隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)和控制科學(xué)的不斷融合與發(fā)展,仿生機(jī)器魚的研制成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點之一。同時，隨著對于仿生機(jī)器魚的研究日益進(jìn)步，機(jī)器魚所賦予的任務(wù)也隨之增多，對于機(jī)器魚核心芯片的處理速度的要求也越來越高。而以往的機(jī)器魚對芯片的處理速度與精度要求并不高，使得機(jī)器魚的執(zhí)行動作并不盡如人意，由此在機(jī)器魚中應(yīng)用具有并行性、高速性、靈活性的FPGA芯片已經(jīng)成為必然，它也必將使得機(jī)器魚的研究更上一層樓。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件框圖如圖1，系統(tǒng)采用FPGA芯片為控制處理中心，紅外傳感器模塊負(fù)責(zé)傳回前方的通道信息，信息數(shù)據(jù)由FPGA芯片接收后，輸出PWM波控制舵機(jī)做出相對應(yīng)的動作。整個魚體分為動作部分和魚頭，動作部分由三個舵機(jī)（兩個大舵機(jī)、一個小舵機(jī)）組成，魚頭主要是控制芯片、通信模塊和電池電源部分組成。

1.1 FPGA模塊

本方案使用的Altera公司的芯片EP1-C3T144c8，其系統(tǒng)集成度高，可操作性強(qiáng)，低功耗，十分適合機(jī)器魚這類小型機(jī)器魚的運作。利用其公司的開發(fā)軟件quartus II及其輔助開發(fā)軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、處理、編碼功能。在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA芯片作為主控部分，負(fù)責(zé)紅外傳感器信息接收、通信模塊的信息接收發(fā)送、舵機(jī)控制任務(wù)，如圖2所示。

1.2 紅外傳感器模塊

紅外傳感器是遠(yuǎn)距離紅外傳感器PIR D205B,它是利用材料自發(fā)極化隨溫度變化的特征來探測紅外線的輻射，采用四靈敏元設(shè)計，抑制環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了信號輸出強(qiáng)度，增加了多方向靈敏度，兼有單元和雙元熱釋電紅外傳感器的優(yōu)點，傳感器的工作更加穩(wěn)定。

1.3 通信模塊、電源模塊

作為在水下獨立運作的平臺，電源和通信是十分重要的。通信采用nRF2401 2.4GHz無線收發(fā)芯片完成視頻數(shù)據(jù)及命令信息的無線傳輸。nRF2401是一款單片射頻收發(fā)芯片，工作在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，該芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶振和調(diào)制解調(diào)器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數(shù)都可以通過程序進(jìn)行配置。考慮到系統(tǒng)的電源要求以及電池的可重復(fù)性利用，選擇用四節(jié)可充電電池作為電源模塊。選擇的類型是三洋愛樂普五號低放電充電池。

1.4 舵機(jī)模塊

機(jī)器魚舵機(jī)組是由三個舵機(jī)構(gòu)成，分別采用futaba公司的futaba S3102（一號舵機(jī)）及futaba S3003（二號，三號舵機(jī)）。以魚體波函數(shù)為核心算法的機(jī)器魚魚體，在三個舵機(jī)的運作下完成相應(yīng)動作，進(jìn)而來實現(xiàn)仿生機(jī)器魚的游動。其中，F(xiàn)PGA通過所執(zhí)行的程序計算出各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，以此產(chǎn)生十五位的不同占空比的PWM波，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，繼而控制“魚體”擺動[3]。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件體系的設(shè)計是系統(tǒng)研制的核心內(nèi)容。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

2.1 紅外模塊

如圖4所示，紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，當(dāng)紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理后，通過數(shù)字傳感接口返回到機(jī)器魚主機(jī)機(jī)器魚即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。

2.2 舵機(jī)模塊

標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線：電源線、地線和控制線，電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的電機(jī)和控制電路需要的能源。而控制線輸入的是一個可調(diào)制的方波脈沖信號，一般周期在20ms（即頻率為50Hz）。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。兩者關(guān)系可如圖5所示。

圖1 基于FPGA的自主視覺機(jī)器魚硬件圖框

圖2 FPGA模塊

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 紅外模塊流程圖

圖5 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與出入脈沖之間的關(guān)系

3.結(jié)束語

本文介紹了基于紅外傳感器與FPGA技術(shù)設(shè)計的一種具有自主運動能力的仿生機(jī)器魚。其通過紅外傳感技術(shù)使機(jī)器魚具有了自主視覺功能，又通過FPGA技術(shù)精準(zhǔn)輸出PWM波，提高了機(jī)器魚的智能度與動作靈活度。此設(shè)計為后續(xù)自主機(jī)器魚的開發(fā)提供了一定的幫助，相信隨著機(jī)器魚的開發(fā)加深，機(jī)器魚的研究與設(shè)計會更加智能化，功能也會越來越完備，并會為人類探索、發(fā)現(xiàn)海洋提供更多的幫助與便利。

[1]周志強(qiáng),王志良,張雪元,黃海歡.仿生機(jī)器魚的設(shè)計及其運動控制研究[J].微計算機(jī)信息[J].(嵌入式與SOC)2006,22(6-2卷).

[2]萬少云,向強(qiáng).基于TMS320F2812的自主視覺機(jī)器魚控制系統(tǒng)設(shè)計[J].西南民族大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2011(37).

[3]趙康,丁勇,蔣玉蓮.基于802.11b與安卓手機(jī)操控機(jī)器魚的研究[J].電子元器件應(yīng)用,2012,14(7).

[4]駱涵秀,李世倫,朱捷.機(jī)電控制[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1994:31-63.