隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)和控制科學(xué)的不斷融合與發(fā)展,仿生機(jī)器魚的研制成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。同時(shí),隨著對(duì)于仿生機(jī)器魚的研究日益進(jìn)步,機(jī)器魚所賦予的任務(wù)也隨之增多,對(duì)于機(jī)器魚核心芯片的處理速度的要求也越來越高。而以往的機(jī)器魚對(duì)芯片的處理速度與精度要求并不高,使得機(jī)器魚的執(zhí)行動(dòng)作并不盡如人意,由此在機(jī)器魚中應(yīng)用具有并行性、高速性、靈活性的FPGA芯片已經(jīng)成為必然,它也必將使得機(jī)器魚的研究更上一層樓。
本系統(tǒng)的硬件框圖如圖1,系統(tǒng)采用FPGA芯片為控制處理中心,紅外傳感器模塊負(fù)責(zé)傳回前方的通道信息,信息數(shù)據(jù)由FPGA芯片接收后,輸出PWM波控制舵機(jī)做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。整個(gè)魚體分為動(dòng)作部分和魚頭,動(dòng)作部分由三個(gè)舵機(jī)(兩個(gè)大舵機(jī)、一個(gè)小舵機(jī))組成,魚頭主要是控制芯片、通信模塊和電池電源部分組成。
本方案使用的Altera公司的芯片EP1-C3T144c8,其系統(tǒng)集成度高,可操作性強(qiáng),低功耗,十分適合機(jī)器魚這類小型機(jī)器魚的運(yùn)作。利用其公司的開發(fā)軟件quartus II及其輔助開發(fā)軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、處理、編碼功能。在系統(tǒng)中,F(xiàn)PGA芯片作為主控部分,負(fù)責(zé)紅外傳感器信息接收、通信模塊的信息接收發(fā)送、舵機(jī)控制任務(wù),如圖2所示。
紅外傳感器是遠(yuǎn)距離紅外傳感器PIR D205B,它是利用材料自發(fā)極化隨溫度變化的特征來探測(cè)紅外線的輻射,采用四靈敏元設(shè)計(jì),抑制環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的干擾,提高了信號(hào)輸出強(qiáng)度,增加了多方向靈敏度,兼有單元和雙元熱釋電紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn),傳感器的工作更加穩(wěn)定。
作為在水下獨(dú)立運(yùn)作的平臺(tái),電源和通信是十分重要的。通信采用nRF2401 2.4GHz無線收發(fā)芯片完成視頻數(shù)據(jù)及命令信息的無線傳輸。nRF2401是一款單片射頻收發(fā)芯片,工作在2.4GHz~2.5GHz ISM頻段,該芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶振和調(diào)制解調(diào)器等功能模塊,其輸出功率和通信頻道等參數(shù)都可以通過程序進(jìn)行配置??紤]到系統(tǒng)的電源要求以及電池的可重復(fù)性利用,選擇用四節(jié)可充電電池作為電源模塊。選擇的類型是三洋愛樂普五號(hào)低放電充電池。
機(jī)器魚舵機(jī)組是由三個(gè)舵機(jī)構(gòu)成,分別采用futaba公司的futaba S3102(一號(hào)舵機(jī))及futaba S3003(二號(hào),三號(hào)舵機(jī))。以魚體波函數(shù)為核心算法的機(jī)器魚魚體,在三個(gè)舵機(jī)的運(yùn)作下完成相應(yīng)動(dòng)作,進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的游動(dòng)。其中,F(xiàn)PGA通過所執(zhí)行的程序計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,以此產(chǎn)生十五位的不同占空比的PWM波,控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn),繼而控制“魚體”擺動(dòng)[3]。
軟件體系的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)研制的核心內(nèi)容。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。
如圖4所示,紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理,進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管,發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào),當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí),紅外信號(hào)反射回來被接收管接收,經(jīng)過處理后,通過數(shù)字傳感接口返回到機(jī)器魚主機(jī)機(jī)器魚即可利用紅外的返回信號(hào)來識(shí)別周圍環(huán)境的變化。
標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線:電源線、地線和控制線,電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的電機(jī)和控制電路需要的能源。而控制線輸入的是一個(gè)可調(diào)制的方波脈沖信號(hào),一般周期在20ms(即頻率為50Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí),舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變,度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。兩者關(guān)系可如圖5所示。
圖1 基于FPGA的自主視覺機(jī)器魚硬件圖框
圖2 FPGA模塊
圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖4 紅外模塊流程圖
圖5 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與出入脈沖之間的關(guān)系
本文介紹了基于紅外傳感器與FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)的一種具有自主運(yùn)動(dòng)能力的仿生機(jī)器魚。其通過紅外傳感技術(shù)使機(jī)器魚具有了自主視覺功能,又通過FPGA技術(shù)精準(zhǔn)輸出PWM波,提高了機(jī)器魚的智能度與動(dòng)作靈活度。此設(shè)計(jì)為后續(xù)自主機(jī)器魚的開發(fā)提供了一定的幫助,相信隨著機(jī)器魚的開發(fā)加深,機(jī)器魚的研究與設(shè)計(jì)會(huì)更加智能化,功能也會(huì)越來越完備,并會(huì)為人類探索、發(fā)現(xiàn)海洋提供更多的幫助與便利。
[1]周志強(qiáng),王志良,張雪元,黃海歡.仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)控制研究[J].微計(jì)算機(jī)信息[J].(嵌入式與SOC)2006,22(6-2卷).
[2]萬少云,向強(qiáng).基于TMS320F2812的自主視覺機(jī)器魚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2011(37).
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