基于舵機控制的仿生魚設計

從上述舵機轉角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質是一個可變寬度的方波信號(PWM)。一般采用MCU作為控制器。目前采用單片機作為舵機控制器的方案比較多，現(xiàn)利用單片機提出另一種編程方法，利用T0T1定時器中斷來實現(xiàn)PWM。該方案將20 ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成。
上述已知1.5 ms為中心位置，0.5 ms為-90°位置，2.5 ms為＋90°位置，并且在此定義一個脈沖周期為20 ms。定時器T1定時20 ms，時間一到波形取反，T0定時器起到了脈寬調節(jié)功能，如圖5所示。

根據舵機的轉動角度可知PWM波形的波動范圍，最低是在0.5 ms，最高是在2.5 ms，同時存儲器最大為256 B，現(xiàn)定義最大的數字為250，則有公式(3)：

定時器T1定時20 ms，定時器T0定時0.01 ms，在存儲器R3單元中放入立即數50并與定時器T0中斷次數相比較，當定時器T0定時發(fā)生50次后即與R3相等，產生脈寬為0.5 ms，即為最小脈寬；當在R3單元中放入立即數250并與定時器T0中斷次數相比較，當定時器T0定時發(fā)生250次后即與R3相等，產生脈寬為2.5 ms，即為最大脈寬。
由此可知對存儲器R3不斷進行加1操作，方波的脈寬可以從0.5 ms變化到2.5 ms,然后對立即數進行減操作，方波的脈寬會減至0.5 ms，再進行不斷的循環(huán)，產生脈寬在0.5 ms～2.5 ms不斷變化的PWM信號。這樣就能控制舵機在-90°～90°之間變化。由此，給出3個不同的存儲器R3、R4、R5來控制3個舵機的轉角，讓3個存儲器的數值模擬正弦變化，就能夠實現(xiàn)本文的波動推進理論。
同時采用E18-D80NK漫反射式光電傳感器作為魚的左右眼睛，分別來判斷障礙。當距離80 cm時就能檢測到障礙物，此時讓R3、R4轉動一定的角度，并且尾部舵機R5往復擺動，就能實現(xiàn)仿生魚的轉向。因此舵機在PWM控制下，由脈沖寬度的調節(jié)可實現(xiàn)舵機的前進和轉向，并可根據仿生魚的不同的運動狀態(tài)，來調用不同的子程序。主程序流程圖如圖6所示。

4 仿生魚總調試和總結
在完成仿生魚裝配的基礎上對仿生魚運動進行調試。將魚體、控制電路板、供電電源整合在一起，并且在其表面裹上防水膠布，保證與水隔離。通過示波器觀察波形，調試過程中首先做到仿生魚運動軌跡基本符合要求，接下來進行微調。由于各個舵機絕對位置都有偏差，并且軟件定時不夠準確，因此就要根據實際情況更改脈沖值，直至仿生魚運動軌跡準確。
下水實驗時，實驗的第一點是靜態(tài)平衡實驗。由于魚體各個部位選用的材料不同，并受裝配電路板、舵機、電池等元件的影響，魚體的重心不易確定，因此把魚體放入水中，觀察后在適當部位進行配重，直至魚體靜止時在水中保持平衡。第二點就是動態(tài)平衡實驗，即魚體在運動時保持運動的穩(wěn)定性。動態(tài)平衡首先受靜態(tài)平衡的影響，因此在保證靜態(tài)平衡的條件下盡量滿足動態(tài)平衡。另一調節(jié)動態(tài)平衡就是通過程序控制，包括魚體運動的頻率、幅度。實物效果圖如圖7所示。

通過反復進行調整裝配與調試，基本實現(xiàn)了仿生魚在水中的運動狀態(tài)。但目前還沒有解決仿生魚在游動過程中的加減速的問題，實際上根據魚類推進公式已經制定出了加減速方案。本項目是大學生創(chuàng)新項目，也是教師科研項目，該項目根據魚類的游動姿態(tài)，利用機電控制等對水下載體和作業(yè)裝備提供了新的設計思路。
參考文獻
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