基于舵機(jī)控制的仿生魚設(shè)計(jì)

從上述舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機(jī)的控制信號實(shí)質(zhì)是一個可變寬度的方波信號(PWM)。一般采用MCU作為控制器。目前采用單片機(jī)作為舵機(jī)控制器的方案比較多，現(xiàn)利用單片機(jī)提出另一種編程方法，利用T0T1定時器中斷來實(shí)現(xiàn)PWM。該方案將20 ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成。
上述已知1.5 ms為中心位置，0.5 ms為-90°位置，2.5 ms為＋90°位置，并且在此定義一個脈沖周期為20 ms。定時器T1定時20 ms，時間一到波形取反，T0定時器起到了脈寬調(diào)節(jié)功能，如圖5所示。

根據(jù)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度可知PWM波形的波動范圍，最低是在0.5 ms，最高是在2.5 ms，同時存儲器最大為256 B，現(xiàn)定義最大的數(shù)字為250，則有公式(3)：

定時器T1定時20 ms，定時器T0定時0.01 ms，在存儲器R3單元中放入立即數(shù)50并與定時器T0中斷次數(shù)相比較，當(dāng)定時器T0定時發(fā)生50次后即與R3相等，產(chǎn)生脈寬為0.5 ms，即為最小脈寬；當(dāng)在R3單元中放入立即數(shù)250并與定時器T0中斷次數(shù)相比較，當(dāng)定時器T0定時發(fā)生250次后即與R3相等，產(chǎn)生脈寬為2.5 ms，即為最大脈寬。
由此可知對存儲器R3不斷進(jìn)行加1操作，方波的脈寬可以從0.5 ms變化到2.5 ms,然后對立即數(shù)進(jìn)行減操作，方波的脈寬會減至0.5 ms，再進(jìn)行不斷的循環(huán)，產(chǎn)生脈寬在0.5 ms～2.5 ms不斷變化的PWM信號。這樣就能控制舵機(jī)在-90°～90°之間變化。由此，給出3個不同的存儲器R3、R4、R5來控制3個舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，讓3個存儲器的數(shù)值模擬正弦變化，就能夠?qū)崿F(xiàn)本文的波動推進(jìn)理論。
同時采用E18-D80NK漫反射式光電傳感器作為魚的左右眼睛，分別來判斷障礙。當(dāng)距離80 cm時就能檢測到障礙物，此時讓R3、R4轉(zhuǎn)動一定的角度，并且尾部舵機(jī)R5往復(fù)擺動，就能實(shí)現(xiàn)仿生魚的轉(zhuǎn)向。因此舵機(jī)在PWM控制下，由脈沖寬度的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，并可根據(jù)仿生魚的不同的運(yùn)動狀態(tài)，來調(diào)用不同的子程序。主程序流程圖如圖6所示。

4 仿生魚總調(diào)試和總結(jié)
在完成仿生魚裝配的基礎(chǔ)上對仿生魚運(yùn)動進(jìn)行調(diào)試。將魚體、控制電路板、供電電源整合在一起，并且在其表面裹上防水膠布，保證與水隔離。通過示波器觀察波形，調(diào)試過程中首先做到仿生魚運(yùn)動軌跡基本符合要求，接下來進(jìn)行微調(diào)。由于各個舵機(jī)絕對位置都有偏差，并且軟件定時不夠準(zhǔn)確，因此就要根據(jù)實(shí)際情況更改脈沖值，直至仿生魚運(yùn)動軌跡準(zhǔn)確。
下水實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)的第一點(diǎn)是靜態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)。由于魚體各個部位選用的材料不同，并受裝配電路板、舵機(jī)、電池等元件的影響，魚體的重心不易確定，因此把魚體放入水中，觀察后在適當(dāng)部位進(jìn)行配重，直至魚體靜止時在水中保持平衡。第二點(diǎn)就是動態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)，即魚體在運(yùn)動時保持運(yùn)動的穩(wěn)定性。動態(tài)平衡首先受靜態(tài)平衡的影響，因此在保證靜態(tài)平衡的條件下盡量滿足動態(tài)平衡。另一調(diào)節(jié)動態(tài)平衡就是通過程序控制，包括魚體運(yùn)動的頻率、幅度。實(shí)物效果圖如圖7所示。

通過反復(fù)進(jìn)行調(diào)整裝配與調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了仿生魚在水中的運(yùn)動狀態(tài)。但目前還沒有解決仿生魚在游動過程中的加減速的問題，實(shí)際上根據(jù)魚類推進(jìn)公式已經(jīng)制定出了加減速方案。本項(xiàng)目是大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，也是教師科研項(xiàng)目，該項(xiàng)目根據(jù)魚類的游動姿態(tài)，利用機(jī)電控制等對水下載體和作業(yè)裝備提供了新的設(shè)計(jì)思路。
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