【導讀】任務，因此可以去尋找一些人類的替代品。而蛇作為一種無脊椎生物，靠身體的蠕動可。以靈活完成這些任務。蛇形機器人分為四個模塊：電源、控制器、機械模塊和無線傳輸模塊。分主要有直流減速電機和MG955舵機。以開關電源為主要部件，給直流電機和舵機分別。提供12V、5V電壓，控制器用蓄電池作為電源。機械模塊以UVPC管為原材料，鋸成蛇。身體的單元結構，再以鉚釘連接。無線控制部分由NRF905進行數據的傳輸，遠程控制。由無線式數字遙控實現。示了制作蛇形機器人的整個過程。

　　

【正文】 osξξ2ξξ(ξ d++= ， 其中 ? 為波長。從上式看出，當 d=0 或 d=λn（ n 為整數）時，合成振幅 r? 達到最大值；當 d= ,...)5,3,1(2λ =nn 時，合成 振幅 r? 為最小值 。當 ξξξ 21 == 時 ， rξ λπcosξ2 d= ； 當 d 2λ= 的奇數倍時，兩波相互抵消合成幅度為 0。 由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。 在超聲 波 探測電路中，發(fā)射端 所要做的是 輸出脈沖 寬度 為 20us 的 一系列方波， 即 為發(fā)射超聲 波 的時間間隔， 當 被測物 的 距離 距超聲波當前的位置遠時 ，脈沖 的個數就越多 ， 而超聲波 輸出的 脈沖個數與被測 物距超聲波的 距離成 線性關系 。 同樣 超聲 波 測距 還有 以下 的 方法： 方法一：得到 輸出 一系列 脈沖的平均值電壓， 所得到的 電壓 (其幅值 和頻率 基本 是 固定 的 )與距離 也具有線性關系 ， 通過 測量電壓 便可以 得 到所要測的 距離； 方法二：通過延時來改變 測量 所需要的 輸 出 脈沖寬度， 也就是說改變 發(fā)射 和 接收超聲波的時間 之間的 間隔 t，因此， 測 得的 距離 公式 為 S=1／ 2vt。本 次設計所采用的 測量電路 就是 第二種方案。 因為 15 超聲波的速 度還 與溫度有關 系 ， 就必須考慮溫度對其產生的影響，但就一般情況而言，我們所進行的實驗都在室溫下 進行， 溫度 的 變化 相對來說 不大， 我們 可 以 認為 溫度對 聲速 的影響 基本 保持 不變 ，經實驗證明，也證實了這一點 。 但在某些情況下， 如果 所要 測的 距 離的 精度要求 非常 高， 就必須采用 溫度補償的方法 來對此進行 校正 ，盡可能的減小誤差，以滿足要求 。超聲波測距 系統(tǒng) 適 合 于精 確 度 相對較高 的中長距離 的 測量 ，本次設計測距的范圍是 0 到 255 厘米，而超聲波最小可以測得的距離是 厘米，最大測的距離為 255 厘米，恰巧滿足此次條件 。 據官方統(tǒng)計， 超聲波在 大 氣中的傳播速度為 米 /秒， 考慮誤差、溫度等的影響，當做 340 米 /秒計算，實時計算的過 程，由 51 單片機負責 執(zhí)行 ， 51 單片機 所 使用 的 晶振 是 的 ， 因此，該超聲波 系統(tǒng)的 能夠達到的 測量精度 從 理論上 來算是 達毫米級 的。 超聲波測 量 距 離 的算法設計 : 據上面設定， 超聲波在空氣中 能夠達到的 傳播速度 是340 秒 /米（ 設定溫度為 25℃ 時）。 假設 X2 是 超 聲波 反射 回 來 的時刻， X1 是 超 聲波發(fā) 射的時刻， 那么 X2X1 將 得出的是 超聲波發(fā)射和接受所需要的時間差 的絕對值， 如果21XX =， 就會 有 340m=。 那么 在這 的時間里，超聲波 從 發(fā)出到遇到 障礙物 返射回 來所經過 的距離 為 ： 2)(340 21 247。= XXL 。在編寫程序的過程中，由于選擇了 8 位定時器，共可以計數 2^8=256 次，那么當要達到的精度是毫米級是，那么算法公式就變成了 25610101003401000 6 247。247。= tS 。 無線原理 隨著無線電技術的不斷成熟，各種遙控設備已大量地在人們的生活中應用，讓我們體會到了許多的方便，本次設計我們所使用的是一款 4 路數字式遙控 開關。 電路主要由供電部分、無線接收部分、數據解碼部分和開關控制部分組成。直流 12V電源輸入接收器，一路向繼電器供電，另一路經三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓后，輸出 5V 工作電壓，作為無線接收部分和解碼部分的電源。 平時， IC3 的 10 到 13 腳輸出低電平，所控制的 4 路繼電器斷開，當接收模塊 SH9902收到遙控器發(fā)射的無線電編碼信號后，就會在其輸出端輸出一串控制數據碼，這個編碼信息經專用解碼集成電路 IC3 解碼后，在數據輸出端輸出相應的控制數據。以 D0 所接繼電器為例，當發(fā)射的數據信號時： 0001 時， 2272 輸出的數據也為 0001，換言之就是 IC3的 1 12 腳輸出低電平， 13 腳輸出高電平，這個高電平經 R2 向 VT1 提供基極電流，VT1 飽和導通，繼電器 K1 得電吸合，它所控制的電氣設備工作，這樣通過手上的遙控 16 器的操作，完成了對電氣設備的遙控控制，若選用的解碼芯片為 M 型，則當遙控信號消失后，所有數據位全部輸出為低電平，控制的四路繼電器全部斷開。 表 22 無線遙控引腳說明 名稱 管腳 說 明 A0A11 1 1013 地址管腳 ,用于進行地址編碼 ,可置為 “0”,“1”,“f”(懸空 ), D0D5 7 1013 數據輸入端，有一個為 “1”即有編碼發(fā)出，內部下拉 Vcc 18 電源正端（＋） Vss 9 電源負端（－） TE 14 編碼啟動端，用于多數據的編碼發(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（正常時為低電平） 圖 214 4 路遙控引腳 圖 215 遙控時序圖 PT2262/PT2272 工作原理： PT2262IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有 “1”、 “0”和 “開路 ”三種狀態(tài)，數據輸入有 “1”和 “0”兩種狀態(tài)。由各地址、數據的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端 Dout 輸出，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。其編碼時序波形如圖所示。 Dout 輸出的編碼信號是調制在 38kHz 載波上的， OSC OSC2 外接的電阻決定載頻頻率，一般電阻可在 430k—470k 之間選擇即可。 PT2272 的暫存功能是指當發(fā)射信號消失時， PT2272 的對應數據輸出位即變?yōu)榈碗娖?。而鎖存功能是指，當發(fā)射信號消失時， PT2272 的數據輸出端仍保持原來的狀態(tài)，直到下次接收到新的信號輸入。圖 3 是紅外發(fā) 射和接收的典型應用原理圖，為了能正確解調出調制的編碼信號，接收端需加一級前置放大級，保證輸入 PT2272 的信號幅度足夠大。 17 PT2272 各輸出端通過各種接口即可控制相應的負載 圖 216 PT2262 發(fā)射電路 圖 216 是 PT2262 構成 6 路發(fā)射電路，圖中 PT2262IR 的 VDD 是通過按鍵接通后向芯片供電，這樣靜態(tài)時， PT2262IR 并不耗電，特別適合是電池供電的場合。如果使用電源電壓較低（如 3V），二極管應選用低壓差的型號（如 1N60 等），工作原理相近 。 圖 217 PT2272 接收電路 PT2262/2272 是一對帶地址、數據編碼功能的無線遙控發(fā)射 /接收芯片 ，如圖 217。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)射電路變得非常簡潔。 接收芯片 PT2272 的數據輸出位根據其后綴不同而不同，數據輸出具有 “暫存 ”和 “鎖存 ”兩種方式，方便用戶使用。后綴為 “M”為 “暫存型 ”，后綴為 “L”為 “鎖存型 ”，其數據輸 18 出又分為 0、 6 不同的輸出，例如： PT2272M4 則表示數據輸出為 4 位的暫存型無線遙控接收芯片。 NRF905數據傳輸 NRF905 利用 SPI 口實現與 MCU 的雙向通訊 ， NRF905 的 SPI 總線包括 4 個引腳：CSN(SPI 使能、 SCK(SPI 時鐘 )、 MISO (主入從出 )和 MOSI(主出從入 )。其中 CSN 可以接到一個 GPIO 端口控制芯片工作，而其他三個腳則連接到主控 MCU 的 SPI 接口上。主控MCU 可以使用 GPIO 端口控制 NRF905 的 3 根控制線，控制低功耗的 PWR_UP、正常工作的 TX_EN、選擇發(fā)送還是接收方式的 TRX_CE。 NRF905 有兩種節(jié)能模式和兩種工作模式，分別為掉電模式、待機模式、 ShockBurst 接收模式和 ShockBurst 發(fā)送模式。這幾種 模式由主控 MCU 通過控制 NRF905 的 3 個引腳 PWR_UP、 TRX_CE 和 TX_ EN 的高低電平來決定。 NRF905 有 3 個引腳用于狀態(tài)輸出，分別是： CD(載波檢測 )、 AM(地址匹配 )DR(數據就緒 )，均為高電平有效。 NRF905 在處于接收模式時，若檢測到接收頻率段的載波，就置 CD 為高。接著檢測載波數據中的地址字節(jié)，若與本身已配置的接收地址相同，則置 AM 為高；若檢測到接收數據中的 CRC 校驗正確，則存儲有效數據字節(jié)，置DR 為高。 MCU 通過 SPI 總線配置 NRF905 的內部寄存器和收發(fā)數據。這里 NRF905 為從機， 其 SPI 的時鐘范圍很寬，可為 1Hz～ 10MHz，因此 MCU 在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。 SPI 總線的每次操作都必須在使能引腳 CSN 的下降沿開始， CSN 低電平有效，總線上的數據在時鐘的上升沿有效。 MCU 對 SPI 總線進行讀操作時，先把 CSN置低，然后在 MOSI 數據線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時， nRF905 會在 MISO數據線上輸出一個字節(jié)表示狀態(tài)信息的數據，隨后輸出一個地址字節(jié)，后面跟隨有效數據。在進行寫操作時比較簡單， MCU 先把 CSN 拉低，然后在 MOSI 線上輸出寫命令字節(jié)和數據字節(jié)即可。 直流電機的原理 19 圖 218 直流電機內部原理圖 導體受力的方向用左手定則確定。一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來 ，如圖 218 所示 。 當電樞轉了 180176。后， ab 導體轉到 N 極下， cd 導體轉到 S 極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經導體 cd 、 ab 后，從電刷 B 流出。這時導體cd 受力方向變?yōu)?從右向左，導體 ab 受力方向是從左向右，產生的電磁轉矩的方向仍為逆時針方向。 因此，電樞一經轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導體 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時，總是從電刷 B 流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉矩，使電動機能連續(xù)地旋轉。這就是直流電動機的工作原理。 PWM原理 PWM 調速工作方式： 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內，單 片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉向和轉速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM 的占空比調節(jié)決定電動機的轉向和轉速。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 PWM 調脈寬方式： 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在采用 單片機產生 PWM 脈沖的軟件實現上比較方便。 PWM 軟件實現方式： 方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us。 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。 20 方案三： PLC2131有獨立的 6路 PWM，可以獨立控制。 基于 ARM7有 6路獨立的 PWM 波，可以滿足本次試驗要求，不占用定時器資源，且對于舵機，角度準確，故采用方案三。 本章小結 本章主要以主控制器 LPC2131和 STC89C51單片機的原理圖為基礎， 查閱相關資料，分析并介紹了它們的引腳及其功能，并在一定程度上說明了如何與外圍部件進行連接以及控制，深入分析了超聲波的物理性質、測距原理及其編程算法的實現，徹底展開了無線數字式遙控作為遠程控制器的原理。作為顯示部分，介紹了 1602的引腳和控制字等內容，在蛇形機器人的動力方面，對直流電機和 PWM 控制原理，給出了全面的理論分析，為下面內容的展開做好了鋪墊。 21 3 蛇體的系統(tǒng)設計 蛇形機器人的設計是在材料選擇、結構確定的基礎上進行的，加之各傳感器模塊，來檢測實時的信息，同時就蛇體而言 ，它自身也處于不斷地運動狀態(tài)，故需適時加以控制，本節(jié)將介紹蛇形機器人各部件的聯系及其控制。 蛇身的整體設計及選型 蛇的機械外殼結構是本次設計實現的依托，說先介紹下結構的選擇并進行生物蛇運動的模擬： 機械材料的選擇 （ 1）鋁合金： 優(yōu)點：結構穩(wěn)定，不易變形； 缺點：質地較硬，難以加工安裝，材料昂貴，伸張性難以準確把握； （ 2）亞克力板： 優(yōu)點：重量小，易于加工，操作方便； 缺點：結構不穩(wěn)定，脆性太差，容易松動，不適合高溫寒冷天氣，難以固定； （ 3）給水管子 UPV