶如正弦波形的前進(jìn)，全身關(guān)節(jié)參與游動，這樣前進(jìn)的單位距離所需推力最小。此類方式游動的生物體有鰻魚、水蛇等。尾鰭推進(jìn)方式：此類游動方式還可分為：蹲行式和橢行式15,蹲行式如蟬魚、鮮魚等是最常見的方式，在速度、加速度方面和可操縱性上具有優(yōu)勢。橢行式魚類有精魚、馬林魚等，常有高展弦比的尾鰭，在快速運(yùn)動中最為高效。它們的顯著特點(diǎn)是主要利用魚的身體后半段和尾鰭協(xié)調(diào)擺動前進(jìn)。胸鰭推進(jìn)方式：單獨(dú)利用胸鰭推進(jìn)方式的魚非常罕見，它的推進(jìn)作用表現(xiàn)在機(jī)動性上，胸鰭的推進(jìn)方式的效率并沒有尾鰭的推進(jìn)效率高，但是其機(jī)動性較尾鰭要高，所以在魚類的游動過程中，胸鰭只是起到提高魚類的機(jī)動性以逃避天敵的作用。2.3幾種機(jī)器魚機(jī)構(gòu)比較與分析1.ESSEX大學(xué)機(jī)構(gòu)ESSEX大學(xué)所使用的機(jī)構(gòu)為舵機(jī)串聯(lián)機(jī)構(gòu)。ESSEX大學(xué)利用的執(zhí)行器是舵機(jī)，舵機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是出力大，并且可以直接驅(qū)動魚尾，因?yàn)槠涫怯邢揶D(zhuǎn)角的電機(jī)，本身就完成的是擺動運(yùn)動，所以不必考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)問題可直接使用。在使用中利用連接件使得后一個(gè)舵機(jī)作為前一個(gè)的負(fù)載，只要舵機(jī)選擇合適就可較簡單的完成機(jī)械設(shè)計(jì)。麻省理工學(xué)院對以舵機(jī)為執(zhí)行器的機(jī)械設(shè)計(jì)上也有所研究，但具體的控制規(guī)律也應(yīng)歸類于此。圖2-2是ESSEX大學(xué)研制的機(jī)器魚。

圖2-2ESSEX大學(xué)機(jī)器魚示意圖圖2-2ESSEX大學(xué)機(jī)器魚示意圖2.巴沙蒂娜學(xué)院(PasadenaCityCollege)PasadenaCityCollege設(shè)計(jì)了一種被動式機(jī)器魚機(jī)構(gòu)，利用彈簧的反力吸收一部分剛性的電機(jī)轉(zhuǎn)動定位時(shí)的能量，在回?cái)[時(shí)產(chǎn)生助力，從而降低能量損耗，提高效率。但缺點(diǎn)是難于設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，效果會適得其反。圖2-3是巴沙蒂娜學(xué)院機(jī)器魚的核心結(jié)構(gòu)。圖2-3PasadenaCityCollege設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)示意圖3.東南大學(xué)東南大學(xué)的機(jī)器魚比較簡單，只有一個(gè)自由度，即只利用一個(gè)電機(jī)控制經(jīng)過傳動之后變成魚尾鰭擺動運(yùn)動。

圖2-4東南大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖4.密歇根州立大學(xué)密歇根州立大學(xué)研制的機(jī)器魚已經(jīng)加入了GPS導(dǎo)航定位單元，溫度傳感器等多種傳感器，基本可以完成自主定位與導(dǎo)航功能。KggJi:舊KWh5ftKggJi:舊KWh5ft圖2-5密歇根州立大學(xué)機(jī)器魚 圖2-6密歇根州立大學(xué)電路結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意圖南洋理工大學(xué)南洋理工大學(xué)一直致力于全身都可以蠕動的機(jī)器魚，此種機(jī)器魚的動力學(xué)特性與北京大學(xué)及本文所研究的魚的區(qū)別是：此種魚的機(jī)動性能強(qiáng)，由于其全身的運(yùn)動致使其自由度很多，控制起來彈性很大，機(jī)動性能強(qiáng)，但是效率并不如局部身體擺動的高。這種運(yùn)動機(jī)理屬于鰻鱺式機(jī)器魚推進(jìn)模式。如圖2-7就是南洋理工大學(xué)比較有代表新的一款機(jī)器魚。

圖2-7南洋理工機(jī)械魚示意圖中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)所開發(fā)的機(jī)器魚是類鱔類機(jī)器魚，它的仿生對象是藍(lán)點(diǎn)，航，它的機(jī)構(gòu)是并聯(lián)的舵機(jī)機(jī)構(gòu)，通過每個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)擺動產(chǎn)生不同大小方向的推力，從而完成魚的巡游，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，倒退等動作。其機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-8。圖2-8中科大仿生藍(lán)點(diǎn)航機(jī)器魚示意圖集成紅外傳感器的仿魚機(jī)器人本項(xiàng)目作品給出了集成多個(gè)紅外傳感器的仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)方案，研究了基于紅外傳感器的機(jī)器魚避障規(guī)則和策略，提出了一種基于規(guī)則推理的智能避障控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。3.1集成紅外傳感器的機(jī)器魚設(shè)計(jì)方案3.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)紅外傳感器是一種比較有效地接近覺傳感器，利用紅外線的定向傳播和反射能力檢測前方是否有障礙物，常被用于機(jī)器人系統(tǒng)中探測臨近或突發(fā)運(yùn)動障礙。由于光的方向性好，紅外傳感器具有角度分辨率高，反映靈敏，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。但在水中光的衰減比較嚴(yán)重，距離分辨率低。紅外傳感器由紅外發(fā)射管、紅外接收管、紅外發(fā)射電路和紅外接收處理電路組成。它的工作原理是：當(dāng)有障礙物的時(shí)候，接收電路端口輸出的為高電平，沒有障礙的時(shí)候，端口輸出的為低電平。通過高低電平的判斷來識別是否有障礙物。由于單個(gè)紅外傳感器探測范圍有限，為了使得機(jī)器魚得到周圍環(huán)境的詳盡信息，可以在機(jī)器魚的表面安裝多個(gè)紅外傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，使其覆蓋機(jī)器魚周圍的區(qū)域。圖3-1給出了傳感器的布局情況。按照傳感器安裝位置，分為五類：前部紅外傳感器（fir）、左側(cè)紅外傳感器（lir）、右側(cè)紅外傳感器（rir）、頂部紅外傳感器（tir）、底部紅外傳感器（bir）。這五類傳感器分別探測機(jī)器魚前方、左側(cè)、右側(cè)、頂部、底部的障礙物。各個(gè)方向傳感器的數(shù)量和安裝位置根據(jù)紅外傳感器的角度分辨率來確定，應(yīng)該確保這些傳感器之間不存在相互干擾。機(jī)器魚通過傳感器網(wǎng)絡(luò)提供的環(huán)境信息，依據(jù)規(guī)定的運(yùn)動策略實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供的信息和機(jī)器魚當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)（運(yùn)動方向和速度）對機(jī)器魚進(jìn)行自主漫游運(yùn)動的研究，即要求機(jī)器魚在自主游動時(shí)做到不與外部障礙物發(fā)生碰撞；在遇到危險(xiǎn)物體逼進(jìn)時(shí)，能夠快速逃逸，并遠(yuǎn)離危險(xiǎn)物體。

3.1.2仿生機(jī)器魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)自主仿生機(jī)器魚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。它主要由5部分組成：控制單元（微控系統(tǒng)+外圍器件），通訊單元（通訊模塊），支撐單元（鋁制外骨架+魚頭），驅(qū)動單元（伺服電機(jī)組），附件（電池、防水魚皮及尾鰭等）。充電插頭控制單元 骨架關(guān)節(jié)1 尾絲魚眼電池貌開美美節(jié)2關(guān)節(jié)3400mm圖3-2自主仿生機(jī)器魚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在控制單元中，機(jī)器魚的擺動控制數(shù)據(jù)集成在頭部的微控制器內(nèi)，舵機(jī)組由微控制器ATmega128L單片機(jī)控制。機(jī)器魚通過微控制器ATmega128L單片機(jī)調(diào)制產(chǎn)生的PWM信號，控制各個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)3個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)擺動，模仿魚類的游動運(yùn)動。機(jī)器魚直行游動的速度可通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的擺動頻率來控制，其方向可通過不同的關(guān)節(jié)偏移來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)擺動周期內(nèi)，在第一個(gè)關(guān)節(jié)迭加不同的偏移量，可以實(shí)現(xiàn)不同幅度的轉(zhuǎn)彎。自主仿生機(jī)器魚的技術(shù)參數(shù)見表3-1、表3-2。表3-1自主仿生機(jī)器魚的技術(shù)參數(shù)尺寸（長X寬乂高）重量關(guān)節(jié)數(shù)最大擺動頻率擺動部分長度最大游速（直行）430x48x75mm0.5kg32Hz（水中）178mm0.4m/s最小轉(zhuǎn)彎半徑最大扭矩驅(qū)動模式通訊模式工作電壓單獨(dú)運(yùn)行時(shí)間200mm（1/2體長）3.2kg.cm直流伺服電機(jī)JTAG6v1~1.5小時(shí)表3-2機(jī)器魚的電機(jī)的擺動頻率（Hz）和直行游動速度（m/s）的關(guān)系

頻率（Hz）0.50.570.670.81.01.34頻率（Hz）0.50.570.670.81.01.342.0速度（僦） 0.12 0.16 0.18 0.20 0.23 0.26 0.323.2仿生機(jī)器魚的基本運(yùn)動根據(jù)避障任務(wù)的要求，綜合考慮自主仿生機(jī)器魚的運(yùn)動特點(diǎn)、物理結(jié)構(gòu)、控制器及工作環(huán)境的特點(diǎn)，我們?yōu)榧t外機(jī)器魚設(shè)計(jì)了以下8種基本運(yùn)動：上升（UP）、下潛（DOWN）、平動（HORIZON）、加速（ACCE）、減速（DECE）、左轉(zhuǎn)（L_TURN）、右轉(zhuǎn)（R_TURN）、直行（STRAIGHT）。速度分為0-7級，7級為最大，0級速度為0。方向分為9檔：左轉(zhuǎn)4檔、右轉(zhuǎn)4檔以及中間檔。機(jī)器魚避障任務(wù)中的運(yùn)動是這些基本運(yùn)動的組合，如加速轉(zhuǎn)彎，減速轉(zhuǎn)彎，加速下潛，加速上升等等。上升：機(jī)器魚在游動過程中利用胸鰭實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動。當(dāng)機(jī)器魚以一定的速度游動時(shí)，如果胸鰭沿軸線順時(shí)針擺動一定的角度（圖3-3所示的上升位置），由于水壓的作用，機(jī)器魚的頭部向上傾斜，從而向水面游動。下潛：當(dāng)機(jī)器魚以一定的速度游動時(shí)，如果胸鰭沿軸線順時(shí)針擺動一定的角度（下潛位置），由于水壓的作用，機(jī)器魚的頭部向下傾斜，從而向水底游動。平動：當(dāng)機(jī)器魚的胸鰭保持在中間狀態(tài)時(shí)，機(jī)器魚在水面上游動，我們把這種運(yùn)動定義為平動。直行：機(jī)器魚的三個(gè)擺動關(guān)節(jié)以頭尾軸為中心擺動時(shí)，機(jī)器魚沿直線運(yùn)動（嚴(yán)格意義上，應(yīng)該是類直線），這種運(yùn)動定義為直行。加速：機(jī)器魚從較低的速度等級切換到較高的速度等級。減速：機(jī)器魚從較高的速度等級切換到較低的速度等級。左轉(zhuǎn)：當(dāng)給尾部三個(gè)電機(jī)施加向左的幾何偏移量時(shí)，機(jī)器魚向左轉(zhuǎn)彎。右轉(zhuǎn)：當(dāng)給尾部三個(gè)電機(jī)施加向右的幾何偏移量時(shí)，機(jī)器魚向右轉(zhuǎn)彎。9999圖3-3胸鰭的三種基本狀態(tài)（原理圖）3.3仿生機(jī)器魚的智能控制策略3.3.1規(guī)則庫的設(shè)計(jì)本文中設(shè)計(jì)的自主仿生機(jī)器魚智能控制系統(tǒng)采用了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。產(chǎn)生式規(guī)則的左半部一般為若干事實(shí)的邏輯積，確定了可應(yīng)用的先決條件，右半部描述了規(guī)則的先決條件得到滿足時(shí)所采取的行動或得出的結(jié)論。產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式為“條件一行動”或“前提一結(jié)論”，即用“輸入-輸出”語句表示每一個(gè)知識項(xiàng)。為了簡化規(guī)則庫的設(shè)計(jì)，我們在五個(gè)方向上都只采用了一個(gè)傳感器。根據(jù)五個(gè)輸入量Fir、Lir、Rir、Tir、Bir和8個(gè)基本運(yùn)動UP、DOWN、HORIZON、ACCE、DECE、L_TURN、R_TURN、STRAIGHT之間的因果關(guān)系，機(jī)器魚的控制規(guī)則被劃分為兩個(gè)子規(guī)則庫：規(guī)則庫1（包含避障規(guī)則）和規(guī)則庫2（包含上升下潛規(guī)則），如表3-3、表3-4所示。表3-3規(guī)則庫1輸入輸出環(huán)境描述運(yùn)動描述FirLirRirl_turnr_turnDECEstraight0000001無障礙直行0011000右側(cè)有障礙減速左轉(zhuǎn)0100100左側(cè)有障礙減速右轉(zhuǎn)0110011左、右側(cè)有障礙減速直行1001000前方有障礙減速左轉(zhuǎn)1011010前方、右側(cè)有障礙減速左轉(zhuǎn)1100110前方、左側(cè)有障礙減速右轉(zhuǎn)1111010三方向都有障礙減速右轉(zhuǎn)

表3-4規(guī)則庫2輸入輸出環(huán)境描述運(yùn)動描述TirBirUPDOWNACCEHORIZON000001無障礙平動011000下方有障礙加速上升100100上方有障礙加速下潛110010上下方都有障礙加速平動3.3.2推理機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)則庫定義了傳感器狀態(tài)與機(jī)器魚運(yùn)動之間的映射關(guān)系，給出了運(yùn)動的定性描述，但是沒有給出運(yùn)動的定量描述，即轉(zhuǎn)彎等級，轉(zhuǎn)彎模式和速度級別等。推理機(jī)正是為完成運(yùn)動的定量描述而設(shè)計(jì)的。所謂推理就是依據(jù)一定的規(guī)則從已有的事實(shí)推出結(jié)論的過程，按照推理方向可把推理分為正向推理、反向推理和混合推理。本系統(tǒng)采用正向推理策略，推理工作周期為讀紅外傳感器數(shù)據(jù)，檢測并計(jì)算有規(guī)則條件，沖突消解，規(guī)則執(zhí)行，推導(dǎo)機(jī)器魚的速度等級，轉(zhuǎn)彎模式，轉(zhuǎn)彎等級等。推理機(jī)的功能包括分析當(dāng)前的碰撞情況，估計(jì)碰撞的危險(xiǎn)度，規(guī)劃機(jī)器魚的速度等級、轉(zhuǎn)彎等級、轉(zhuǎn)彎模式等。下面定義兩個(gè)重要參數(shù)：碰撞危險(xiǎn)度（RiskFactor）和上升下潛意愿強(qiáng)度（AwarenessIntensity）。推理機(jī)根據(jù)RiskFactor的大小確定機(jī)器魚的減速等級、避障時(shí)的轉(zhuǎn)彎等級和轉(zhuǎn)彎模式，根據(jù)AwarenessIntensity決定機(jī)器魚的加速等級。01/301/3RiskFactor=42/3<1「0AwarenessIntensity= 1/3『2/3Fir=Lir=Rir=0Fir+Lir+Rir=1Fir+Lir+Rir=2Fir+Lir+Rir=3（1）Tir=Bir=0Tir+Bir二1（2）Tir=BirT我們規(guī)定：當(dāng)所有傳感器的輸出為0，即（Fir、Lir、Rir、Tir、Bir）=（0，0，0,0,0）時(shí)，機(jī)器魚的速度等級為4,規(guī)則庫中的加速和減速運(yùn)動都是以這個(gè)速度等級為基準(zhǔn)的。因此，加速等級取值范圍為｛5，6,7｝；減速等級取值范圍為｛0，1，2,3｝。根據(jù)RiskFactor的值決定轉(zhuǎn)彎模式、轉(zhuǎn)彎等級、減速等級的指導(dǎo)原則是：RiskFactor越大，碰撞的危險(xiǎn)性越大，轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)彎等級越大，速度等級越小，越容易避開障礙，反之亦然。同理，AwarenessIntensity越大，機(jī)器魚的加速等級越高?？刂葡到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)機(jī)器魚的硬件設(shè)計(jì)是控制的基礎(chǔ)，通過各種傳感器采集外界數(shù)據(jù)和自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器魚的有效控制。合理的硬件設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮系統(tǒng)功能，避免調(diào)試的困難，達(dá)到較高的控制精度。4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想為將整個(gè)控制系統(tǒng)硬件部分說清楚，決定將硬件控制系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，此種分離方式就是為了理清思路說明問題，實(shí)際上整個(gè)系統(tǒng)是互相作用，互相配合，不可分離的。機(jī)械魚的硬件控制系統(tǒng)主要包括以下子系統(tǒng)：舵機(jī)驅(qū)動電路子系統(tǒng)：利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器中斷產(chǎn)生，具有特定控制意義的PWM波形來驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動。全局傳感器子系統(tǒng)：本系統(tǒng)的傳感器是一個(gè)全局?jǐn)z像頭，既能定位魚本身位置又能定位障礙物的位置，將所有機(jī)器魚需要的外界數(shù)據(jù)采集到并分析出有效的控制策略。

JTAG下載線時(shí)鐘信號輸入復(fù)位信號輸入定時(shí)器*中央處*/計(jì)數(shù)

理單元器^看門狗定時(shí)器自定義*酎I/O端口f第一路啞產(chǎn)生

控制波形＞控制第一路—舵機(jī)一*■第二路JTAG下載線時(shí)鐘信號輸入復(fù)位信號輸入定時(shí)器*中央處*/計(jì)數(shù)

理單元器^看門狗定時(shí)器自定義*酎I/O端口f第一路啞產(chǎn)生

控制波形＞控制第一路—舵機(jī)一*■第二路PWM電源輸入院—?控制第二路—舵機(jī)一第三路PWM4控制第三路

—舵機(jī)一圖4-1硬件控制系統(tǒng)框圖4.2主控制芯片及控制系統(tǒng)機(jī)器魚下位機(jī)系統(tǒng)選用ATmega128L單片機(jī)作為主要控制芯片，ATmgeal28L是ATMEL公司推出的一款新型AVR單片機(jī)。具有先進(jìn)的RISC架構(gòu)，采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上支持C語言及匯編語言。芯片內(nèi)部集成了很多大容量的存儲器和豐富