路佰得機(jī)器人創(chuàng)客項(xiàng)目《機(jī)器魚》

1、 路佰得機(jī)器人創(chuàng)客項(xiàng)目機(jī)器魚仿生魚形機(jī)器人摘要：現(xiàn)代船類產(chǎn)生動力所需能量消耗巨大，效率較低。因此解決船類在長時間無能源補(bǔ)充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)的問題成為了人們攻克的目標(biāo)。魚在水中產(chǎn)生前進(jìn)動力的方式引起了我們的興趣。通過對魚游動時的觀察和資料的查詢，我們了解到魚類是靠鰭的擺動撥水前進(jìn)。所以我們想到是否可以模擬魚類運(yùn)動的方式，來做一條仿生機(jī)器人。根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，機(jī)器魚擺動時所需能耗較低，且有很好的機(jī)動性、高效性和低噪性。并且利用電磁舵機(jī)來模擬魚的尾部，魚鰭運(yùn)動。再結(jié)合上類似機(jī)翼轉(zhuǎn)向的方式控制運(yùn)動方向，且疊加魚尾的推動，使得轉(zhuǎn)向更為高效。本項(xiàng)目的另一大創(chuàng)新點(diǎn)是用陀螺儀（傾角傳感器）來模擬魚

2、類的半規(guī)管，達(dá)到感測平衡的目的。紅外線的反射測距來做出反應(yīng)，躲避障礙物使得更擬合魚類生活模式。關(guān)鍵字： 魚類游動 魚鰭轉(zhuǎn)向 機(jī)器魚平衡目錄：一.項(xiàng)目介紹3二.項(xiàng)目實(shí)施過程(一）硬件搭建 1.理論依據(jù) 4 2.Tiny2313測試 5 3.紅外二極管發(fā)射-接收實(shí)驗(yàn)6 4.總體測試6 5.電路打印與安裝7 6.最后成形8(二）電路設(shè)計(jì) 1.電路9(三）程序設(shè)計(jì) 1.程序主體10 2.程序介紹11三.項(xiàng)目分析 11四.項(xiàng)目小結(jié) 12 參考文獻(xiàn) 13一. 項(xiàng)目介紹創(chuàng)意來源：魚類游動的推進(jìn)效率高達(dá)90%以上，這使得魚類能夠在力量有限、能量消耗相對較少的情況下達(dá)到相當(dāng)?shù)乃俣炔⒕哂谐志玫哪土?。因此它可以用?/p>

3、小的能量進(jìn)行長距離游動，更適合在長時間無能源補(bǔ)充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)。魚類通過魚鰭和尾鰭有機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與轉(zhuǎn)彎的有機(jī)統(tǒng)一。且海底，河道監(jiān)察，探索也是現(xiàn)在的一個問題。利用機(jī)械魚在可以更容易，更廣泛地解決。加上一些附加技能的機(jī)器魚，比如說，水質(zhì)實(shí)時監(jiān)控，影像數(shù)據(jù)無線發(fā)送，跟蹤定位等都有一定的發(fā)展前景。所以，我們定下了這個項(xiàng)目。項(xiàng)目構(gòu)想：我們做的是一條仿生機(jī)器魚。它能夠模擬魚類的游動方式，目的是更為高效的推動。利用魚鰭與魚尾推動相結(jié)合的方式，讓機(jī)器魚快速的轉(zhuǎn)向并前進(jìn)。不僅僅如此，我們要做一條真正有價值的機(jī)器魚，具有多種的工作環(huán)境。所以，我們給機(jī)器魚以幾個基礎(chǔ)的運(yùn)動模式，與幾個在不同外界刺激下的反

4、應(yīng)動作。其中較為突出的一點(diǎn)是它可以發(fā)射紅外的信號光線，在物體反射后，反饋回一個信號，通過這個來避開障礙。可行性分析：我們知道魚鰭與機(jī)翼的轉(zhuǎn)向工作原理在物理上相當(dāng)。當(dāng)機(jī)翼和其運(yùn)動方向成一個小角度傾斜是，氣流沖擊相對較平的機(jī)翼下表面，空氣被迫向下推動，所以導(dǎo)致了一個向上作用的升力，而同時沖擊機(jī)翼前緣上曲面部分的氣流斜向上運(yùn)動。也就是說，機(jī)翼導(dǎo)致作用于空氣的力，迫使空氣向下，同時也就提供了來自空氣的相等的反作用力，迫使機(jī)翼向上。向下相同。這樣只要在魚尾的推動下，改變魚鰭方向就可以完美地控制魚的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)甚至上浮，下沉。紅外信號在與物體表面接觸時反射回來。利用一個紅外接收頭對于信號的反饋就可以確定物體

5、的位置。然而在實(shí)際生活中到處都有紅外信號的干擾，對信號的接收反饋會有重大的影響，導(dǎo)致難以定位，所有還利用單片機(jī)的PWM波輸出調(diào)制了紅外信號的頻率來杜絕干擾。二項(xiàng)目實(shí)施過程（一）硬件搭建：1.理論依據(jù)： 當(dāng)魚尾在推進(jìn)時，魚鰭可以通過改變與水平方向的角度來得到一個與水流對魚鰭作用力方向相反的力。這個力分解成兩個方向的力，一個阻礙機(jī)器魚的前進(jìn)，一個改變了魚的運(yùn)動方向。這樣就能實(shí)現(xiàn)游動的目的。 特制頻率的紅外信號的發(fā)射與接收可以對障礙物進(jìn)行了定位。但還有一個問題，就是紅外反射二極管的旁射與接收頭半透明的材質(zhì)使得接收到的紅外信號并不一定是反射回的。因此，我們給二極管與接收頭皆在非發(fā)射-反射的路徑上的部分

6、上了黑漆，解決了這一問題。2.Tiny2313測試這是一個測試與實(shí)驗(yàn)電路 利用這個電路可以測試Tiny2313的使用性能。此電路基本測試了2部分的電路，一個是紅外信號的發(fā)射接收，令一個是利用NPN三極管構(gòu)成非門電路來驅(qū)動H型電路。紅外二級管用了膠布封住防止旁射干擾，一個接收頭與其平行放置。利用外部石英晶振的計(jì)時與單片機(jī)的T1計(jì)時器，使用可輸出高頻的快速PWM模式，并對占空比（影響信號強(qiáng)弱）進(jìn)行調(diào)整，調(diào)制出不會受外界影響的特制頻率（38KHZ）。非門電路控制H型電路原理是集電極與VCC相連，基極與單片機(jī)引腳相連，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時，基極到發(fā)射極截止，若此時從集電極導(dǎo)出電流到H型電路一端，則此端

7、為高電平。與單片機(jī)和H型電路另一端相連的基極則輸出低電平。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，基極到發(fā)射極飽和，則與集電極聯(lián)通的一端輸出低電平，與基極聯(lián)通的一端輸出高電平。3.紅外二極管發(fā)射-接收實(shí)驗(yàn)利用外部石英晶振的計(jì)時與單片機(jī)的T1計(jì)時器，使用可輸出高頻的快速PWM模式，調(diào)制出不會受外界干擾的38kHz的波。通過改變波的占空比，我們反復(fù)實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，占空比為50%時信號最強(qiáng)，可以經(jīng)過10cm的距離后被反射并接收。4.總體測試將所有基本組件安裝在一起5.電路雕刻與安裝正在雕刻電路雕刻好的電路6.最后成形（二）電路設(shè)計(jì)：1.電路4個紅外發(fā)光二極管與4個OCR引腳相連，可從OCR引腳上產(chǎn)生38kHz的波型，從

8、而調(diào)制頻率。4個紅外接收頭收到紅外信號后會從OUTPUT腳上輸出低電平，只需讀出引腳數(shù)據(jù)就能確定信號經(jīng)反射后的來源方向了。非門電路控制H型電路原理是集電極與VCC相連，基極與單片機(jī)引腳PB0相連，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時，基極到發(fā)射極截止，若此時從集電極導(dǎo)出電流到H型電路一端，則此端為高電平。與單片機(jī)和H型電路另一端相連的基極則輸出低電平。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，基極到發(fā)射極飽和，則與集電極聯(lián)通的一端輸出低電平，與基極聯(lián)通的一端輸出高電平。電磁舵機(jī)在電流方向變化的過程中，就改變其角度。三項(xiàng)目分析項(xiàng)目科學(xué)性：當(dāng)魚尾在推進(jìn)時，魚鰭可以通過改變與水平方向的角度來得到一個與水流對魚鰭作用力方向相反的力。這個

9、力分解成兩個方向的力，一個阻礙機(jī)器魚的前進(jìn)，一個改變了魚的運(yùn)動方向。這樣就能實(shí)現(xiàn)游動的目的。特制頻率的紅外信號的發(fā)射與接收可以對障礙物進(jìn)行了定位。左右及上下兩側(cè)安裝的傳感器，可以有效地幫助機(jī)器魚避開障礙物。用電磁舵機(jī)制作尾部推進(jìn)動力，低能耗。項(xiàng)目先進(jìn)性：該項(xiàng)目模仿魚類游動的方式，通過尾部的搖擺使，壓水向后使身體前進(jìn)。這種推動方式推進(jìn)效率高達(dá)90%以上，這使得機(jī)器魚能夠在能量有限、且消耗相對較少的情況下達(dá)到相當(dāng)?shù)乃俣炔⒊掷m(xù)較長時間運(yùn)動，具有高效、機(jī)動、低噪的特點(diǎn)。項(xiàng)目實(shí)用性：機(jī)器魚可以用很小的能量進(jìn)行長距離游動，更適合在長時間無能源補(bǔ)充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)。如可以加上測量裝置，檢測港口環(huán)境，當(dāng)一條魚發(fā)現(xiàn)某種物質(zhì)后，會把污染點(diǎn)位置的GPS詳細(xì)資料發(fā)送