【導(dǎo)讀】任務(wù)，因此可以去尋找一些人類的替代品。而蛇作為一種無(wú)脊椎生物，靠身體的蠕動(dòng)可。以靈活完成這些任務(wù)。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。分主要有直流減速電機(jī)和MG955舵機(jī)。以開(kāi)關(guān)電源為主要部件，給直流電機(jī)和舵機(jī)分別。提供12V、5V電壓，控制器用蓄電池作為電源。機(jī)械模塊以UVPC管為原材料，鋸成蛇。身體的單元結(jié)構(gòu)，再以鉚釘連接。無(wú)線控制部分由NRF905進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，遠(yuǎn)程控制。由無(wú)線式數(shù)字遙控實(shí)現(xiàn)。示了制作蛇形機(jī)器人的整個(gè)過(guò)程。

　　

【正文】 osξξ2ξξ(ξ d++= ， 其中 ? 為波長(zhǎng)。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 。當(dāng) ξξξ 21 == 時(shí) ， rξ λπcosξ2 d= ； 當(dāng) d 2λ= 的奇數(shù)倍時(shí)，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(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。 在超聲 波 探測(cè)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(shí)間間隔， 當(dāng) 被測(cè)物 的 距離 距超聲波當(dāng)前的位置遠(yuǎn)時(shí) ，脈沖 的個(gè)數(shù)就越多 ， 而超聲波 輸出的 脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè) 物距超聲波的 距離成 線性關(guān)系 。 同樣 超聲 波 測(cè)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(guān)系 ， 通過(guò) 測(cè)量電壓 便可以 得 到所要測(cè)的 距離； 方法二：通過(guò)延時(shí)來(lái)改變 測(cè)量 所需要的 輸 出 脈沖寬度， 也就是說(shuō)改變 發(fā)射 和 接收超聲波的時(shí)間 之間的 間隔 t，因此， 測(cè) 得的 距離 公式 為 S=1／ 2vt。本 次設(shè)計(jì)所采用的 測(cè)量電路 就是 第二種方案。 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) 。 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 。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 。 據(jù)官方統(tǒng)計(jì)， 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(dāng)做 340 米 /秒計(jì)算，實(shí)時(shí)計(jì)算的過(guò) 程，由 51 單片機(jī)負(fù)責(zé) 執(zhí)行 ， 51 單片機(jī) 所 使用 的 晶振 是 的 ， 因此，該超聲波 系統(tǒng)的 能夠達(dá)到的 測(cè)量精度 從 理論上 來(lái)算是 達(dá)毫米級(jí) 的。 超聲波測(cè) 量 距 離 的算法設(shè)計(jì) : 據(jù)上面設(shè)定， 超聲波在空氣中 能夠達(dá)到的 傳播速度 是340 秒 /米（ 設(shè)定溫度為 25℃ 時(shí)）。 假設(shè) X2 是 超 聲波 反射 回 來(lái) 的時(shí)刻， X1 是 超 聲波發(fā) 射的時(shí)刻， 那么 X2X1 將 得出的是 超聲波發(fā)射和接受所需要的時(shí)間差 的絕對(duì)值， 如果21XX =， 就會(huì) 有 340m=。 那么 在這 的時(shí)間里，超聲波 從 發(fā)出到遇到 障礙物 返射回 來(lái)所經(jīng)過(guò) 的距離 為 ： 2)(340 21 247。= XXL 。在編寫程序的過(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。247。= tS 。 無(wú)線原理 隨著無(wú)線電技術(shù)的不斷成熟，各種遙控設(shè)備已大量地在人們的生活中應(yīng)用，讓我們體會(huì)到了許多的方便，本次設(shè)計(jì)我們所使用的是一款 4 路數(shù)字式遙控 開(kāi)關(guān)。 電路主要由供電部分、無(wú)線接收部分、數(shù)據(jù)解碼部分和開(kāi)關(guān)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(jīng)三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓后，輸出 5V 工作電壓，作為無(wú)線接收部分和解碼部分的電源。 平時(shí)， IC3 的 10 到 13 腳輸出低電平，所控制的 4 路繼電器斷開(kāi)，當(dāng)接收模塊 SH9902收到遙控器發(fā)射的無(wú)線電編碼信號(hào)后，就會(huì)在其輸出端輸出一串控制數(shù)據(jù)碼，這個(gè)編碼信息經(jīng)專用解碼集成電路 IC3 解碼后，在數(shù)據(jù)輸出端輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。以 D0 所接繼電器為例，當(dāng)發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)： 0001 時(shí)， 2272 輸出的數(shù)據(jù)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(gè)高電平經(jīng) R2 向 VT1 提供基極電流，VT1 飽和導(dǎo)通，繼電器 K1 得電吸合，它所控制的電氣設(shè)備工作，這樣通過(guò)手上的遙控 16 器的操作，完成了對(duì)電氣設(shè)備的遙控控制，若選用的解碼芯片為 M 型，則當(dāng)遙控信號(hào)消失后，所有數(shù)據(jù)位全部輸出為低電平，控制的四路繼電器全部斷開(kāi)。 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)。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。其編碼時(shí)序波形如圖所示。 Dout 輸出的編碼信號(hào)是調(diào)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(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)， PT2272 的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖?。而鎖存功能是指，當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)， PT2272 的數(shù)據(jù)輸出端仍保持原來(lái)的狀態(tài)，直到下次接收到新的信號(hào)輸入。圖 3 是紅外發(fā) 射和接收的典型應(yīng)用原理圖，為了能正確解調(diào)出調(diào)制的編碼信號(hào)，接收端需加一級(jí)前置放大級(jí)，保證輸入 PT2272 的信號(hào)幅度足夠大。 17 PT2272 各輸出端通過(guò)各種接口即可控制相應(yīng)的負(fù)載 圖 216 PT2262 發(fā)射電路 圖 216 是 PT2262 構(gòu)成 6 路發(fā)射電路，圖中 PT2262IR 的 VDD 是通過(guò)按鍵接通后向芯片供電，這樣靜態(tài)時(shí)， PT2262IR 并不耗電，特別適合是電池供電的場(chǎng)合。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 。 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。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。 接收芯片 PT2272 的數(shù)據(jù)輸出位根據(jù)其后綴不同而不同，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸 18 出又分為 0、 6 不同的輸出，例如： PT2272M4 則表示數(shù)據(jù)輸出為 4 位的暫存型無(wú)線遙控接收芯片。 NRF905數(shù)據(jù)傳輸 NRF905 利用 SPI 口實(shí)現(xiàn)與 MCU 的雙向通訊 ， NRF905 的 SPI 總線包括 4 個(gè)引腳：CSN(SPI 使能、 SCK(SPI 時(shí)鐘 )、 MISO (主入從出 )和 MOSI(主出從入 )。其中 CSN 可以接到一個(gè) GPIO 端口控制芯片工作，而其他三個(gè)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(jī)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(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。 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。 NRF905 在處于接收模式時(shí)，若檢測(cè)到接收頻率段的載波，就置 CD 為高。接著檢測(cè)載波數(shù)據(jù)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(cè)到接收數(shù)據(jù)中的 CRC 校驗(yàn)正確，則存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置DR 為高。 MCU 通過(guò) SPI 總線配置 NRF905 的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。這里 NRF905 為從機(jī)， 其 SPI 的時(shí)鐘范圍很寬，可為 1Hz～ 10MHz，因此 MCU 在寫控制程序時(shí)不必苛求時(shí)間的準(zhǔn)確度。 SPI 總線的每次操作都必須在使能引腳 CSN 的下降沿開(kāi)始， CSN 低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿有效。 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)。在進(jìn)行寫操作時(shí)比較簡(jiǎn)單， MCU 先把 CSN 拉低，然后在 MOSI 線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。 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。一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较颍髨D使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái) ，如圖 218 所示 。 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了 180176。后， ab 導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 N 極下， cd 導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 S 極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導(dǎo)體 cd 、 ab 后，從電刷 B 流出。這時(shí)導(dǎo)體cd 受力方向變?yōu)?從右向左，導(dǎo)體 ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较颉? 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。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)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 PWM原理 PWM 調(diào)速工作方式： 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單 片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案二：?jiǎn)螛O性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM 信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì) PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制電壓波開(kāi)中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)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(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。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。 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。 方案二：采用軟件延時(shí)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(dú)立的 6路 PWM，可以獨(dú)立控制。 基于 ARM7有 6路獨(dú)立的 PWM 波，可以滿足本次試驗(yàn)要求，不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于舵機(jī)，角度準(zhǔn)確，故采用方案三。 本章小結(jié) 本章主要以主控制器 LPC2131和 STC89C51單片機(jī)的原理圖為基礎(chǔ)， 查閱相關(guān)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(shuō)明了如何與外圍部件進(jìn)行連接以及控制，深入分析了超聲波的物理性質(zhì)、測(cè)距原理及其編程算法的實(shí)現(xiàn)，徹底展開(kāi)了無(wú)線數(shù)字式遙控作為遠(yuǎn)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(nèi)容，在蛇形機(jī)器人的動(dòng)力方面，對(duì)直流電機(jī)和 PWM 控制原理，給出了全面的理論分析，為下面內(nèi)容的展開(kāi)做好了鋪墊。 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。 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 UPV