【正文】 5）可以用提供的人機(jī)界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘和串口通信等的調(diào)試； （ 6）有向量中斷功能； （ 7）有 CAT1025 自帶的復(fù)位功能； （ 8）使用鎖存器 74HC595 芯片，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受功能； （ 9）自帶 a/d 轉(zhuǎn)換功能，可以進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換； （ 10）具有 6 路 PWM 波，可以利用占空比控制輸出； （ 11）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的 MODEM 通訊； （ 12）可以對(duì) SD 進(jìn)行讀寫(xiě)操作； （ 13）可以通過(guò) USB 進(jìn)行串口通信； （ 14）具有看門口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 （ 3）內(nèi)部共有 37 個(gè)用戶可以看見(jiàn)的寄存器。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)的內(nèi)存大小為 128B， 52 系列的有 256B 的 RAM。 51 系列的主要產(chǎn)品 ： （ 1） Intel 公司的主要產(chǎn)品有： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80C5 87C52 等； （ 2） ATMEL 公司的主要產(chǎn)品有： STC89C5 STC89C5 STC89C2051 等； （ 3）諸如此類的公司 Philips 公司、華邦公司、 Dallas 公司、 Siemens 等公司的許多產(chǎn)品。 10 圖 27 蛇的蠕動(dòng)圖 28 眼鏡蛇式運(yùn)動(dòng) （ 4）橫波運(yùn)動(dòng) 大多數(shù)蛇利用這種運(yùn)動(dòng)方式，身體的每一部分都非常成功的經(jīng)過(guò)地面上的同一點(diǎn)，沒(méi)有靜止的接觸。 0)( ?zX (21) )]ψ/λ/(π2[)( ++= TtxA S inzY (22) 假定機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)沿生成的軌跡運(yùn)動(dòng)，則可用“截圓法”求取各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采 用縱波形式的超聲波。 2 超聲波的物理性質(zhì) 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射過(guò) 13 圖 213 反射及折射圖 界面 ，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖213 所示。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。 因?yàn)? 15 超聲波的速 度還 與溫度有關(guān) 系 ， 就必須考慮溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響，但就一般情況而言，我們所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都在室溫下 進(jìn)行， 溫度 的 變化 相對(duì)來(lái)說(shuō) 不大， 我們 可 以 認(rèn)為 溫度對(duì) 聲速 的影響 基本 保持 不變 ，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，也證實(shí)了這一點(diǎn) 。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，由于選擇了 8 位定時(shí)器，共可以計(jì)數(shù) 2^8=256 次，那么當(dāng)要達(dá)到的精度是毫米級(jí)是，那么算法公式就變成了 25610101003401000 6 247。 表 22 無(wú)線遙控引腳說(shuō)明 名稱 管腳 說(shuō) 明 A0A11 1 1013 地址管腳 ,用于進(jìn)行地址編碼 ,可置為 “0”,“1”,“f”(懸空 ), D0D5 7 1013 數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為 “1”即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉 Vcc 18 電源正端（＋） Vss 9 電源負(fù)端（－） TE 14 編碼啟動(dòng)端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效； OSC1 16 振蕩電阻輸入端，與 OSC2 所接電阻決定振蕩頻率； OSC2 15 振蕩電阻振蕩器輸出端； Dout 17 編碼輸出端（正常時(shí)為低電平） 圖 214 4 路遙控引腳 圖 215 遙控時(shí)序圖 PT2262/PT2272 工作原理： PT2262IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有 “1”、 “0”和 “開(kāi)路 ”三種狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入有 “1”和 “0”兩種狀態(tài)。如果使用電源電壓較低（如 3V），二極管應(yīng)選用低壓差的型號(hào)（如 1N60 等），工作原理相近 。 NRF905 有兩種節(jié)能模式和兩種工作模式，分別為掉電模式、待機(jī)模式、 ShockBurst 接收模式和 ShockBurst 發(fā)送模式。 MCU 對(duì) SPI 總線進(jìn)行讀操作時(shí)，先把 CSN置低，然后在 MOSI 數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)表示讀命令的字節(jié)，與此同時(shí)， nRF905 會(huì)在 MISO數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一個(gè)地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。 因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時(shí)，總是從電刷 B 流出的方向。 PWM 調(diào)脈寬方式： 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。 21 3 蛇體的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)是在材料選擇、結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，加之各傳感器模塊，來(lái)檢測(cè)實(shí)時(shí)的信息，同時(shí)就蛇體而言 ，它自身也處于不斷地運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故需適時(shí)加以控制，本節(jié)將介紹蛇形機(jī)器人各部件的聯(lián)系及其控制。 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式： 方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 直流電機(jī)的原理 19 圖 218 直流電機(jī)內(nèi)部原理圖 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。 NRF905 有 3 個(gè)引腳用于狀態(tài)輸出，分別是： CD(載波檢測(cè) )、 AM(地址匹配 )DR(數(shù)據(jù)就緒 )，均為高電平有效。其中發(fā)射芯片 PT2262IR 將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得非常簡(jiǎn)潔。其編碼時(shí)序波形如圖所示。= tS 。超聲波測(cè)距 系統(tǒng) 適 合 于精 確 度 相對(duì)較高 的中長(zhǎng)距離 的 測(cè)量 ，本次設(shè)計(jì)測(cè)距的范圍是 0 到 255 厘米，而超聲波最小可以測(cè)得的距離是 厘米，最大測(cè)的距離為 255 厘米，恰巧滿足此次條件 。從上式看出，當(dāng) d=0 或 d=λn（ n 為整數(shù)）時(shí)，合成振幅 r? 達(dá)到最大值；當(dāng) d= ,...)5,3,1(2λ =nn 時(shí)，合成 振幅 r? 為最小值 。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由 (27)、 (28)兩式求得： 1121122ρ2ραcosβcosρραcosβcosccccR+= (27) 11221122ρρβcosαcosρρ2ccccT+= (28) 式中： β,α —— 分別為聲波的入射角和反射角； 2211 ρ,ρ cc —— 分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中 21,cc 為反射波和折射波的速度。超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。 圖 211 起始位置 圖 212 末了位置 通過(guò)編寫(xiě)程序，設(shè)定周期離散數(shù) 36，我們得到了一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)的角度數(shù)據(jù)， 11 數(shù)據(jù)為 36 個(gè)角度值，其余關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)與此關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)是一樣的，只是有相位差而已，如表 21 所示。比較適用于凸凹不平的地面。 5 1 單 片 機(jī)液 晶 顯示上 位 機(jī)超 聲 波 測(cè)距9 0 5 無(wú)線 傳 輸 9 圖 24 51 單片機(jī)控制框圖 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的算法實(shí)現(xiàn) 蛇的運(yùn)動(dòng)方式： （ 1）婉蜒運(yùn)動(dòng) 所有的蛇都可以以這種方式向前爬行。 8 （ 4）總共有專用 寄存器 21 個(gè) 。 （ 4）定時(shí)計(jì)數(shù)器、脈寬調(diào)制器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。分為 P0[31:0]和 P1[31:16],其中， 沒(méi)有使用， 僅僅作為輸出口使用。最后，深入的掌握蛇型機(jī)器人的執(zhí)行模型，從 理論上 為蛇形機(jī)器人作出分析與設(shè)計(jì) 主控制器 本次設(shè)計(jì)的主控制器是 LPC2131 控制舵機(jī)、直流減速電機(jī)、無(wú)線遙控以及紅外避障，51 單片機(jī)主要控制液晶顯示、 NRF905 和超聲波，現(xiàn)將它們分別介紹如下?，F(xiàn)主要從以下方面進(jìn)行介紹： 本論文總共包括四章內(nèi)容，各個(gè)章節(jié)的順序參照設(shè)計(jì) 工程中 工作 流程 方法 ， 其 大致安排如下： 第二章 ：主控制器簡(jiǎn)介和各模塊理論。而對(duì)于紅外遙控，當(dāng)前面 30CM 范圍有障礙物時(shí)，電平被拉低，輸送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送指令給 ARM 控制直流減速電機(jī)左轉(zhuǎn)，避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)其功能。近來(lái)，大家對(duì)仿生學(xué)的興趣空前上漲，而仿生機(jī)器學(xué)也隨之而受到在機(jī)器人領(lǐng)域的特別關(guān)注，對(duì)于地震、雪災(zāi)、泥石流、海嘯、火山、有毒氣等危險(xiǎn)的地方和一些地面障礙物比較多、崎嶇不平、以及狹窄難以通過(guò)的地形及環(huán)境，類似于蛇形機(jī)器人的機(jī)器有相當(dāng)大的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，可以滿足各種各樣的需求。 自從東京大學(xué)的教授研制成功了世界上首例蛇形機(jī)器人之后，迄今為止，蛇形機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)成為仿生學(xué)機(jī)器人研究過(guò)程中不可或缺的一部分了。這些機(jī)器人的出現(xiàn)并逐步應(yīng)用，使我們能強(qiáng)烈地感受到機(jī)器人應(yīng)用范圍之廣、影響程度之深，并且機(jī)器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來(lái)，向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方向發(fā)展。蛇的 執(zhí)行 部分主要有直流減速電機(jī) 和 MG955 舵機(jī) 。蛇形機(jī)器人分為四個(gè)模塊：電源、控制 器 、機(jī)械模塊和無(wú)線傳輸模塊。工業(yè)生產(chǎn)中的用力進(jìn)行超精密加工的并聯(lián)機(jī)器人，海洋勘探領(lǐng)域中的水下機(jī)器人，太空探索領(lǐng)域中的行星探測(cè)器如美國(guó)的火星車流水線上代替人工的工業(yè)機(jī)器人，類人機(jī)器人和仿生機(jī)器人。 如果開(kāi)發(fā)出多臺(tái)分散的自律機(jī)器蛇，群體協(xié)調(diào)動(dòng)作，這樣不但可以在單純作業(yè)的場(chǎng)合通過(guò)多臺(tái)機(jī)器蛇的并列處理來(lái)提高工作效率，還能減少局部故障對(duì) 整體的影響，并且 2 在開(kāi)發(fā)時(shí)逐漸擴(kuò)展系統(tǒng)，也比較容易使機(jī)器蛇的各關(guān)節(jié)連在一起，后為確保整體的協(xié)調(diào)性需要采用分布式并行計(jì)算機(jī)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制軟件利用從各種傳感器得到的信息控制其運(yùn)動(dòng)使它躲避障礙物或越過(guò)崎嶇的地形。中科院開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)金也開(kāi)始了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究，并在可重構(gòu)思想的基礎(chǔ)之上提出一種新型的結(jié)構(gòu)；國(guó)防科技大學(xué)也研發(fā)了屬于自己的蛇形機(jī)器人，而且可以在水中實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，雖然蛇形機(jī)器人的研究在我國(guó)起步比較晚，但發(fā)展速度之快， 前所未有。同理，對(duì)直流減速電機(jī)進(jìn)行輸出控制，實(shí)現(xiàn)蛇身的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)充一個(gè)自由度，繼而實(shí)現(xiàn) 3 維運(yùn)動(dòng)。 4 本文的結(jié)構(gòu)安排 本課題以 LPC2131 和 STC51 單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)蛇 形搜尋機(jī)器人。然后，介紹下生物蛇運(yùn)動(dòng)的思想和各模塊的運(yùn)行原理。 LPC2131 的主要部分： （ 1） LPC2131 開(kāi)發(fā)板總共有 47 個(gè) GPIO 口。其中 31 個(gè) 32 位的寄存器， 6 個(gè)狀態(tài)寄存器。 （ 3）總共有 32 條 I/O 口線，指令有 111 條，其中大部分是單字節(jié)的指令 。 外圍電路 框圖 如圖 24 所示。肌肉的收縮與伸長(zhǎng)形成的波從頭傳遞到尾部。再利用余弦定理求取關(guān)節(jié)角 ，如圖 21 212 所示 。 超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成 的。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖 213 所示。若以兩個(gè)頻率相同，振幅 1? 和 2? 不等，波程差為 d 的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為 212122211 )λπ2c osξξ2ξξ(ξ d++= ， 其中 ? 為波長(zhǎng)。 但在某些情況下， 如果 所要 測(cè)的 距 離的 精度要求 非常 高， 就必須采用 溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?來(lái)對(duì)此進(jìn)行 校正 ，盡可能的減小誤差，以滿足要求 。247。由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端 Dout 輸出，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。 圖 217 PT2272 接收電路 PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射 /接收芯片 ，如圖 217。這幾種 模式由主控 MCU 通過(guò)控制 NRF905 的 3 個(gè)引腳 PWR_UP、 TRX_CE 和 TX_ EN 的高低電平來(lái)決定。在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)比較簡(jiǎn)單， MCU 先把 CSN 拉低，然后在 MOSI 線上輸出寫(xiě)命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用 單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 蛇身的整體設(shè)計(jì)及選型 蛇的機(jī)械外殼結(jié)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的依托，說(shuō)先介紹下結(jié)構(gòu)的選擇并進(jìn)行生物蛇運(yùn)動(dòng)的模擬： 機(jī)械材料的選擇 （ 1）鋁合金： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易變形； 缺點(diǎn)：質(zhì)地較硬，難以加工安裝，材料昂貴，伸張性難以準(zhǔn)確把握； （ 2）亞克力板： 優(yōu)點(diǎn)：重量小，易于加工，操作方便； 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，脆性太差，容易松動(dòng)，不適合高溫寒冷天氣，難以固定； （ 3）給水管子 UPVC