【正文】 參考文獻(xiàn) 43北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 44 頁1 緒論 課題背景及目的在能源日益短缺的今天，各國都在尋找提高能源利用效率的方法。 Ⅳ、主要參考資料：[1][J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2007, 35(11):117121. [2]劉軍考,[J].機(jī)器人,2000,22(5):427432 . [3]——魚類推進(jìn)機(jī)理[J].機(jī)器人ROBOT,2002,24(2):107112. [4] ——小型實(shí)驗(yàn)機(jī)器魚的研制[J].機(jī)器人ROBOT,2002,24(3):234239. 機(jī)械工程及自動化 學(xué)院（系） 機(jī)械制造 專業(yè)類 班學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時間： 2013 年 3 月 4日至 2013 年 6 月 11 日答辯時間： 年 月 日成 績： 指導(dǎo)教師： 兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）： 系（教研室） 主任（簽字）： 注：任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的首頁。：（1）完成前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎和上浮下潛；（2）用遙控器控制，三檔調(diào)速；（3）電池可充電。完成需加工零件的二維圖紙，并完成零部件加工。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，最終開發(fā)出較高推進(jìn)效率的尾鰭，并測試高效尾鰭推進(jìn)下機(jī)器魚的最大航行速度、轉(zhuǎn)彎半徑、最大上浮/下潛速度等性能指標(biāo)，同時選用合適的遙控通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚在一定水深范圍內(nèi)的自由遙控控制。與人工的水中或水下航行器相比，魚類的游動具有推進(jìn)效率高、隱蔽性好、機(jī)動性好等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。 PF300機(jī)器魚 2. 2003年，英國Essex大學(xué)機(jī)器魚課題組開始研制一系列機(jī)器魚，主要工作集中在實(shí)現(xiàn)仿魚游動，特別是非穩(wěn)定游動方面。主要研究思路是首先提出總體方案，根據(jù)性能指標(biāo)參數(shù)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對電機(jī)等部件進(jìn)行選型，然后展開設(shè)計(jì)。本論文試圖通過對魚類體型與運(yùn)動模式的生物學(xué)仿真，設(shè)計(jì)并制作小型機(jī)器魚的本體，再配以控制系統(tǒng)軟硬件、裝配調(diào)試、下水實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，積累小型仿生機(jī)器魚制作方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。就推進(jìn)機(jī)理而言，根據(jù)魚類游動動力的產(chǎn)生部位不同，可以分為兩類[6]：（1）大多數(shù)的魚類通常是通過扭動身體并同時擺動尾鰭的方式來產(chǎn)生推進(jìn)力，向前運(yùn)動的，稱此為BCF（Body and Caudal Fin）運(yùn)動模式；（2）另一些魚類，則是通過中間鰭和對鰭的運(yùn)動來產(chǎn)生推進(jìn)力的，稱此為MPF（Middle and Pectoral fins）運(yùn)動模式。為了能夠選擇合適的驅(qū)動器，首先需要對各種驅(qū)動方式的優(yōu)劣加以比較。直流電機(jī)又可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，后者無需電刷結(jié)構(gòu)，壽命長，輸出力矩大。 電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，電機(jī)通過一級2:1錐齒輪減速后直接帶動尾鰭的實(shí)現(xiàn)位置1與位置2之間的往復(fù)擺動。另外轉(zhuǎn)動副個數(shù)越多，機(jī)構(gòu)的可靠性越低?？梢杂?jì)算中位全速擺動時，寬度為微段的尾鰭薄片所受水阻力為 該阻力對Z軸的轉(zhuǎn)矩為 于是整個尾鰭薄片對Z的轉(zhuǎn)矩為 式中x1=20mm,x2=70mm。選用ES08A銀燕舵機(jī)。夾角，因而選用圓錐直齒輪來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的傳遞。但是對于骨架以及電機(jī)固定板這兩個零件的兩個安裝銅套的孔的位置尺寸精度要求較高。因此在U型架中，與舵盤配合面上加工的子口，用于定位，只要保證子口與胸鰭軸安裝孔同軸度，則可保證靠近舵盤一側(cè)的胸鰭軸與舵機(jī)出軸的同軸度，而另外一側(cè)的胸鰭軸的安裝孔則靠U型架的加工精度保證其與舵機(jī)軸的同心度。選取與X軸垂直的截面作為分型面的原因是分型面形狀近似圓形，較為規(guī)則，方便使用O型圈密封，或者使用膠密封。魚身內(nèi)部設(shè)有安裝槽，用于骨架的定位，保證骨架上各軸中心線與外殼上孔的相對位置。 尾鰭設(shè)計(jì)單關(guān)節(jié)機(jī)器魚的前進(jìn)動力全部由尾鰭提供，而尾鰭能夠產(chǎn)生的推力大小與其形狀，大小、材質(zhì)等特性有密切關(guān)系，因此，為了能夠在機(jī)器魚樣機(jī)搭建成功以后做多組不同尾鰭的實(shí)驗(yàn)，本機(jī)器魚樣機(jī)中設(shè)計(jì)了一個尾鰭架。裝配時，上下兩個美觀扣件通過螺栓分別與尾鰭固定在一起。 機(jī)器魚三維模型裝配圖3 硬件電路設(shè)計(jì)與程序編寫 硬件電路設(shè)計(jì) 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器魚中需要供電的硬件有電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動板，舵機(jī)、遙控器接收機(jī)、單片機(jī)， 各模塊工作電壓需求情況表需供電模塊名稱工作電壓范圍電機(jī)額定電壓9V電機(jī)驅(qū)動板舵機(jī)遙控器接收機(jī)單片機(jī)512V電池供電電壓要求：電機(jī)的額定電壓為9V，考慮到穩(wěn)壓芯片的壓降以及電池在使用過程中其輸出電壓會隨使用時間的增長而下降。綜上分析，電池只能布置于魚身的中下部。鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染?？紤]到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件以及價格因素，選用串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片來提供兩種不同的電壓，5V用于給單片機(jī)和接收機(jī)、舵機(jī)供電，9V用于給電機(jī)驅(qū)動板、電機(jī)供電。L9110芯片的工作特性如下：低靜態(tài)工作電流；寬電源電壓范圍：；每通道具有 800mA 連續(xù)電流輸出能力；較低的飽和壓降；TTL/CMOS 輸出電平兼容，可直接連 CPU；輸出內(nèi)置鉗位二極管，適用于感性負(fù)載；控制和驅(qū)動集成于單片 IC 之中；具備管腳高壓保護(hù)功能；工作溫度：0℃80℃。遙控器分為發(fā)射器與接收機(jī)，采用比例遙控控制，發(fā)射器與接收機(jī)通過PPM（Pulse Position Modulation）信號實(shí)現(xiàn)通信。其中接收機(jī)與舵機(jī)相連，提供電源和轉(zhuǎn)動信號，電機(jī)驅(qū)動板與電機(jī)相連，完成電機(jī)的驅(qū)動任務(wù)。Arduino語言是建立在C/C++基礎(chǔ)上的編程語言，把AVR單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化，用戶可以不用去了解他的底層。2 、電機(jī)控制程序模塊對自然界真實(shí)魚類的分析可知，其尾鰭的擺動，并不是勻角速度擺動，而是以正弦方式擺動[7]，即 式中：φ—以中位作為起點(diǎn)的角位移；—尾鰭在中位時的角速度；—角位移為φ時的尾鰭角速度。同時，必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，本文中應(yīng)用的電機(jī)控制方法，屬于在編碼器反饋下的位置控制，即存在一個位置閉環(huán)反饋。對于機(jī)加工零件而言，由于機(jī)加工技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只要圖紙要求合理，同時零件按照圖紙要求的加工，零件幾乎不會出現(xiàn)不合格的情況。單片機(jī)輸出PWM波需要定時器一直處于計(jì)時狀態(tài)，同時單片機(jī)需要實(shí)時讀取碼盤信號，由于單片機(jī)資源有限，較大的控制任務(wù)導(dǎo)致的單片機(jī)的內(nèi)部時鐘紊亂，進(jìn)而單片機(jī)的對外部脈寬的時間測量出現(xiàn)了錯誤。 系統(tǒng)總裝配調(diào)試 機(jī)器魚配重程序調(diào)試成功后，進(jìn)入總裝配階段，即內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)與外殼裝配階段。確認(rèn)機(jī)器魚的密封良好后，等待30min至膠的自然晾干，然后進(jìn)行機(jī)器魚的配重調(diào)整。但是，鉛皮在魚殼外部時，由于其本身具有一定體積，所以鉛皮會受到一定浮力，所以其所受浮力等于其重力的1/。 機(jī)器魚測試環(huán)境最大直游速度測試方法，通過記錄機(jī)器魚游動2m所花費(fèi)的時間，進(jìn)而計(jì)算出其最大速度。尾鰭薄片的Y向投影面積不變，： 新尾鰭形狀分析圖用新的尾鰭代替舊的尾鰭，裝配于機(jī)器魚上，由于機(jī)器魚的總重量、體積均發(fā)生變化，所以需要對機(jī)器魚的配重重新調(diào)整，但是尾鰭的材質(zhì)為樹脂材質(zhì)，所以對機(jī)器魚整體的配重情況影響不大，只需在尾部稍稍增加幾克鉛皮即可。機(jī)器魚的游動2m。但是，由于機(jī)器魚游速較低，設(shè)計(jì)速度30mm/s，而200ms的滯后意味著機(jī)器魚只有6mm的位移偏差，而本機(jī)器魚不需要精準(zhǔn)的位置控制，所以200ms的延時可以接受，并且能夠保證信號采集的準(zhǔn)確性。這也證明了格萊圈、704硅橡膠、安特固AB膠的密封可靠性；（2），其轉(zhuǎn)彎半徑R=200mm；（3）最大下潛速度為30mm/s；（4）最大上升速度為35mm/s。機(jī)器魚游動過程中，艏搖問題比較嚴(yán)重，不但導(dǎo)致游動尚欠穩(wěn)定，且產(chǎn)生較大的游動阻力，不利于機(jī)器魚速度的提升。祝那些幫助過我，關(guān)心過我的人身體健康，一切順利！參考文獻(xiàn)[1] ,. Undersea Propulsion Historical Overview. Sea Technology. December 1992.[2] , . An efficient swimming machine. Scientific. 1995,272(3):6470P.[3] Shuxiang Guo, Yuya OKUDA, Kinji Asaka. A New Type of FishLike Underwater Microrobot. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. March 2003:48814886[4] Huosheng Hu, Biologically Inspired Design of Autonomous Robotic Fish at Essex. Sheffield: IEEE SMC,2006.[5] 蘇玉東，葉秀芬，[J]. ROBOT, 2010,32(2):262270.[6] . “The biology of fish swimming” in Mechanics and physiology of animal swimming. Cambrige: University Press. 1994:4562P[7]——魚類推進(jìn)機(jī)理[J].機(jī)器人ROBOT,2002,24(2):107112. 。機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎半徑相比真實(shí)魚類偏大，反映機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎尚不夠靈活。機(jī)器魚體積，續(xù)航時間等要求上全部滿足。同時轉(zhuǎn)彎通道只需要3個狀態(tài)，即左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)。為了解決以上問題，我們提出解決方案如下：由于一塊控制板資源不足，我們選用兩塊控制板，一塊用于與接收機(jī)通信，一塊用于輸出控制電機(jī)用的方波信號，然后通過一定方法實(shí)現(xiàn)兩塊控制板的通信，則可以完成上文中提到的無延遲控制任務(wù)。 機(jī)器魚游速測試實(shí)驗(yàn)3 s測試1測試2測試3平均時間/s131213，故最大其游動速度v為 即更換了更大面積的尾鰭后，機(jī)器魚的最大前進(jìn)速度又有所提升，但是仍未達(dá)到要求。在機(jī)器魚的配重調(diào)整完畢后，再次做尾鰭推進(jìn)性能的實(shí)驗(yàn)，即仍然測試機(jī)器魚的最大直線巡游速度，機(jī)器魚的游動2m。 機(jī)器魚游速測試實(shí)驗(yàn)1 s測試1測試2測試3平均時間404042，故最大其游動速度v為 顯然該速度沒有達(dá)到項(xiàng)目要求，即200mm/s。機(jī)器魚配重完成后，將機(jī)器魚再次裝配并放入水中，觀察其靜態(tài)下的配重情況，發(fā)現(xiàn)機(jī)器魚恰好配平，即機(jī)器魚以水平姿態(tài)懸浮在水中?？梢韵胂蟮剑⌒蜋C(jī)器魚對配重大小的敏感性極高，因此，掌握這個技術(shù)環(huán)節(jié)很關(guān)鍵，而且必須小心地調(diào)試。（1）將信號線從魚身上的信號線引出孔拉出，開關(guān)線從開關(guān)線孔穿出，然后將內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，裝入魚身，并用4個螺栓（前后各兩個）固定。解決方法：在讀取接收機(jī)信號之前，增加一個延時語句，讓單片機(jī)延時一段時間，讓其內(nèi)部時鐘穩(wěn)定下來，再去讀取信號。但是樹脂材料材質(zhì)較軟，不耐磨，鉗工休整比較容易，因而樹脂件的休整很快完成。 本章小結(jié)本章完成了機(jī)器魚硬件電路設(shè)計(jì)，主要是借助Arduino硬件開發(fā)平臺選用合適的電路模塊進(jìn)行電路硬件搭建。通過編碼器可以獲得電機(jī)角位移參數(shù)φ，反解出的值，設(shè)