魚類的游動具有高效性、機動性以及低噪性等優(yōu)點。因此，仿生機器魚的研究己成為機器人研究領(lǐng)域的熱點。隨著仿生機器魚研究的不斷深入，仿生機器魚在水下搜救、水質(zhì)檢測以及海洋資源勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。近年來，機器魚也成為國內(nèi)國際高校機器人比賽項目之一。本文就是針對在國際水中機器人大賽的大平臺上的三關(guān)節(jié)機器魚而設計的一套雙關(guān)節(jié)機器魚控制系統(tǒng)。本機器魚控制系統(tǒng)具有體積小、成本低、微功耗等優(yōu)點，可以方便地運用到類似的機器魚產(chǎn)品中。

1機器魚控制系統(tǒng)設計方案

機器魚控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要分為指令發(fā)送端和指令執(zhí)行端，兩部分均以CC1110無線單片機作為核心控制器，負責指令的發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)處理，進而控制機器魚的相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)工作。指令發(fā)送端的指令來自上位機，USB串口轉(zhuǎn)換電路將USB接口模擬成串口，實現(xiàn)上位機與CC1110的串口通信。電源模塊完成電壓的變換，為相關(guān)電路提供各種合適的工作電壓。存儲器模塊存儲機器魚的相關(guān)信息。舵機驅(qū)動模塊為執(zhí)行機構(gòu)舵機提供合適的控制信號。

圖1機器魚控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2機器魚控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 USB串口轉(zhuǎn)換電路

CH341T是一款USB總線轉(zhuǎn)接芯片，通過簡單的接線即可實現(xiàn)USB接口和串口之間的轉(zhuǎn)換，此時無需改動上位機與下位機的程序，通過USB接口即可實現(xiàn)上位機與下位機的串行通信。USB串口轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖2所示。

圖2 USB串口轉(zhuǎn)換電路

在本設計電路中，將CH341T芯片的SDA和SCL引腳懸空，此時芯片功能為USB轉(zhuǎn)異步串口，模擬計算機串口；CH341T芯片的TXD和RXD兩個引腳分別連接到CC1110無線單片機的RX（P0.2）和TX（P0.3）兩個引腳；TEN#引腳為串口發(fā)送使能端，接地使CH341T能發(fā)送數(shù)據(jù)。CH341T芯片的地要和CC1110無線單片機的地相連。CH341T不需外接電源，直接由上位機通過USB口提供+5V電源。

2.2 DC-DC電壓變換電路

指令發(fā)送端由USB提供5V電壓，指令執(zhí)行端由電池提供5V直流電壓。電池提供的5V直流電壓可以直接為舵機驅(qū)動芯片以及舵機供電。而系統(tǒng)內(nèi)部CC1110無線單片機正常工作電壓范圍是2.0~3.6V，存儲器芯片24AA01正常工作電壓范圍是1.7~5.5V，這里可以將二者的工作電壓選擇為3.3V.為此，專門設計了一個DC-DC電壓變換電路，將5V直流電壓變換為3.3V直流電壓后再提供給CC1110無線單片機和24AA01芯片，以保證系統(tǒng)的正常工作。這里采用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117芯片設計了電壓變換電路，具體的DC-DC電壓變換電路如圖3所示。

圖3 DC-DC電壓變換電路

在電壓輸入端接有22μF電解電容及電壓輸出端接有47μF電解電容，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2.3 CC1110無線收發(fā)電路

在機器魚控制系統(tǒng)中，機器魚指令的發(fā)送、接收以及指令解析執(zhí)行是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。而現(xiàn)有的無線收發(fā)系統(tǒng)很多都是采用單片機和RF收發(fā)模塊組成，這樣整個控制電路的體積較大，將會使機器魚的體積變大。為了將機器魚體積做小以及將功耗降低，這里采用TI公司生產(chǎn)的一種低成本、低功耗的CC1110無線單片機作為指令收發(fā)執(zhí)行的核心器件。CC1110無線收發(fā)電路如圖4所示。

圖4 CC1110無線收發(fā)電路

在無線收發(fā)電路中，電容C1-C6為電源去耦電容；電阻R2和電容C18構(gòu)成上電復位電路；電容C7、C9以及電感L1、L2構(gòu)成BALUN阻抗匹配電路，將輸出阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω標準天線阻抗；Y1、C13以及C14構(gòu)成CC1110高速時鐘源；Y2、C15以及C16構(gòu)成CC1110低速時鐘源：JATG接口用于在線調(diào)試與下載程序；PWM01（P1.0）和PWM02（P1.1）接舵機驅(qū)動電路的輸入；RX（P0.2）和TX（P0.3）接USB串口轉(zhuǎn)換電路，用于串口通信；2401_WP（P0.4）、2401_SCL（P0.5）以及2401_SDA（P0.6）接存儲器模塊，控制存儲器的讀寫。

2.4舵機驅(qū)動電路

在機器魚控制系統(tǒng)中，我們利用舵機的擺動來模擬機器魚的游動。而無線單片機產(chǎn)生的PWM信號不足以驅(qū)動舵機，為保證舵機正常工作，要專門設計一個舵機驅(qū)動電路。舵機驅(qū)動電路采用了NXPSemiconductors公司生產(chǎn)的74AHCT1G04芯片，舵機驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

圖5舵機驅(qū)動電路

2.5存儲器電路

在機器魚初始化階段以及在機器魚控制過程中需要存儲一些參數(shù)，因此要有專門的存儲模塊。由于參數(shù)的數(shù)據(jù)量比較小，這里采用Microchip公司生產(chǎn)的I2C接口的24AA01存儲芯片，存儲器電路原理圖如圖6所示。

圖6存儲器電路

3機器魚控制系統(tǒng)軟件設計

在機器魚控制系統(tǒng)中軟件設計采用模塊化設計，主要包括串口通信程序、無線通信程序、存儲器讀寫程序以及舵機驅(qū)動程序。

3.1串口通信程序設計

串口通信程序完成CC1110無線單片機與上位機PC的串行通信。串口接收數(shù)據(jù)采用中斷的方式，串口發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢的方式。串口收發(fā)程序流程圖如圖7所示。

圖7串口收發(fā)程序流程圖

在硬件設計中采用了CH341T串口轉(zhuǎn)換電路模擬串口，為了配合硬件的使用，需要在上位機中安裝驅(qū)動程序，驅(qū)動程序可以從南京沁恒電子有限公司網(wǎng)站上下載。

3.2無線通信程序設計

在設計無線通信程序前，需要配置CC1110的高頻部分，以確定無線收發(fā)器的收發(fā)頻率、發(fā)送功率、傳輸速率以及調(diào)制方式等。由于CC11 10高頻配置較為復雜，這里可以采用TI公司的SmartRF Studio軟件來進行配置。通過設置寄存器FREQ2、FREQ1和FREQ0將CC1110的收發(fā)頻率選擇在433MHz頻段；通過設置PA TABLE0將CC1110的發(fā)送功率設置為10dBm，這樣可以提高發(fā)射距離；由于該控制系統(tǒng)的指令數(shù)據(jù)量較小，可以選擇較低的傳輸速率，不僅可以提高傳輸距離，而且可以降低能耗；調(diào)制方式選擇2-FSK方式。

無線通信程序包括無線發(fā)送程序和無線接收程序兩部分。無線發(fā)送程序?qū)⒋l(fā)送的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送出去，無線接收程序可以接收同頻率的發(fā)射機發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線通信程序流程圖如圖8所示。

圖8無線通信程序流程圖

3.3指令發(fā)送端主程序設計

在機器魚控制系統(tǒng)的指令發(fā)送端，實現(xiàn)的功能包括串口收發(fā)數(shù)據(jù)和無線收發(fā)數(shù)據(jù)。指令發(fā)送端主程序流程圖如圖9所示。

圖9指令發(fā)送端主程序流程圖

指令數(shù)據(jù)無線發(fā)送以后，指令發(fā)送端開始等待接收指令執(zhí)行端反饋的數(shù)據(jù)。指令發(fā)送端接收到反饋數(shù)據(jù)后調(diào)用串口發(fā)送程序?qū)⒎答仈?shù)據(jù)發(fā)回到PC，將反饋數(shù)據(jù)與指令數(shù)據(jù)比對，如果反饋數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致，則認為指令數(shù)據(jù)發(fā)送成功，否則重新發(fā)送指令數(shù)據(jù)。如果長時間沒有接收到反饋數(shù)據(jù)，則重新發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

3.4指令執(zhí)行端主程序設計

在機器魚控制系統(tǒng)指令執(zhí)行端，主要包含指令數(shù)據(jù)的接收、指令數(shù)據(jù)的反饋發(fā)送、存儲器的讀寫以及舵機的控制等。其中，舵機的控制是最為關(guān)鍵的部分。在控制舵機前要先對指令數(shù)據(jù)進行解析，計算出舵機的控制量。由于舵機采用級聯(lián)的方式來模仿魚體的擺動，因此舵機間關(guān)節(jié)的運動規(guī)律可以采用以下數(shù)學模型：

式中，Ka為振幅系數(shù)，Ki為偏斜系數(shù)，f為擺動頻率，φi為關(guān)節(jié)滯后角，Aimax為關(guān)節(jié)擺動幅度，t為時間。以上參數(shù)即為舵機的主要控制參數(shù)。在程序設計過程中，一般取Ka≤0.5，Ki、f、φi以及Aimax四個參數(shù)根據(jù)具體的速度指令和方向指令來計算出相應的控制量。指令執(zhí)行端主程序流程圖如圖10所示。

圖10指令執(zhí)行端主程序流程圖

4結(jié)束語

本文設計的機器魚控制系統(tǒng)通過了下水測試。在機器魚下水測試階段，利用串口調(diào)試助手對機器魚進行直接發(fā)送控制指令實驗，對機器魚的調(diào)直數(shù)據(jù)保存、直游以及轉(zhuǎn)彎進行了直接控制。測試結(jié)果表明，機器魚控制系統(tǒng)可以有效地接收上位機發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相關(guān)的動作，達到了較好的控制效果。同時，本文的研究設計工作為進一步研究設計自主機器魚以及多魚協(xié)作提供了較好的軟硬件設計基礎。