【導讀】電一體化仿生設(shè)備。用遙控器控制，三檔調(diào)速；電池可充電。300mm×100mm×150mm；最大前進速度200mm/s；最大下潛深度。500mm；續(xù)航能力2h；轉(zhuǎn)彎半徑≤400mm。[1]于凱.仿魚推進的實驗研究[J].華中科技大學學報,2020,35:117-121.成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本文借助三維設(shè)計軟件Solidworks. 譯環(huán)境，編寫控制程序，并選用配套硬件電路板完成電機控制、遙控通信等任務(wù)。技術(shù)，實現(xiàn)了機器魚在一定水深范圍內(nèi)的自由遙控控制。測試表明，所有功能和性能均滿足設(shè)計要求。

　　

【正文】 要光固化成型加工的零件繪制了 STL 格式的圖形文件，并全部交付加工。 機器魚的三維模型裝配圖如圖 所示。 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 20 頁 圖 機器魚三維模型裝配圖 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 21 頁 3 硬件電路設(shè)計 與程序編寫 硬件電路 設(shè)計 供電系統(tǒng)設(shè)計 機器魚中需要供電 的硬件 有電機，電機驅(qū)動板，舵機、遙控器接收機、 單片機 ，各模塊的工作電壓見表 表 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 額定電壓 9V 電機驅(qū)動板 舵機 遙控器接收機 單片機 512V 電池供電電壓 要求： 電機的額定電壓為 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。因此，選用的電池輸出電壓應(yīng)該 12V 左右 。 電池容量要求： 根據(jù)電池電量計算公式： PtC U?? () 式中， C—電池容量 ； P—電池供電功率 ； U—電池輸出電壓 ； t—放電時間 。 項目指標 要求機器魚續(xù)航時間 t2h，同時電機功率為 ，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 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 22 頁 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： 42 0 . 6 6 7 6 6 712P t W hC A h m A hUV??? ? ? ? ? ? () 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。 綜上，電池選用輸出電壓 12V，容量 730mA h? 電池。其中電池的材質(zhì)沒有要求，即可充電鎳氫、鎳鎘、鋰電池均可 。 就目前的技術(shù)水平而言，充電電池做到 12V， 730mA h? 非常容易，但其形狀一般為規(guī)則的長方體，如 圖 所示 （ a） 鎳氫電池 （ b） 鋰電池 圖 通用電池形狀 根據(jù)機器魚的仿生設(shè)計要求，機器魚外殼為光滑的曲面，而非 規(guī)則的長方體。 同時，骨架上端雖然不安放零件，剩余很大空間，但是電池一般較重，放到魚體的上部會使其重心上移，不利于其穩(wěn)定性。 綜上分析，電池只能布置于 魚身 的中 下 部。但是，由于市場中所 現(xiàn)有的 電池形狀不適宜放入曲面外殼中，因而我們決定自己按照魚殼外形設(shè)計制作一套電池組。電池組 由10 節(jié) 7 號 充電電池 拼裝 ，尺寸為 ?? ， 電池組的外形如圖 所示 電 機 電 池 組 1電 池 組 2 圖 電池形狀說明 電池組 1 的電池單元環(huán)繞電機布置，但是空間有限，只能布置 7 節(jié)，剩余 3 節(jié)電池組成電池組 2，置于電池組 1 前，然后用導線將 10 節(jié)電池單元串聯(lián)起來，組成一個 12V的電池組，每節(jié)電池單元電池容量為 900mAh，所以整個電池組的容量為 900mAh。 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 23 頁 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。 電池單元可選用鎳氫電池，鎳鎘電池，鋰電池。 鎳鎘電池可重復 500 次以上的充放電，經(jīng)濟耐用。其內(nèi)部抵制力小，既內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。 但是其 最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當，會出現(xiàn)嚴重的 “記憶效應(yīng) ”， 使得服務(wù)壽命大大縮短。 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。 鋰離子電池是目前比較先進的電池，它具有能量密度高的特性，因此 鋰電池具備重量輕、體積小、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，但對充電要求很高，需要專用的充電器，過充電可能會導致漏液和爆炸，并且價格較貴。 綜上比較可知，鎳氫電池性能優(yōu)越，價格便宜，與其他兩種充電電池相比，屬于性價比最高的電池，而且充電方便，因而選用鎳氫電池單元作為供電電池組的基本單元。 單片機的供電電壓是 ，舵機的供電電壓是 以上，電機的額定電壓是 9V。鎳氫電池的特點是電池剛充滿時電壓很高，當電量將耗盡時電壓較低，存在電壓不穩(wěn)定的問題。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。 穩(wěn)壓芯片根據(jù)工作 原理主要有兩種類型：串聯(lián)型穩(wěn)壓和 DCDC 穩(wěn)壓。串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片一般需要有 以上的壓降才能正常工作，并且能耗比較大，不過穩(wěn)壓后的電壓平穩(wěn)無雜波，且芯片價格便宜；而 DCDC 型穩(wěn)壓基本沒有壓降，能耗少，但穩(wěn)壓后的電壓有輕微的高頻干擾，并且芯片價格稍貴。 考慮到現(xiàn)有實驗條件以及價格因素，選用串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片來提供兩種不同的電壓，5V 用于給單片機和接收機、舵機供電， 9V 用于給電機驅(qū)動板、電機供電。 電機驅(qū)動 模塊選型 方案一：采用 L298N 模塊驅(qū)動， L298N 是專用驅(qū)動集成電路，屬于 H 橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為 2A，最高電流 4A，最高工作電壓 50V，可以驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 24 頁 片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。 但是其尺寸較大，不適宜放入魚殼內(nèi)部。 方案二： 采用 L9110 模塊驅(qū)動， L9110 是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件 。該芯片有兩個 TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性。同時該驅(qū)動模塊較小，適宜放入魚殼內(nèi)部。 基于上述分析我們選擇方案二。 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，適用于感性負載；控制和驅(qū)動集成于單片 IC 之中；具備管腳高壓保護功能；工作溫度： 0℃ 80℃ 。 芯片引腳功能與應(yīng)用電路圖如下： 表 L9110芯片引腳功能 序號 符號 功能 1 OA A 路輸出管腳 2 VCC 電源電壓 3 OB B 路輸出管腳 4 GND 地線 5 IA A 路輸入管腳 6 IB B 路輸入管腳 正 轉(zhuǎn) 信 號反 轉(zhuǎn) 信 號直 流電 機V C CL 9 1 1 0G N DI AI BO BO A 圖 應(yīng)用電路圖 遙控器的選擇 因為本設(shè)計是一種觀賞型機器魚， 對人機互動性 有一定的需求，所以要求機器魚具有可遙控性 。 其 遙控功能的實現(xiàn)可以通過有線或者無線的方式。有線式需要在魚體后方拖拽一條導線，影響魚的運動與美觀。所以， 本文中采用無線遙控 。 目前，比較成熟的遙控方式有很多，但是 本機器魚的無線通信 只需控制魚的游動姿 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 25 頁 態(tài)，所以信號 只需單向傳輸即可， 但要求信號具有一定的水下傳輸能力，所以選用成熟的航模遙控器進行遙控。控制任務(wù)為 機器魚的前進啟停，轉(zhuǎn)彎，上浮下潛，僅需要遙控器 3 通道即可完成控制任務(wù)。 本文 選 6 通遙控器來實現(xiàn)遙控控制，剩余的通道留作后期開發(fā)備用。 遙控器分為發(fā)射器與接收機， 采用比例遙控控制，發(fā)射器與接收機 通過 PPM（ Pulse Position Modulation）信號實現(xiàn)通信 。 由于該遙控器為航模遙控器，其接收機輸出信號可以直接控制舵機與電 子 調(diào) 速器 ，每個通道信號脈寬 0~2ms，變化范圍為 1~2ms 之間， 1幀 PPM 信號長度為 20ms。若接收機 與單片機通信，則要求單片機可以測量信號的脈寬，即每個周期的高電平持續(xù)時間。 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。 主控板選擇 為了完成電機的閉環(huán)控制，電機的尾部裝有霍爾式 IE2512 增量式編碼器，同時 骨架中心線上安裝有中位傳感器，檢測機器魚尾鰭是否擺動到中位，作為回零傳感器，以避免編碼器讀數(shù)的積累誤差。 另外，還有 共陽極 三色 LED 燈作為速度指示 燈，紅藍綠三色分別對應(yīng)低中高三檔速度，裝配時，該三色 LED 燈放入魚眼中，由于魚眼為兩個，所以需兩個 LED 燈，其相同作用的管腳直接并聯(lián)即可。 由以上分析可知，與單片機連接的外圍器件有，電機驅(qū)動板，遙控器接收機， 編碼器，中位傳感器， 三色燈。 主控電路板要求能夠讀取接收機 2 個通道的信號， 同時讀取碼盤數(shù)據(jù)，中位傳感器數(shù)據(jù)，計算出電機的轉(zhuǎn)角位置， 根據(jù)正弦控制規(guī)則計算 出對應(yīng)位置上的電機轉(zhuǎn)速 并輸出 對應(yīng)的 PWM 波控制電機 ，同時 通過控制 3 色 LED 燈的不同顏色亮滅表示出機器魚的不同前進速度。 其中接 收機與舵機相連， 提供電源和轉(zhuǎn)動信號，電機驅(qū)動板與電機相連，完成電機的驅(qū)動任務(wù)。 根據(jù)單片機的控制任務(wù)，以及機械結(jié)構(gòu)的尺寸限制，選用 ATmega328 芯片作為主控芯片，其資源如下： Atmega328P（處理速度可達 20MIPS） ， 工作電壓： +5V； 數(shù)字信號 I/O 接口 0～ 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 26 頁 13：共 14 個，其中 6 個 PWM 輸出接口（ Pin1 Pin Pin Pin Pin Pin3）；模擬信號輸入接口 0～ 5：共 6 個； DC I/O 接口電流： 40 mA； Flash 容量： 32KB (其他 2K 用于 bootloader)； SRAM 靜態(tài)存儲容量： 1KB； EEPROM 存儲容量： 512 bytes；時鐘頻率： 16MHz、支持 USB 接口協(xié)議。 由編碼器、中位傳感器、遙控器、主控板以及電機驅(qū)動板組成的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 F R P 0 6 P六 通 接 收 機天 地 飛F T 0 6 A6 通 遙 控 器通 道1 , 3A t m e g a 3 2 8 PA M S 1 1 1 7 5 . 01 2 V 9 0 0 m A h鎳 氫 電 池 組L M 7 8 0 9L M 7 8 0 5舵 機電 機驅(qū) 動 板電 機充 電 接 口P W M主 控 電 路霍 爾 編 碼器中 位 傳 感器指 示燈 圖 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。 由于本機器魚為單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動，身體僵硬，轉(zhuǎn)彎時不能身體不能彎曲，轉(zhuǎn)彎的動力來源于尾鰭的不對稱擺動。 程序編寫工具 本文中 采用 Arduino 集成開發(fā)編譯環(huán)境。 Arduino 由一個基于單片機并且開放源碼 北京航空航天大學畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 27 頁 的硬件平臺，和一套為 Arduino 硬件平臺 編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。 Arduino 硬件平臺可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機和其他物理設(shè)備。 Arduino 語言是建立在 C/C++基礎(chǔ)上的 編程語言 ，把 AVR 單片機（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。例如，讓 單片機完成 1ms的 計時 ，若使用 AVR C 語言編寫則要根據(jù)單片機使用的晶振計算出定時計數(shù)器的初值，然后通過溢出中斷來實現(xiàn) 1ms 計時，但是在 Arduino 開發(fā)環(huán)境下，只需要調(diào)用函數(shù) “delay（ 1） ”即可實現(xiàn) 1ms 的計時，大大減少了編程的工作量，而且程序直觀易懂。 同時，Arduino 支持在線燒寫程序，以及單片與電腦實時通信，因此極大的方便了程序的調(diào)試。 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 。 1 、 通信程序模塊 主要任務(wù)是讀取接收機的 2 個通道的信號，上文已經(jīng)介紹過，每個通道的信號均為以 20ms 為周期的 PPM 信號，脈寬為 02ms，即要求單片機可以測量每個通道的脈寬。 Arduino 的函數(shù)庫 中， “ pulseIn(pin,HIGH)” 用于測量某個引腳的外部高電平時間 ，其中 pin 表示是芯片的 引腳 編號； HIGH 表示，當該引腳所接的外部電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，單片機開始計時，直至高電平再次變?yōu)榈碗娖剑嫊r結(jié)束。該函數(shù)的返回值是 以微秒為單位的無符號長整型，單片機需要測量的引腳信號的范圍是 02ms，即 0 到2020us，包含在 pulseIn 函數(shù)的返回值數(shù)值類型范圍內(nèi)，因此，我們可以將接收機與單片機共地，然后將接收機的信號線與單片機的某個數(shù)字引腳相連，然后調(diào)用 pulseIn 函數(shù)來測量接收機輸出信號的脈寬。 為了防止信號采集出錯， 我們需要