单片机的仿生机器鱼软件程序设计thebiomimeticroboticfishbasedonsinglechipmicr
摘 要摘 要分析和研究机器鱼的基本原理，并在老师的帮助下，我们选择了以三个舵机作为连接机构，两个舵机作为辅助运动机构的设计方案，主要是考虑到使结构简单，运动灵活。除了整体结构设计外，我们设计了基于80C51单片机的电路板和基于安卓系统的软件控制系统。同时，考虑到仿生机器鱼的防水性，本次项目用铝作为骨架，选择防水布料作为关节处的鱼皮，在非关节处用橡皮泥制作外形，来实现鱼的防水性和美观性。在整体结构设计过程，我们在制作过程中，还详细了解了舵机的各种知识，通过分析鱼的运动姿态，来设计仿生机器鱼的运动，我们决定硬件电路部分由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软件设计了整体的机械结构图，并购买材料在实验室进行加工。在软件方面，我们的软件分为两个部分，第一个部分是运动程序，在这方面设计了前进，左转和右转等基本动作，外加蓝牙控制。第二部分是功能程序，主要有远程控制，gps定位，人机交互，远程摄像，多种类语音导游等功能。本项目是以海洋馆导游型机器鱼为目的设计的智能型仿生机器鱼。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；运动程序，功能程序
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 仿生机器鱼硬件设计 4
2.1 仿生机器鱼驱动装置控制程序设计 4
2.1.1 本次项目选用的驱动装置 4
2.1.2 驱动装置的控制 4
2.2 仿生机器鱼的运动系统控制处理器介绍 6
2.2.1 89C51内部结构 7
2.3 仿生机器鱼的运动系统电路设计 7
2.4 仿生机器鱼功能系统硬件介绍 8
2.4.1 功能程序硬件部分CPU 8
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.2 功能系统硬件部分摄像头 8
2.4.3 功能系统硬件部分麦克风 8
2.4.4 功能系统硬件部分传感器 8
2.4.5 功能系统硬件部分网络制式 8
2.5 小结 9
第三章仿生机器鱼的程序设计 10
3.1 仿生机器鱼的运动程序详解 10
3.1.1 舵机的初始化模块 10
3.1.2 延时函数 11
3.1.3 子函数的调用 12
3.1.4 中断函数 13
3.1.5 蓝牙模块的调用 15
3.1.6 主程序运动模式 17
3.1.7 对舵机稳定控制动作的程序 18
3.2 功能程序搭载平台 20
3.3 功能系统具体功能设计 22
3.3.1 核心软件介绍 23
3.3.2 具体介绍 24
3.4 小结 26
第四章 制作过程和结果展示 27
4.1 制作过程 28
4.1.1 运动程序硬件制作 29
4.1.2 运动程序软件制作 29
4.1.3 功能系统硬件制作 29
4.1.4 功能系统软件制作 30
4.2 调试中的仿生机器鱼 31
4.3 仿生机器鱼的最终外形及动态展示 31
第五章 制作过程和结果展示 32
5.1 制作心得 32
5.2 仿生机器鱼展望 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
附 录 41
第一章 绪论
1.1 仿生机器鱼的概述
由于陆地资源趋于枯竭，所以海洋无限资源的开发已经变得尤其重要和不可或缺了，而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有着独特的优势。所以越来越多的学者关注并致力于仿生机器鱼的发展。而且科技的光速发展促进水下机器鱼等相关技术发展迅速。到现在仿生机器鱼已经在水面环境监测，水下生物观察，海洋资源探索，军事探测等领域有着重大发展。
以海洋资源探索为例，目前国际上主要采用水下机器鱼是依赖螺旋桨助推器，但是这类的水下机器鱼质量大，体积大，反应速度慢，损坏率高，成为水下机器鱼的难以克服的发展瓶颈。所以学者们根据鱼的运动动作，研究仿生机器鱼，以克服此类问题。
鱼类生物经过漫长的自然进化，他们在水中的动作已经接近完美。这些动作可以帮助他们在阻力和变化较大的环境下实现动作的快速转变，还能实现高效低耗的持久运动。所以学者们对鱼类在水下的完美动作进行持之以恒的研究和探索，希望能研究出能用于大范围，复杂环境的长期的海洋资源探索技术。这就是仿生机器鱼技术。这些年国家对于仿生机器鱼的投资力度不断加大，对仿生机器鱼的研究规模也不断加大。仿生机器鱼主要是解决了目前水下机器人推进效率低，激动性能差等缺点。鱼类依靠身体和鳍的协调运动，其推进效率可以达到80，这为什么学者希望通过研究仿生机器鱼技术来解决现有的以螺旋桨为推进的水下机器所遇到的低效高耗问题。
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。仿生机器鱼技术日新月异，应用的范围也越来越广。
1.2 仿生机器鱼的分类和组成
仿生是机器人在结构和功能上的基础目标，所以，研究机器鱼的目的在于高效，高速和高机动性这些与机器鱼附件流体相互作用的涡控机制。因而仿生机器鱼是一种参照鱼类运动方式，利用高科技电子元器件和传感器的水下运动装置。
鱼类的推进方式分为周期性推动和瞬时性推动两种。其中周期性推动主要用于持久性的运动。而瞬时性推动主要应用于需要快速反应的突发情况。分析这两种推进方式，本次项目发现这两种方式都需要鱼类身体的部位的协调配合。所以本次项目发现已出现的得水下机器人主要分为无揽和有揽两种。根据资料，机器鱼一般由执行机构、控制系统等组成。
1.3 国外仿生机器鱼研究现状
由于仿生机器鱼的巨大发展前景，许多外国大学都对仿生机器鱼进行了研究。例如美国华盛顿大学研制出的三条机器鱼。这三条机器鱼可以再水中相互交流，可以像真鱼一样，依靠鱼鳍游动，甚至还可以追逐像漂流物或者小鱼这样的猎物。这种机器鱼的尾部有两片平行于水面的尾舵，随着尾舵的转动，机器鱼可以上浮和下潜。还有一条竖直的尾鳍，来来保证游动时的平稳。尾巴是机器鱼的动力源，这条尾巴由后部伸出的一只机械臂带动。机器鱼模仿的是鲑鱼的动作。鲑鱼的动作看上去简单，但需要科学家利用专门的仿生学研究鲑鱼的动作轨迹，得出相应的算法。这样才能更好的指挥机械尾巴的动作做到尽量平滑。
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 仿生机器鱼硬件设计 4
2.1 仿生机器鱼驱动装置控制程序设计 4
2.1.1 本次项目选用的驱动装置 4
2.1.2 驱动装置的控制 4
2.2 仿生机器鱼的运动系统控制处理器介绍 6
2.2.1 89C51内部结构 7
2.3 仿生机器鱼的运动系统电路设计 7
2.4 仿生机器鱼功能系统硬件介绍 8
2.4.1 功能程序硬件部分CPU 8
2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.2 功能系统硬件部分摄像头 8
2.4.3 功能系统硬件部分麦克风 8
2.4.4 功能系统硬件部分传感器 8
2.4.5 功能系统硬件部分网络制式 8
2.5 小结 9
第三章仿生机器鱼的程序设计 10
3.1 仿生机器鱼的运动程序详解 10
3.1.1 舵机的初始化模块 10
3.1.2 延时函数 11
3.1.3 子函数的调用 12
3.1.4 中断函数 13
3.1.5 蓝牙模块的调用 15
3.1.6 主程序运动模式 17
3.1.7 对舵机稳定控制动作的程序 18
3.2 功能程序搭载平台 20
3.3 功能系统具体功能设计 22
3.3.1 核心软件介绍 23
3.3.2 具体介绍 24
3.4 小结 26
第四章 制作过程和结果展示 27
4.1 制作过程 28
4.1.1 运动程序硬件制作 29
4.1.2 运动程序软件制作 29
4.1.3 功能系统硬件制作 29
4.1.4 功能系统软件制作 30
4.2 调试中的仿生机器鱼 31
4.3 仿生机器鱼的最终外形及动态展示 31
第五章 制作过程和结果展示 32
5.1 制作心得 32
5.2 仿生机器鱼展望 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
附 录 41
第一章 绪论
1.1 仿生机器鱼的概述
由于陆地资源趋于枯竭，所以海洋无限资源的开发已经变得尤其重要和不可或缺了，而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有着独特的优势。所以越来越多的学者关注并致力于仿生机器鱼的发展。而且科技的光速发展促进水下机器鱼等相关技术发展迅速。到现在仿生机器鱼已经在水面环境监测，水下生物观察，海洋资源探索，军事探测等领域有着重大发展。
以海洋资源探索为例，目前国际上主要采用水下机器鱼是依赖螺旋桨助推器，但是这类的水下机器鱼质量大，体积大，反应速度慢，损坏率高，成为水下机器鱼的难以克服的发展瓶颈。所以学者们根据鱼的运动动作，研究仿生机器鱼，以克服此类问题。
鱼类生物经过漫长的自然进化，他们在水中的动作已经接近完美。这些动作可以帮助他们在阻力和变化较大的环境下实现动作的快速转变，还能实现高效低耗的持久运动。所以学者们对鱼类在水下的完美动作进行持之以恒的研究和探索，希望能研究出能用于大范围，复杂环境的长期的海洋资源探索技术。这就是仿生机器鱼技术。这些年国家对于仿生机器鱼的投资力度不断加大，对仿生机器鱼的研究规模也不断加大。仿生机器鱼主要是解决了目前水下机器人推进效率低，激动性能差等缺点。鱼类依靠身体和鳍的协调运动，其推进效率可以达到80，这为什么学者希望通过研究仿生机器鱼技术来解决现有的以螺旋桨为推进的水下机器所遇到的低效高耗问题。
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。仿生机器鱼技术日新月异，应用的范围也越来越广。
1.2 仿生机器鱼的分类和组成
仿生是机器人在结构和功能上的基础目标，所以，研究机器鱼的目的在于高效，高速和高机动性这些与机器鱼附件流体相互作用的涡控机制。因而仿生机器鱼是一种参照鱼类运动方式，利用高科技电子元器件和传感器的水下运动装置。
鱼类的推进方式分为周期性推动和瞬时性推动两种。其中周期性推动主要用于持久性的运动。而瞬时性推动主要应用于需要快速反应的突发情况。分析这两种推进方式，本次项目发现这两种方式都需要鱼类身体的部位的协调配合。所以本次项目发现已出现的得水下机器人主要分为无揽和有揽两种。根据资料，机器鱼一般由执行机构、控制系统等组成。
1.3 国外仿生机器鱼研究现状
由于仿生机器鱼的巨大发展前景，许多外国大学都对仿生机器鱼进行了研究。例如美国华盛顿大学研制出的三条机器鱼。这三条机器鱼可以再水中相互交流，可以像真鱼一样，依靠鱼鳍游动，甚至还可以追逐像漂流物或者小鱼这样的猎物。这种机器鱼的尾部有两片平行于水面的尾舵，随着尾舵的转动，机器鱼可以上浮和下潜。还有一条竖直的尾鳍，来来保证游动时的平稳。尾巴是机器鱼的动力源，这条尾巴由后部伸出的一只机械臂带动。机器鱼模仿的是鲑鱼的动作。鲑鱼的动作看上去简单，但需要科学家利用专门的仿生学研究鲑鱼的动作轨迹，得出相应的算法。这样才能更好的指挥机械尾巴的动作做到尽量平滑。
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