无线控制的机器鱼软件程序设计(附件)
摘 要摘 要机器鱼技术的发展是一个与科学技术共同发展的综合性结果，是一泓对社会经济有着很大提高的动力源泉。从机器鱼的发展史开始做相关分析和研究。结合老师的意见，对机器鱼进行了几种结构设计，最终选择了三个舵机作为连接机构，主要是考虑到结构的简单易行，运动灵活以及便于控制。除了关注整体结构设计，对控制系统软件设计和硬件电路部分也做了较深刻的了解。同时，在考虑到舵机的不防水性，本次项目选择简单易制的泡沫作为鱼体的填充物，选择质地柔软的保鲜膜作为防水材料。在整体结构设计过程，本次项目还详细了解了舵机的理论知识，通过分析运动姿态，本次项目的硬件电路部分决定采用由51单片机、驱动器和电源模块等几个部分组成。仿生机器鱼的结构部分最重要的便是舵机之间的连接结构的设计和材料选择。通过对舵机连接结构的观察，本次项目通过CAD软件设计了简便的连接架，并购买材料在实验室进行加工。在软件部分，本次项目细致地选择仿生机器鱼运动时重要的模块，如通信模块、延时模块、避障模块以及舵机控制模块等等几大软件模块。为了更好的运动和控制，本次项目选择蓝牙模块和红外避障模块给机器鱼添加附加功能。本次项目设计好的机器鱼在实际生活中，能够用于探测水质，跟踪和搜寻目标等功能。在论文结尾，本次项目可以对已设计好的仿生机器鱼添加更多的功能，用于针对环境更加复杂和未知的场合。关键词：水下仿生机器鱼；STC89C51；蓝牙模块控制目 录
第一章 绪论 1
1.1 仿生机器鱼的概述 1
1.2 仿生机器鱼的分类和组成 2
1.3 国外仿生机器鱼研究现状 2
1.4 国内水下仿生机器鱼的研究史 3
1.5 本次设计的任务与主要内容 3
第二章 仿生机器鱼结构介绍 4
2.1 仿生机器鱼的驱动装置 4
2.1.1 微型伺服马达内部结构 4
2.1.2 微行伺服马达的工作原理 4
2.1.3 舵机的控制 5
2.1.4 本次项目选用的舵机 6
2.2 仿生机器鱼的制作过程 7
2.3 本次项目使用的零件 8
2.4 仿生机器鱼控制部分介绍 8
2.5 仿生机器鱼的电路设计 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
> 2.1.1 微型伺服马达内部结构 4
2.1.2 微行伺服马达的工作原理 4
2.1.3 舵机的控制 5
2.1.4 本次项目选用的舵机 6
2.2 仿生机器鱼的制作过程 7
2.3 本次项目使用的零件 8
2.4 仿生机器鱼控制部分介绍 8
2.5 仿生机器鱼的电路设计 10
2.6 小结 11
第三章 仿生机器鱼的程序设计 12
3.1 运动分析及其实现 12
3.1.1 引言 12
3.1.2 仿生机器鱼的运动和波函数 12
3 1.3 仿生鱼的尾鳍运动和相关参数 13
3.1.4 仿生机器鱼转弯模式 14
3.2 仿生机器鱼游动的物理模型 14
3.3 51单片机主要功能简介 15
3.4 仿生机器鱼的程序详解 17
3.4.1 舵机的初始化模块 17
3.4.2 延时函数 17
3.4.3 子函数的调用 19
3.4.4 中断函数 19
3.4.5 蓝牙模块和红外避障模块的调用 22
3.4.6 主程序运动模式 24
3.4.7 对舵机稳定控制动作的程序 26
3.5 小结 28
第四章仿生机器鱼的附加模块 29
4.1 蓝牙控制模块 29
4.2 红外避障模块传感器 30
4.3 小结 31
第五章 制作过程和结果展示 32
5.1 制作过程 32
5.2 结论及对未来的展望 36
致 谢 39
参 考 文 献 40
附 录 42
第一章 绪论
1.1 仿生机器鱼的概述
近年来,学者们对海洋资源的探索越来越紧迫。对今天的本次项目来说，海洋无限资源的开发已经变得尤其重要和不可或缺了，而且水下机器鱼在海洋研究、海洋资源探索和海洋军事等方面的应用也会变得越来越关键。科技的光速发展促进水下机器鱼等相关技术才得以与之并驾齐驱，并飞速进步。当海洋资源逐渐变得弥足珍贵，各个国家对海洋资源的开采也越来越重视，与此同时，对海洋开采技术的追求也变得愈发不可或缺。可是，由于目前绝大多数国家都采用的都是推进器依然依赖于螺旋桨的水下机器鱼，而以螺旋桨为动力的水下机器鱼又存在着质量过重、体积过大、瞬时性太差、可靠性不足等难以避免的问题。目前水下机器鱼的发展遇到了难以轻易攻克的瓶颈问题，也就是出现问题众多的螺旋桨。当陆上资源的日益匮乏以及人们对能较大范围移动和有高机动性的水下机器鱼的需要，研究者们寻找能够克服这一缺点的新技术已经变得越来越紧迫。学者们不仅仅需要在原有的技术上进行改进，去开发新型的推进方式已经不可避免。
在漫长的大自然进化史中，鱼类生物已经逐渐进化为脊椎动物了。尤其是在经过几百万年的进化和对环境的适应后，鱼类的运动可以说已经快接近完美了。它们不仅可以在阻力和变化较大的环境下实现快速的转变，还能在持久地游动过程保持高效、低能。很早之前，水下机器人探索者便对这样一种能在水下完成优美运动的生物拥有了极大的热情和持之以恒地探索、开发。从而用于进行大范围的、环境复杂和长期的水下作业，以及海洋资源的勘察、海底生物的考察和海上救援等状况。近年来，伴随着科技的高速发展，国内外学者对机器鱼的研究也登上了更大的平台，设计了很多新型的机器鱼。也因此，对机器鱼的研究规模也越来越巨大。
就目前来看，水下机器人的作业方式大致可分为遥控和自主作业。而自主作业的机器人以其高范围高智能低费用等优点已经逐渐成为了新型水下机器人开发的方向。可仅仅依赖于螺旋桨的推进，即使拥有自主作业的能力，水下机器人依然不能突破推进效率低、机动性能差的缺点。因此，人们便把目光转向了有更高推进力的新型推进方式。
鱼类依靠身体和鳍的协调运动，其推进效率可以达到80%，这也是以螺旋桨为推进的水下机器人所无法企及的。随着学者们对鱼类游动机理的逐步认识和控制、传感、技术、材料等相关技术的不断发展和创新，将会有更多的机器人学者从机构、形态、功能等方面对鱼类进行模仿学习，并实现高效、灵活和隐形的水下机器人。
1.2 仿生机器鱼的分类和组成
机器人的结构和功能大多以仿生为基础目标，因此，机器鱼的研究自然离不开高效、高速、高机动性等与周围流体相互作用的涡控制机制为目的。而仿生机器鱼又是利用机械电子元器件和传感器等智能材料，参照鱼类的游动原理从而产生的一种水下运动装置[1]。
从鱼类的游动推进模式区分有周期性和瞬时性运动，对于持久性游动，一般采用前者，而对于突发状况，需要快速启动和迅速游动时则采用第二种。根据鱼类游动时借助的推进，本次项目很容易发现它们的运动完全需要身体各个不同部位的帮助，又可以分为尾鳍和对鳍模式。对于已出现的水下机器人，本次项目可以分成无揽和有揽两类。仿生机器鱼由执行机构、推进系统和控制系统等部分组成。
1.3 国外仿生机器鱼研究现状
目前世界上对机器鱼的研究比较多，其中美国有MIT(RoboTuna、RoboPike)、佛罗里达大学(the microelectronic fish robot)、德州农工大学(actiVe materials to aquatic biomimetics)、东北大学(biomimeticunderwater robot program)。英国的Heriot—Watt大学和比利时的Vrije大学(thefish robot)都有仿生机器鱼相关的研究，还有加拿大的渥太华大学(electric fishresearch)，美国南媳大鱼类运动的流力研究(re
第一章 绪论 1
1.1 仿生机器鱼的概述 1
1.2 仿生机器鱼的分类和组成 2
1.3 国外仿生机器鱼研究现状 2
1.4 国内水下仿生机器鱼的研究史 3
1.5 本次设计的任务与主要内容 3
第二章 仿生机器鱼结构介绍 4
2.1 仿生机器鱼的驱动装置 4
2.1.1 微型伺服马达内部结构 4
2.1.2 微行伺服马达的工作原理 4
2.1.3 舵机的控制 5
2.1.4 本次项目选用的舵机 6
2.2 仿生机器鱼的制作过程 7
2.3 本次项目使用的零件 8
2.4 仿生机器鱼控制部分介绍 8
2.5 仿生机器鱼的电路设计 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
> 2.1.1 微型伺服马达内部结构 4
2.1.2 微行伺服马达的工作原理 4
2.1.3 舵机的控制 5
2.1.4 本次项目选用的舵机 6
2.2 仿生机器鱼的制作过程 7
2.3 本次项目使用的零件 8
2.4 仿生机器鱼控制部分介绍 8
2.5 仿生机器鱼的电路设计 10
2.6 小结 11
第三章 仿生机器鱼的程序设计 12
3.1 运动分析及其实现 12
3.1.1 引言 12
3.1.2 仿生机器鱼的运动和波函数 12
3 1.3 仿生鱼的尾鳍运动和相关参数 13
3.1.4 仿生机器鱼转弯模式 14
3.2 仿生机器鱼游动的物理模型 14
3.3 51单片机主要功能简介 15
3.4 仿生机器鱼的程序详解 17
3.4.1 舵机的初始化模块 17
3.4.2 延时函数 17
3.4.3 子函数的调用 19
3.4.4 中断函数 19
3.4.5 蓝牙模块和红外避障模块的调用 22
3.4.6 主程序运动模式 24
3.4.7 对舵机稳定控制动作的程序 26
3.5 小结 28
第四章仿生机器鱼的附加模块 29
4.1 蓝牙控制模块 29
4.2 红外避障模块传感器 30
4.3 小结 31
第五章 制作过程和结果展示 32
5.1 制作过程 32
5.2 结论及对未来的展望 36
致 谢 39
参 考 文 献 40
附 录 42
第一章 绪论
1.1 仿生机器鱼的概述
近年来,学者们对海洋资源的探索越来越紧迫。对今天的本次项目来说，海洋无限资源的开发已经变得尤其重要和不可或缺了，而且水下机器鱼在海洋研究、海洋资源探索和海洋军事等方面的应用也会变得越来越关键。科技的光速发展促进水下机器鱼等相关技术才得以与之并驾齐驱，并飞速进步。当海洋资源逐渐变得弥足珍贵，各个国家对海洋资源的开采也越来越重视，与此同时，对海洋开采技术的追求也变得愈发不可或缺。可是，由于目前绝大多数国家都采用的都是推进器依然依赖于螺旋桨的水下机器鱼，而以螺旋桨为动力的水下机器鱼又存在着质量过重、体积过大、瞬时性太差、可靠性不足等难以避免的问题。目前水下机器鱼的发展遇到了难以轻易攻克的瓶颈问题，也就是出现问题众多的螺旋桨。当陆上资源的日益匮乏以及人们对能较大范围移动和有高机动性的水下机器鱼的需要，研究者们寻找能够克服这一缺点的新技术已经变得越来越紧迫。学者们不仅仅需要在原有的技术上进行改进，去开发新型的推进方式已经不可避免。
在漫长的大自然进化史中，鱼类生物已经逐渐进化为脊椎动物了。尤其是在经过几百万年的进化和对环境的适应后，鱼类的运动可以说已经快接近完美了。它们不仅可以在阻力和变化较大的环境下实现快速的转变，还能在持久地游动过程保持高效、低能。很早之前，水下机器人探索者便对这样一种能在水下完成优美运动的生物拥有了极大的热情和持之以恒地探索、开发。从而用于进行大范围的、环境复杂和长期的水下作业，以及海洋资源的勘察、海底生物的考察和海上救援等状况。近年来，伴随着科技的高速发展，国内外学者对机器鱼的研究也登上了更大的平台，设计了很多新型的机器鱼。也因此，对机器鱼的研究规模也越来越巨大。
就目前来看，水下机器人的作业方式大致可分为遥控和自主作业。而自主作业的机器人以其高范围高智能低费用等优点已经逐渐成为了新型水下机器人开发的方向。可仅仅依赖于螺旋桨的推进，即使拥有自主作业的能力，水下机器人依然不能突破推进效率低、机动性能差的缺点。因此，人们便把目光转向了有更高推进力的新型推进方式。
鱼类依靠身体和鳍的协调运动，其推进效率可以达到80%，这也是以螺旋桨为推进的水下机器人所无法企及的。随着学者们对鱼类游动机理的逐步认识和控制、传感、技术、材料等相关技术的不断发展和创新，将会有更多的机器人学者从机构、形态、功能等方面对鱼类进行模仿学习，并实现高效、灵活和隐形的水下机器人。
1.2 仿生机器鱼的分类和组成
机器人的结构和功能大多以仿生为基础目标，因此，机器鱼的研究自然离不开高效、高速、高机动性等与周围流体相互作用的涡控制机制为目的。而仿生机器鱼又是利用机械电子元器件和传感器等智能材料，参照鱼类的游动原理从而产生的一种水下运动装置[1]。
从鱼类的游动推进模式区分有周期性和瞬时性运动，对于持久性游动，一般采用前者，而对于突发状况，需要快速启动和迅速游动时则采用第二种。根据鱼类游动时借助的推进，本次项目很容易发现它们的运动完全需要身体各个不同部位的帮助，又可以分为尾鳍和对鳍模式。对于已出现的水下机器人，本次项目可以分成无揽和有揽两类。仿生机器鱼由执行机构、推进系统和控制系统等部分组成。
1.3 国外仿生机器鱼研究现状
目前世界上对机器鱼的研究比较多，其中美国有MIT(RoboTuna、RoboPike)、佛罗里达大学(the microelectronic fish robot)、德州农工大学(actiVe materials to aquatic biomimetics)、东北大学(biomimeticunderwater robot program)。英国的Heriot—Watt大学和比利时的Vrije大学(thefish robot)都有仿生机器鱼相关的研究，还有加拿大的渥太华大学(electric fishresearch)，美国南媳大鱼类运动的流力研究(re
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