【正文】 信號采集出錯，我們需要對pulseIn函數(shù)的返回值做有效性檢驗，即認(rèn)為大于2000的返回值是無效的，舍去不用。編碼器為增量式編碼器，只能記錄位置變化量，所以當(dāng)電機多次正反轉(zhuǎn)后，可能有積累誤差的出現(xiàn)，所以程序設(shè)定單片每電機運行半個周期（一次正反轉(zhuǎn)為一個周期）后讀取中位傳感器數(shù)據(jù)，并對增量式編碼器參數(shù)進行校正。增材加工選用的加工方法是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，使用的材料為光敏樹脂材料。原因分析：單片機需要對電機進行實施控制，包括正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速控制，由于調(diào)速采用調(diào)壓調(diào)速，所以對應(yīng)的單片機引腳只能通過調(diào)整PWM波的占空比來實現(xiàn)不同的電壓值，進而通過驅(qū)動器實現(xiàn)供給電機的不同電壓，以實現(xiàn)調(diào)速。將所有線路插接牢固后，故障排除。（6）安裝背鰭、尾鰭。然后把機器魚外殼拆開，將配重鉛皮放在魚殼內(nèi)部。采用速度最大的檔位，進行機器魚最快直游速度測試，機器魚總長度270mm，測試環(huán)境為長寬高分別為3m2m，水溫20℃。尾鰭尖端厚度僅為1mm，總質(zhì)量為16g。為了節(jié)省成本，更大的機器魚尾鰭采用PVC板手工裁剪的方法制作。機器魚修改程序后再次下水實驗，測試其前進速度。那么，單片機讀取兩個通道的信號并經(jīng)過濾波處理，即單片機將有200ms以上的控制滯后。 其他游動性能測試機器魚的前進速度達(dá)到要求后，對其密封效果、最大轉(zhuǎn)彎半徑、最大上浮/下潛速度做出測試，結(jié)果如下：（1）機器魚密封可靠，24小時連續(xù)時間浸泡無漏水發(fā)生。但本機器魚仍然存在一些亟待解決的問題，這也是后續(xù)研究需要探討的內(nèi)容。在整個畢設(shè)過程中，畢老師不辭辛勞，給予了我很多關(guān)鍵性的技術(shù)指導(dǎo)，同時也教給了我很多做人做事做學(xué)問的道理，讓我在短短的一個學(xué)期中有了很大的進步。減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高機器魚的轉(zhuǎn)彎靈活性可能要從模仿真實魚類的全柔性軀體入手，這是一個值得深入研究的問題。（a）黑色機器魚實物圖（b）紅色機器魚實物圖 機器魚實物圖結(jié)論本文以自然界中真實魚類尾鰭擺動模式的研究為基礎(chǔ)，按照功能仿生和形態(tài)仿生相結(jié)合的思路完成了機器魚的設(shè)計制作。因此，兩個控制板之間通信只需要傳遞以上7個狀態(tài)，理論上只要三位數(shù)據(jù)線即可完成，但是為了防止信號檢測出錯，轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)通道與速度控制通道分離，即各占兩位數(shù)據(jù)線，共需4位數(shù)據(jù)線即可完成通信。如果再加大尾鰭的面積，機器魚游動過程中艏搖將過大，游動姿態(tài)不穩(wěn)定也不美觀，所以若繼續(xù)增加機器魚的前進速度，有兩個可能的提高速度方法，1是提升尾鰭擺動頻率，2是使用新材料做尾鰭。 機器魚游速測實驗2 s測試1測試2測試3平均時間/s201920，故最大其游動速度v為 由實驗數(shù)據(jù)可知，機器魚換用新尾鰭后最大直線游動速度相比之前增加了1倍。分析原因大致有以下兩條：（1）尾鰭過渡段為光滑的過渡的曲面，在擺動過程中，由于其型面過渡光滑，水對其產(chǎn)生的阻力很小，即過渡段在擺動過程中，對水產(chǎn)生的反作用力也很小，即過渡段幾乎不能夠產(chǎn)生推進力，即尾鰭中實際產(chǎn)生推進力的部分只有尾鰭薄片段。 最大直游速度測試與改進。將機器魚尾鰭撥至與魚身共線位置，防止尾鰭的位置的歪斜導(dǎo)致機器魚整體在水中的歪斜，然后將機器魚放入水中，等其靜止后發(fā)現(xiàn)，未加配重的機器魚漂浮于水面，同時魚頭上翹，原因是未加配重時機器魚的排水量大于重力，同時由于電機、電池等零件布置靠后，導(dǎo)致重心靠后，所以頭部會上翹。（2）裝配胸鰭連接桿與尾鰭軸套，應(yīng)先將胸鰭連接桿，尾鰭軸套與對應(yīng)的鋁套裝配好，然后將其插入對應(yīng)的安裝孔中，然后將鋁套與外殼的縫隙中灌入AB膠，將鋁套與外殼粘緊，完成轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的密封。經(jīng)試驗，延時200ms，單片機內(nèi)部時鐘即可穩(wěn)定，讀取脈寬信號正常。 程序調(diào)試本節(jié)程序調(diào)試的目的在于檢測各硬件電路是否能夠正常工作，以及電機、舵機等是否能夠正常工作。同時，根據(jù)對應(yīng)的電路模塊特性編寫控制程序，以實現(xiàn)尾鰭直線巡游時的正弦擺動以及轉(zhuǎn)彎時的不對稱擺動。 式中：—角位移為φ時電機的工作電壓； —角位移為φ時的尾鰭角速度； —尾鰭的最大轉(zhuǎn)速； —電機的額定電壓，9V。 程序模塊劃分根據(jù)以上分析的單片機任務(wù)，將程序設(shè)計分為通信程序模塊和電機控制模塊。 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 程序設(shè)計 運動模式分析機器魚的游動模式有三檔速度的直線巡游，左右轉(zhuǎn)彎，上浮、下潛。同時由于接收機可以直接輸出控制舵機的PWM波，因此，舵機不再通過單片機控制，直接由遙控器控制，這種控制方式也減少了單片機的壓力。有線式需要在魚體后方拖拽一條導(dǎo)線，影響魚的運動與美觀。但是其尺寸較大，不適宜放入魚殼內(nèi)部。，電機的額定電壓是9V。裝配時，先將電池組1與骨架通過膠帶粘緊，將骨架裝入魚殼內(nèi)，然后再放入電池組2，并將其與魚殼粘牢。項目指標(biāo)要求機器魚續(xù)航時間t2h，除了電機耗電以外，還有控制板，電機驅(qū)動板、遙控器接收機、舵機以及穩(wěn)壓芯片等模塊的用電損耗，將整個機器魚的耗電功率按照兩倍電機功率估算，并取整為4W，則電池的容量為： 同時，為了便于機器魚防水密封，電池需安放在殼體內(nèi)部，電池拆裝不便，則要求電池可充電。背鰭分為前后兩片，前背鰭中有一方孔，用于安放開關(guān)，后背鰭固定于魚身上即可。 尾鰭模型尾鰭架與轉(zhuǎn)軸通過方孔配合定位，然后用緊定釘固定，尾鰭架的下端的的螺栓孔用于與尾鰭架組合件連接，尾鰭架組合件的另外一段加工有的通孔，與殼體上的圓柱凸臺配合，起到輔助支撐的作用。（2）格萊圈由一個抗磨的填充聚四氟乙烯（PTFE）環(huán)和O形橡膠密封圈組成。而電機、舵機均固定于骨架上，而機器魚骨架與外殼安裝固定時，即使配合表面同時作為機器魚外殼孔的尺寸的原始基準(zhǔn)，骨架軸安裝孔的原始基準(zhǔn)，電機的轉(zhuǎn)軸與外殼的孔中心同心度仍然不高，而且機器魚外殼用3D打印技術(shù)加工，加工精度一般，材料一般使用光敏樹脂，材料較軟，不耐刮擦，所以直接在殼體上開孔，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足密封要求。充電線、開關(guān)線、天線的引出孔根據(jù)接線端子的形狀確定，三個轉(zhuǎn)動密封孔設(shè)計為圓形，同時，為了便于骨架與外殼連接，在外殼上開了四個螺栓孔。根據(jù)以上設(shè)計分析。故去掉一個舵機，只采用一個舵機驅(qū)動兩片胸鰭，通過U型架來連接兩個胸鰭軸，使得舵機可以同時驅(qū)動兩片胸鰭的轉(zhuǎn)動。顯然，若使尾鰭自如擺動，則首先轉(zhuǎn)軸必須能夠自如轉(zhuǎn)動，這就要求上、下兩個銅套同心度要好。3224m21g選用減速比19:1的行星減速箱，加一級2:1的錐齒輪減速，驅(qū)動尾巴的扭矩可達(dá)95mN 錐齒輪傳動效率較高，傳動阻力較小，故可忽略（）中的；根據(jù)密封件廠家提供的數(shù)據(jù)，估計轉(zhuǎn)動密封件的阻力矩=20mN 曲柄搖桿機構(gòu)擺桿的動密封部分是一個扇形窗口，需要用到風(fēng)琴套。 驅(qū)動機構(gòu)的選擇確定驅(qū)動器為直流有刷電機，其輸出運動為圓周轉(zhuǎn)動，而機器魚尾鰭的運動方式為往復(fù)擺動。另外，新功能材料驅(qū)動的機器魚游速低，造價也高。唯獨擺動推進模式保持整個身體不動，只通過硬尾鰭如時鐘般的擺動來產(chǎn)生推力。3，硬件電路搭建和程序編寫。 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容須要指出，由于空間的限制，觀賞機器魚一般以小型為宜。前側(cè)魚鰭控制機器魚沉浮。隨著電子技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展，機器魚的設(shè)計越來越成熟，以下對小型機器魚的研究現(xiàn)狀做一個簡單的綜述[3,4,5]。關(guān)鍵詞：機器魚，觀賞型，遙控，尾鰭推進Design and Research on a Biomimetic Robotic Fish with Singlejoint Actuation Propelled by Caudal finAuthor: Tutor: AbstractImitating the style of the motion of fish mail in nature, this paper design and develop a single joint tail finpropelled small robotic fish system. To meet the design specifications of the premise, it has a certain manmachine which is interactional and ornamental.The whole design process is divided into mechanical design, software and hardware design. The threedimensional design software Solidworks is used for mechanical structural modeling, interference check and motion simulation tests. Arduino integrating development environment is used for piling and writing controlling procedures and hardware circuit board is selected to plete motor control, remote munications and other tasks.After repeated experiments optimization, the high propulsive efficiency tail fin is designed at last and maximum sailing speed, radius of turning circle ,the maximum floating and diving speed of robotic fish under the promote of caudal fin is tested. At the same time, we use the appropriate choice of remote munication technologies to achieve free remote control of the machine fish when the depth of the water is certain.Additionally, the robot fish shell is landscaped and other items are tested, such as immersion test that under water for a long time and the test of the continuation of the journey. Testing shows that all items meet the requirements. Key words: Robotic fish, Ornamental, Remote control, Caudal fin propulsion目 錄1 緒論 1 課題背景及目的 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 1 國內(nèi)研究概況 2 課題研究方法 3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 32 機器魚機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 魚類推進機理分析 5 驅(qū)動器的選擇 5 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 6 驅(qū)動器的選型 8 電機的選型 8 舵機的選型 10 整體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 11 尾鰭驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 11 胸鰭驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 12 機器魚的外殼設(shè)計 13 外形設(shè)計 13 殼內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 密封設(shè)計 16 尾鰭設(shè)計 18 其他附件設(shè)計 18 美觀扣件設(shè)計 18 背鰭設(shè)計 19 本章小結(jié) 193 硬件電路設(shè)計與程序編寫 21 硬件電路設(shè)計 21 供電系統(tǒng)設(shè)計 21 電機驅(qū)動模塊選型 23 遙控器的選擇 24 主控板選擇 25 程序設(shè)計 26 運動模式分析 26 程序編寫工具 26 程序模塊劃分 27 本章小結(jié) 294 零部件裝配及調(diào)試 30 機械結(jié)構(gòu)裝配調(diào)試 30 程序調(diào)試 30 系統(tǒng)總裝配調(diào)試 32 機器魚配重 32 最大直游速度測試與改進 33 其他游動性能測試 38 本章小結(jié) 39結(jié)論 41致謝 42