仿生魚-未來戰(zhàn)爭的關(guān)鍵先生

仿生魚——未來戰(zhàn)爭的關(guān)鍵先生當今世界格局處處充滿著戰(zhàn)火的味道。而在大國博弈中，只有海軍的強大才能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。

在未來戰(zhàn)爭中有著決定性作用的就是核潛艇。

如何在戰(zhàn)爭中處于一種主動位置呢？那就是信息的掌握度如何呢準確掌握敵方核潛艇的坐標信息呢？

這就引出了我們今天的探討的話題——仿生魚坐標定位法

。今天的主題——仿生魚的作用為未來戰(zhàn)爭提供敵方核潛艇的位置坐標當前國際對于仿生魚的前沿研究1發(fā)展概況國外很早便認識到機器人仿真在機器人研究和應(yīng)用方面的重要作用，并從70年代開始進行了這方面的研究工作。在許多從事機器人研究的部門都裝備有功能較強的機器人仿真軟件系統(tǒng)，

它們?yōu)闄C器人的研究提供了靈活和方便的工具。例如，

美國Cornell大學(xué)開發(fā)了一個通用的交互式機器人圖形仿真系統(tǒng)INEFFABELLE，它不是針對某個具體機器人，

而是利用它可以很容易建立所需要的機器人及環(huán)境的模型，并且具有圖形顯示和運動的功能。西德Saarlandes大學(xué)開發(fā)了一個機器人仿真系統(tǒng)R0BSIM，它能進行機器人系統(tǒng)的分析、綜合及離線編程，美國Maryland大學(xué)開發(fā)了一個機械手設(shè)計和分析的工具DYNAMAN，

它能產(chǎn)生機械手的動力學(xué)模型，根據(jù)需要可以自動產(chǎn)生F0RTRAN

的仿真程序，

同時也可產(chǎn)生符號表示的雅可比矩陣。MIT開發(fā)了一個機器人CAD軟件包OPTARMⅡ，它可用于時間最優(yōu)

軌跡規(guī)劃的研究。Michigan大學(xué)開發(fā)了一個機器人圖形編程系統(tǒng)——PROGRESS，

其特點是菜單驅(qū)動和光標控制，

并能有2D圖形符號來仿真外界的傳感器和執(zhí)行部件，

以使用戶獲得更加接近真實的

編程環(huán)境．

自80年代以來國外已建成了許多用于機器人工作站設(shè)計和離線編程的仿真系統(tǒng)，例如美國McAuto公司開發(fā)了機器人仿真系統(tǒng)PLACE，

它主要用于機器人工作站的設(shè)計；PIRensselaerPolytechnicInstitute)研制了

GRASP

Calma公司在

GRAsP的基礎(chǔ)上開發(fā)了

Robot—SIM

軟件，它主要用于工作站設(shè)計和機器人選型。通用電氣公司的研究開發(fā)部對Robot-SIM

進行丁改進工作。Intergraph公司也研制了一個機器人仿真系統(tǒng)，

它更加強調(diào)機器人的動力學(xué)特性和控制系統(tǒng)對精度及整個性能的影響。Computervision公司開發(fā)了軟件包obographix，

它具有產(chǎn)生機器人工作路徑、仿真機器人運動及碰撞檢測等多種功能。目前它能對8種常用的機器人進行仿真。Autosimu]ations公司研制了兩個機器人

仿真軟件包

AutoMod和AutoGram

AutoGram是利用

GPSS仿真語言的建模軟件，AutoMod是圖形顯示軟件。

Deneb公司開發(fā)了IGRIP軟件，它主要用于工作站設(shè)計和離線編程

SRI國際部研制了仿真軟件包RCODE，它具有幾乎實時的碰撞檢測功能

西德Kadsruke大學(xué)建立了機器人仿真系統(tǒng)ROSI和ROS2。法國

LAMM

開發(fā)了CARO系統(tǒng)，它主要強調(diào)三維數(shù)據(jù)庫設(shè)計技術(shù)，

快速性及能在小機器上運行是其追求的目標。以色列OSHAP公司推出了ROBCAD，

它主要用于工作站設(shè)計和離線編程，

并能將程序下裝到系統(tǒng)內(nèi)。在以上介紹的軟件中．大部分已經(jīng)商品化，并已在很多生產(chǎn)和研究部f

J獲得了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)發(fā)展概況國內(nèi)從80年代后期起，許多單位也開始從事機器人

仿真技術(shù)的研究工作。在國家高技術(shù)計劃自動化領(lǐng)域智能機器凡號題中，清華大學(xué)浙江大學(xué)、沈陽自動化所及上海交大等單位承擔了機器人系統(tǒng)仿真的研制任務(wù)，取得了多項研究成果，本文后面還將對此工作專門介紹。哈工大、北航、國防科大等單位承擔了機器人機構(gòu)仿真的任務(wù)，攝后也研制成功一個大型的機器人

仿真軟件。

還有不少單位針對某一具體方面進行了廣泛深入的機器人仿真技術(shù)的研究。仿生魚的詳細說明仿生魚的優(yōu)缺點1高效性2機動性3低噪音

1高效性魚類的推進效率高達90%以上，這使得魚類能夠在力量有限，能量消耗相計有限的情況下達到相當快的速度并具有持久的耐力，而當前螺旋槳船舶的推進總效率不超過60%2機動性機器魚的機動性主要表現(xiàn)在其加速特性和轉(zhuǎn)向特性，魚類運動不像當前的螺旋槳推進方式，推進與轉(zhuǎn)彎分離。魚類通過胸鰭與尾鰭有機配合，實現(xiàn)推進與轉(zhuǎn)彎的有機統(tǒng)一，但在當前的螺旋槳推進方式下，艦艇在高速行駛下需要很大的轉(zhuǎn)向半徑。

3低噪音螺旋槳在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生過多不需要的紊流、非定向的渦流和熱量，還會伴隨產(chǎn)生大量的空泡噪聲、擾動噪聲。而魚類的游動方式擺動頻率低、柔性好，能最大限度地降低其他不必要的能量損失，充分利用并控制渦流，不產(chǎn)生漩渦尾流，有利于隱身和途防，具有重要的軍事價值。因此，研制機器魚具有廣泛的意義：首先，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，使水下的機器人運動更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它們可以探測海洋，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘測地形；其次，可以利用機器魚這個實驗平臺來研究魚的運動原理和魚類運動所依附的流體力學(xué)原理，從而構(gòu)造出原理簡單、制作和使用成本較低、能源利用率高、作業(yè)時間長的水下探測器。另外，在科教方面也具有良好的發(fā)展前景，例如科技館、水族館展覽等。游動機理及沉浮實現(xiàn)方法魚為什么能夠快速的游動和轉(zhuǎn)向，這是困擾生物界多年的課題。當今，生物學(xué)家根據(jù)魚類本身的外形、尾鰭的長度和擺動的力量對魚的游動方式進行簡單分類，具體可以分為以下三種：Anguilliform:通過整體身軀肌肉的波動來游動，如鰻魚；Carangiform：通過尾鰭和與尾部相連的身軀擺動來游動，如鮭魚、金槍魚、旗魚；Ostraciiform:只通過尾鰭的擺動而不利用身體擺動來進行泳動。從魚的游動所依靠的生理部位和推進原理來說，可以分為兩大類：BCF類和BPF類。BCF（Bodyand/orCaudalFin）類魚主要依靠身體和尾部的擺動來游動；BPF（Bodyand/orPariedFin）類魚主要依靠身體中部的腹鰭來游動。

我們所采用的機器魚類模型是BCF類，是模仿金槍魚的外形，依靠身體的后半部分和尾部擺動來實現(xiàn)游動。魚類的上浮和下沉主要依靠其腹內(nèi)魚鰾的收縮來實現(xiàn)，魚鰾收縮使得魚體體積發(fā)生變化，進而影響排開水的體積，從而實現(xiàn)上浮下沉。在本章中，我們使用氣缸排開水的體積來模擬魚鰾的收縮。早在1926年外國學(xué)者就開始了對魚類游動機理的研究，提出了各種相關(guān)的理論。影響比較大的有1970年Lighthill提出的“細長體理論”，1977年M.G.Chopra&T.Kambe的“二維抗力理論”，1984年Hess&Videler的“薄體理論”，1994年Cheng&Blickhan的“波動平板理論”，以及1998年Cheng的“動態(tài)梁理論”。本節(jié)所設(shè)計的機器魚，主要參考了“波動理論”。所謂“波動理論”主要以魚的脊椎曲線為研究對象，認為魚體之所以能夠前進，是由于脊椎曲線帶動它所包絡(luò)的液體向后噴出，產(chǎn)生推力。我們認為魚體在水中作波動運動，其游動形態(tài)類似一列正弦波。仿生魚的機構(gòu)設(shè)計1擺動機構(gòu)設(shè)計2尾部彈性機構(gòu)設(shè)計3轉(zhuǎn)彎設(shè)計4沉浮機構(gòu)設(shè)計5骨架及密封設(shè)計

1擺動機構(gòu)設(shè)計機器魚依靠動力機構(gòu)使尾巴左右等幅擺動，從而在水中形成一列正弦波，推動魚體游動，進而完成魚兒的各種動作。尾部波動的形成，需要兩個必要的因素。首先要有一個振源，也就是說，需要尾部產(chǎn)生一個周期性的往復(fù)運動。我們選擇了四連桿機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成為擺桿的往復(fù)運動。為了能夠?qū)崿F(xiàn)等幅擺動，不產(chǎn)生急回特性，選擇了III型曲柄搖桿機構(gòu)，根據(jù)其擺動的幅度確定各桿件的長度，考慮到魚體內(nèi)的空間有限，確定擺動角為40o，曲柄長度為13.5mm，連桿為15mm，擺桿為100mm。為了將四連桿機構(gòu)固定在魚體內(nèi)，特意設(shè)計了支撐架。將曲柄設(shè)計成圓盤，用于支撐連桿與擺桿；再將曲柄軸固定在支撐架上；同時，電機也固定在支撐架上，電機軸與曲柄軸通過聯(lián)軸器相連；最后，將支撐板固定在魚體上，完成整個固定工作。

2尾部彈性機構(gòu)設(shè)計尾部波動的形成，要求尾部是一個彈性體，這樣擺動機構(gòu)的擺動才能夠形成一束波向后傳播，推動包絡(luò)在周圍的水以獲得向前的動力。因此，選擇用彈性適中的彈簧作為尾部的主要構(gòu)架。彈簧的剛性需控制在一定范圍內(nèi)，太硬會導(dǎo)致?lián)p耗太多的電機功率，而太軟又無法保持魚的形體。

3轉(zhuǎn)彎設(shè)計機器魚的轉(zhuǎn)彎原理參考了真魚的動作，主要依靠尾部的偏轉(zhuǎn)以及游動的慣性。幫助擺動機構(gòu)停留在轉(zhuǎn)彎位置的霍爾傳感器。當機構(gòu)運行到轉(zhuǎn)彎位置時，霍爾傳感器將產(chǎn)生一個低電平跳變信號輸出給單片機，然后由單片機控制電機停轉(zhuǎn)使擺桿停留在指定位置。這樣，當魚由于慣性前進是，擺桿所停留的一邊所受的阻力較大，從而使魚朝某一方向轉(zhuǎn)向

4沉浮機構(gòu)設(shè)計眾所周知，魚通過魚鰾的伸縮實現(xiàn)靈活的沉浮。魚類的上浮和下沉主要靠其腹內(nèi)魚鰾的收縮來實現(xiàn)。魚鰾收縮使得魚體體積發(fā)生變化，進而影響開水的體積，從而實現(xiàn)上浮下沉。我們采用氣缸排開水的體積來模擬魚鰾的收縮。沉浮機構(gòu)的工作原理如圖1.1所示?！棒~鰾”采用雙電機驅(qū)動氣缸，在其往復(fù)做功的工程中，再配以電磁閥的開合，將儲水容器抽成低壓，儲氣容器抽成高壓，然后打開電磁閥，使魚吸水，實現(xiàn)與的下沉，將電磁閥同時打開，利用高壓將水排出，完成魚的上浮動作。圖1.1

5骨架及密封設(shè)計機器魚的外形是模仿金槍魚而設(shè)計的，跟真魚一樣，也是骨架結(jié)構(gòu)，并采用主脊柱與肋環(huán)結(jié)構(gòu)，使魚成為一個整體空腔，便于安裝其他機構(gòu)。機器魚的骨架結(jié)構(gòu)實物圖。機器魚的防水是一個難點。普通的航海設(shè)備可以采用金屬外殼防水，兒機器魚的防水層需要有伸縮性，以保證尾部能夠靈活擺動。經(jīng)過多次防水實驗，采用了在防水布外面涂防水膠的雙層防水方案，很好地解決了防水和伸縮性的問題。仿生魚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計1電機驅(qū)動模塊設(shè)計（1）PWM調(diào)速原理（2）模擬信號產(chǎn)生（3）PWM芯片及電機驅(qū)動芯片2信號采集與處理模塊3自動避障模塊4電源模塊設(shè)計

機器魚控制系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)如下功能；1.控制魚在水中自由游戲，即可實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)向、游動速度可調(diào)等功能；2.控制魚在水中上浮和下沉，且速度可調(diào)；3.控制魚在水中某一特定位置懸?。?.控制魚在水中自動避障；5.采用計算機遙控魚的各種動作。由于機器魚控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，為了方便設(shè)計，且項目設(shè)計中采用模塊化的設(shè)計思想，共分為五大模塊；電機驅(qū)動模塊；自動避障模塊；模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；遙控器模塊；電源模塊。機器魚控制系統(tǒng)的總體方案。機器魚控制系統(tǒng)的總體方案如圖1.2所示。采用上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有如下特點；1.采用模塊化處理，系統(tǒng)具有良好的擴展性，可以根據(jù)需要增加必要的微處理器以滿足實時性的需求。在系統(tǒng)的性能要求變化或功能修改時，只需花很少的成本即可實現(xiàn)，同時有利于對系統(tǒng)進行分塊管理，便于分塊調(diào)試，調(diào)試過程或運行過程中出現(xiàn)異常情況時，可以方便的查出問題所在。2.可靠性高，每個模塊自成體系，可以獨立工作，一個模塊出現(xiàn)故障時不會影響全局，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。機器魚控制系統(tǒng)是以AT89S8252單片機為核心元件，主要包括電機驅(qū)動模塊的分析與設(shè)計、信號采集與處理模塊的分析與設(shè)計以及電源模塊、遙控模塊等部分。采用AT89S8252單片機作為機器魚的主控芯片，它是ATMEL公司所產(chǎn)的新一代低功耗、高性能的CMOS技術(shù)的微控制器。該單片機內(nèi)部具有以下功能模塊；8KB可下載的Flash存儲器、2KB的EEPROM、256BRAM、32條專用的I/O線、可編程看門狗定時器以及2個可通過軟件選擇的省電模式。限制模式時停止CPU的工作、SPI口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式時能保留存儲器的內(nèi)容，但凍結(jié)晶振，終止芯片的其他功能，直到下一次的外部中斷或者硬件復(fù)位。該器件的制造運用了ATMEL公司的高密度、非易失存儲器技術(shù)。芯片內(nèi)可下載的Flash存儲器可以通過SPI串行接口或者通用的非易失存儲器、編程器對程序存儲區(qū)進行系統(tǒng)內(nèi)的重新編程。通過在單一芯片內(nèi)將一個增強性能的RISC8位CPU與可下載的Flash結(jié)合，使得AT89S8252成為一款合適于眾多要求，具有高度靈活性和低成本的高效微控制器。圖1.2

1電機驅(qū)動模塊設(shè)計（1）PWM調(diào)速原理直流電機轉(zhuǎn)速表達式是；N=U/KeΦ-RaT/KmΦ2式中，Ke是電勢常數(shù)，Km是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Ra是電樞電阻，Φ是每極磁通，T是電磁轉(zhuǎn)矩，N是轉(zhuǎn)速。由上式知，直流電機調(diào)速可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。但磁場控制法易受飽和的限制，調(diào)速范圍不大。通常采用電樞控制法，其又分為兩種；一種是調(diào)壓調(diào)速，一種是脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)壓調(diào)速是在勵磁電壓不變的情況下，改變控制電壓信號，從而控制電機轉(zhuǎn)速。使用運放的加法電路，通過改變單片機的輸出信號來改變加在電機兩端的電壓，從而電機的轉(zhuǎn)速。脈寬調(diào)速是通過調(diào)節(jié)某一特定頻率的脈沖信號的占空比來調(diào)節(jié)直流電機通電/斷電的時間比，達到調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大、能承受頻率的負載沖擊、可以實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。

（2）模擬信號產(chǎn)生調(diào)節(jié)方波信號的占空比，是通過一束鋸齒波與一個模擬信號的比較來實現(xiàn)的。鋸齒波的產(chǎn)生以及比較運算都可以通過PWM芯片來完成，而模擬信號必須作為PWM芯片的輸入信號。為了方便用單片機控制，在本電路中采用D/A轉(zhuǎn)換模塊TLC7226與單片機連接來產(chǎn)生控制占空比的模擬信號。TLC7226是TI公司采用LinBiCMOSTM技術(shù)產(chǎn)生的電壓輸出型4通道8位高性能D/A轉(zhuǎn)換器，在單個芯片上帶有輸出緩沖放大器和借口邏輯電路。4通道DAC的每一通道配備獨立的數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)線與TTL/CMOS兼容（5V）輸入端口鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器中?？刂戚斎攵薃l和Ao決定WR變低時哪個DAC通道被加載。由于所有的4通道DAC在同一芯片上同時制造，因此4通道之間能夠精確一致。每個通道DAC都包括一個輸出緩沖放大器，能提供高達5mA的輸出電流，輸入控制邏輯，對應(yīng)的真值表如表10.3所列。

（3）PWM芯片及電機驅(qū)動芯片PWM芯片的作用是自身通過外接振蕩電阻和振蕩電容產(chǎn)生一個鋸齒波，并且與輸入的模擬電壓信號進行比較運算，輸出一個方波，其占空比隨著外接信號的變化而變化。這里運用了一種最常用的PWM芯片TL494。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO—16和PDIP—16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求。其主要特性如下：集成了全部的脈寬調(diào)制電路；片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩原件僅兩個（一個電阻和一個電容）；內(nèi)置誤差放大器；內(nèi)置5V參考基準電壓源；可調(diào)整死去時間；內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力；具有推或拉兩種輸出方式。TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。TL494內(nèi)置一個5.0V的基準電壓源，使用外置偏置電壓時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的0—70℃溫度范圍、50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供±5%的精確度。

TLC494的引腳。各引腳的功能如下：1、2腳是誤差放大器Ⅰ的同相和反相輸入端；3腳是相對校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加0-3.3V電壓時可使截止時間從2%線性變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三級管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)的單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5V基準電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15、16腳時誤差放大器Ⅱ的反相和同相輸入端，其典型電路連接圖如圖10.18所示。從TL494輸出的方波并不能直接驅(qū)動電機，還需要通過一塊電機驅(qū)動模塊來達到驅(qū)動電機的目的。鑒于所使用的直流電機功率較小，我們選取L293D作為驅(qū)動模塊。L293D采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過內(nèi)部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置電機轉(zhuǎn)動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。L293D的實物圖如下圖所示。L293D

L293D

2信號采集與處理模塊機器魚的上浮和下潛時，通過調(diào)節(jié)氣缸中的空氣體積來實現(xiàn)，那樣我們需要知道活塞在氣缸中的具體位置，這個可以考慮用電位器來實現(xiàn)。具體做法是將電位器的滑動端置于活塞上，當活塞運動時，電位器的阻值將發(fā)生變化；同時將電位器與定值電阻相連，兩端加上一個恒壓，通過串聯(lián)電路分壓規(guī)律，通過讀出定值電阻兩端的電壓值便可知道電位器的阻值，從而也就確定了活塞在氣缸中的位置。該電壓值通過ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送到單片機的數(shù)據(jù)線上進行處理。ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809是目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的8位通用A/D芯片。ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809

對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：IN7～IN0，模擬量輸入通道。ALE，地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START，轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809;START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。A、B、C，地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA、ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表。CLK，時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHZ的時鐘信號。EOC,轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0，正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號既可以作為查詢的狀態(tài)標識，又可以作為中斷請求信號使用。D7～D0，數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低，D7為最高。OE，輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。VCC,+5V電源。VREF,參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5V(VREF(+)=+5V,VREF(-)=-5X)。檢測尾部極限位置用霍爾傳感器，當尾部擺到極限位置時，霍爾元件將反饋給單片機一個信號，若此時遙控器的3或4鍵按下，則魚就開始左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

3自動避障模塊對于自動避障，本項目通過一個超聲波傳感器來實現(xiàn)。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲傳感器（收發(fā)一體化TR）發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收，然后將這一信號放大后送入單片機。超聲波傳感器需要40KHZ的方波信號來工作，因為超聲波工作頻率要求較高，偏差在-+1%范圍內(nèi)，所以采用單片機內(nèi)部的定時器來產(chǎn)生精確的脈沖來提供超聲波的工作頻率；超聲波信號進入單片機前，可以用鎖相環(huán)芯片LM567來處理，以便提供一個脈沖信號給單片機；超聲波接收器接收到的信號非常微弱，需要放大62萬倍，這里使用運算放大器進行三級的放大來完成。

4電源模塊設(shè)計電源部分，采用4節(jié)3.6V的鋰電池串在一起形成14.4V的電源電壓，再通過穩(wěn)壓三極管78L12將電壓降到12V作為電機的驅(qū)動電壓，然后用一個DC-DC模塊將電壓降至5V，作為各芯片的工作電壓。對于14.4V的鋰電池，有專門的充電器，可以家庭用220V交流電充電。另外尾部電機的驅(qū)動電壓為24V，所以需要一個24V的電源，本次設(shè)計中用16節(jié)1.5V的鎳氫電池串聯(lián)起來使用，也配有相應(yīng)的充電器。DC-DC模塊仿生魚控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計要完成的主要功能為，電機位置的控制，PWM輸出方式來控制電機，無線遙控。電機位置控制指對電位計的模擬電信號進行摸，數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與預(yù)定的數(shù)據(jù)進行比較來控制電機的位置。PWM輸出是通過電機驅(qū)動模塊可有效的實現(xiàn)電機的控制，當其參數(shù)設(shè)置好以后，本部工作就不占用cpu,因此其效率較高。主程序首先初始化系統(tǒng)，設(shè)定系統(tǒng)的工作參數(shù)，主要包括單片機個端口參數(shù)設(shè)定，定時器的設(shè)定，PWM的工作模式設(shè)置，遙控模塊的初始化設(shè)置以及進行A/D采樣轉(zhuǎn)換設(shè)置。此外，還有定時器的參數(shù)設(shè)置等。PWM輸出方式遙控部分及控制界面設(shè)計1遙控硬件電路及其實現(xiàn)2串口通信儀3控制界面及下位機程序

1遙控硬件電路及其實現(xiàn)計算機通信方式分為并行通信和串行通信，相應(yīng)的通信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快，實時性好，占用的線多，不適合小型化產(chǎn)品，串行通信速率低，但是更加方便靈活。串行通信是CPU與外界進行信息交換的一種方式，是指數(shù)據(jù)一位一位按照順序傳送的通信方式。有兩種基本工作方式，異步傳送和同步傳送。優(yōu)點是自需要一根或者幾根數(shù)據(jù)傳輸線，可以大大降低成本。就串行通信來看，交換數(shù)據(jù)的雙方利用傳輸線上的電壓改變來達到數(shù)據(jù)交換的目的。但是如何從不斷改變的電壓狀態(tài)中解讀出其中的信息就需要雙方共同決定，因此，雙方為了可以通信起見，必須遵守一定的通信規(guī)則，這個共同的規(guī)則就是通信端口的設(shè)置。也即通信端口的初始化，包括數(shù)據(jù)的傳送單位，起始位以及停止位。我們采用RS232，傳輸線上的數(shù)據(jù)流動同時具有兩個方向的傳輸能力，所以叫全雙工模式。RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標準總線，該串行接口是微機系統(tǒng)中常見的外部總線標注接口，它以串行方式傳送數(shù)據(jù)，主要用于數(shù)據(jù)通信設(shè)備和數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號地，不可能使用雙端信號，因此，公模噪聲會耦合到信號系統(tǒng)，這就迫使RS232使用較高的傳輸電壓，并且采用的是負邏輯信號，由于RS232的TTL各自規(guī)定了自己的電氣標準，互不兼容，因此需要進行電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換可以用三極管等分離原件搭成，也可以直接采用專用電平轉(zhuǎn)換芯片。常用max202芯片，它具有功耗低，通信速率高，封裝形式多，單一電源供電，外接器件少等特點。MAX202芯片是內(nèi)部包括兩路接收器和驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種232通信接口。計算機通過RS232與MAX202下位機相連。下位機與遙控器的發(fā)射模塊之間用三極管起通斷作用max202芯片

2串口通信儀串口通信儀用于實現(xiàn)PC機遇單片機之間的串行通信，從而進行計算機的遠程遙控，使機器魚的活動范圍進一步擴大。通信儀面板上有速度指示燈、方位指示燈、鎖鍵指示燈和電源開關(guān)指示燈

3控制界面及下位機程序目前市場上編寫可視化界面的程序很多。例如VB,它具有開發(fā)程序的方便性。但他使用的是結(jié)構(gòu)化的basic語言，現(xiàn)在雖然被引入到了面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)中，單結(jié)構(gòu)化語言本身固有的弱點并不能而克服。相比之下，Delphi就具有很多優(yōu)勢：他是一個真正的編譯匯編平臺，開發(fā)出的軟件體積小、速度快；Delphi使用的是ObjectPascal語言，里面預(yù)定義了許多實現(xiàn)控制的類，以方便用戶的使用，本身提供的控制很多，