【正文】 21 3 蛇體的系統(tǒng)設(shè)計 蛇形機器人的設(shè)計是在材料選擇、結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)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(lián)系及其控制。 本章小結(jié) 本章主要以主控制器 LPC2131和 STC89C51單片機的原理圖為基礎(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(zhì)、測距原理及其編程算法的實現(xiàn)，徹底展開了無線數(shù)字式遙控作為遠程控制器的原理。 20 方案三： PLC2131有獨立的 6路 PWM，可以獨立控制。 PWM 軟件實現(xiàn)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(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us。 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。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(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，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(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。這就是直流電動機的工作原理。 因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)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(dǎo)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。后， ab 導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 N 極下， cd 導(dǎo)體轉(zhuǎn)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(jīng)導(dǎo)體 cd 、 ab 后，從電刷 B 流出。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），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來 ，如圖 218 所示 。 直流電機的原理 19 圖 218 直流電機內(nèi)部原理圖 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。 MCU 對 SPI 總線進行讀操作時，先把 CSN置低，然后在 MOSI 數(shù)據(jù)線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時， nRF905 會在 MISO數(shù)據(jù)線上輸出一個字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一個地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。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(zhǔn)確度。接著檢測載波數(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；若檢測到接收數(shù)據(jù)中的 CRC 校驗正確，則存儲有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置DR 為高。 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(shù)據(jù)就緒 )，均為高電平有效。 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。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。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 位的暫存型無線遙控接收芯片。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。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（如 1N60 等），工作原理相近 。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，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。 PT2272 的暫存功能是指當(dāng)發(fā)射信號消失時， PT2272 的對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖?。其編碼時序波形如圖所示。 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(shù)據(jù)輸入端，有一個為 “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(shù)據(jù)輸入有 “1”和 “0”兩種狀態(tài)。 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(dāng)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(shù)據(jù)碼，這個編碼信息經(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)。 電路主要由供電部分、無線接收部分、數(shù)據(jù)解碼部分和開關(guān)控制部分組成。= tS 。在編寫程序的過程中，由于選擇了 8 位定時器，共可以計數(shù) 2^8=256 次，那么當(dāng)要達到的精度是毫米級是，那么算法公式就變成了 25610101003401000 6 247。 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(jīng)過 的距離 為 ： 2)(340 21 247。 超聲波測 量 距 離 的算法設(shè)計 : 據(jù)上面設(shè)定， 超聲波在空氣中 能夠達到的 傳播速度 是340 秒 /米（ 設(shè)定溫度為 25℃ 時）。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(shè)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 。 因為 15 超聲波的速 度還 與溫度有關(guān) 系 ， 就必須考慮溫度對其產(chǎn)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(rèn)為 溫度對 聲速 的影響 基本 保持 不變 ，經(jīng)實驗證明，也證實了這一點 。 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(guān)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。 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。從上式看出，當(dāng) d=0 或 d=λn（ n 為整數(shù)）時，合成振幅 r? 達到最大值；當(dāng) d= ,...)5,3,1(2λ =nn 時，合成 振幅 r? 為最小值 。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。 (29) 當(dāng)超聲波垂直入射界面時，即 0βα == ，則 如（ 210）、（ 211） ： 11221122ρρ1ρρ1ccccR+= (210) 14 11221122ρρ1ρρ2ccccT+= (211) 如果 sinα 21cc ， 入射波完全被反射，在相鄰兩個介質(zhì)中沒有折射波。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。 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，一部分被反射；另一部分透射過 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。 21)ρ(ECq= （細棒） （ 23） 212 ])μ1(ρ[ += ECq （薄板） （ 24） 2121 )ρ 34(])μ21)(μ1(ρ )μ1([ GKEC q +=+ += （無限介質(zhì)） （ 25） 式中 E—— 楊氏模具； μ—— 泊松系數(shù)； K—— 體積彈性模具； G—— 剪片彈性模。 可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度 TC G += （ T 為環(huán)境溫度）。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)。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采 用縱波形式的超聲波。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用： 1 超聲波的傳播速度 12 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波 —— 質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波 —— 質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波；表面波 —— 質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟ā? 超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在 104 —— 1012 Hz，其中通常的頻率大約在 104 —— 3 610 之間。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。 超聲波測距原理 超聲波是一門以物理、電子、機械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。為保證蛇體運動時波形的延續(xù)性，我們設(shè)計在 6 節(jié)蛇體內(nèi)傳遞兩個波形，這樣在傳遞波形時，就可以保證波形的連續(xù)性（因為蛇體的節(jié)數(shù)限制波形數(shù)）。 圖 211 起始位置 圖 212 末了位置 通過編寫程序，設(shè)定周期離散數(shù) 36，我們得到了一個關(guān)節(jié)一個周期內(nèi)的角度數(shù)據(jù)， 11 數(shù)據(jù)為 36 個角度值，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。 0)( ?zX (21) )]ψ/λ/(π2[)( ++= TtxA S inzY (22) 假定機器蛇的關(guān)節(jié)沿生成的軌跡運動，則可用“截圓法”求取各個關(guān)節(jié)點。 圖 29 波的傳遞 圖 210 蛇的運動 (1)YZ 平面沿 Z 方向－豎直平面波，實現(xiàn)蠕動等運動方式； (2)XZ 平面沿 Z 方向－水平平面波，產(chǎn)生蜿蜒運動等運動方式； (3)YZ、 XZ 平面沿 Z 方向 — 復(fù)合空間波，產(chǎn)生螺旋側(cè)移等復(fù)雜運動方式； 鑒于機器蛇實現(xiàn)的便利性，我們選擇了蠕動的運動方式，如圖 210 所示。 （ 5）眼鏡蛇式運動 在水平平面的波動和伸縮運動的合成，效率很高，但是與地面的相對滑動也很大。比較適用于凸凹不平的地面。 10 圖 27 蛇的蠕動圖 28 眼鏡蛇式運動 （ 4）橫波運動 大多數(shù)蛇利用這種運動方式，身體的每一部分都非常成功的經(jīng)過地面上的同一點，沒有靜止的接觸。這種運動方式是身軀比較龐大的蛇在非緊急情況下的運動方式，在比較平的地面上行進時較佳，如圖 26 所示 。 圖 25 蛇的蜿蜒運動 圖 26 蛇的直線蠕動 （ 2）直線式蠕動 在自然界中，蛇 利用脊柱從頭傳到尾的間歇收縮，毒蛇能夠筆直的前行，如同蚯蚓一樣。 5 1 單 片 機液 晶 顯示上 位 機超 聲 波 測距9 0 5 無線 傳 輸 9 圖 24 51 單片機控制框圖 蛇形機器人運動的算法實現(xiàn) 蛇的運動方式： （ 1）婉蜒運動 所有的蛇都可以以這種方式向前爬行。 51 系列的主要產(chǎn)品 ： （ 1） Intel 公司的主要產(chǎn)品有： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80