基于单片机的蛇形机器人的控制器设计【字数：11911】
摘 要本文介绍了一种基于STM32F103单片机控制的射型机器人的控制器的设计，该设计利用ST公司的STM32F103单片机作为核心控制内核，主要动作流程就是从红外控制手柄发出信号，然后红外接收器接收信号，从而对蛇形机器人的前进和后退进行控制。该设计之中一共采用八个伺服舵机，同时整个蛇的长度被分成九段，八个伺服舵机同时工作，利用其中两个改变姿态的伺服舵机相差进行蛇型身体的变化。同时该设计之中利用单片机较高的性价比和控制功能的高集成度，实现蛇型机器人的简单运动功能，该方案可行性十分强而且抗干扰能力出色。
目 录
第一章 设计背景 1
1.1仿生工程学的发展现状 1
1.2蛇型机器人的研究价值 1
第二章 仿生机器蛇的机械结构和运动分析 2
2.1仿生机器蛇的机械结构 2
2.2仿生机器蛇的运动分析 2
第三章 控制系统硬件设计 4
3.1硬件电路总体设计分析 4
3.2硬件电路模块选型论证 4
3.2.1总控制单片机选型 4
3.2.2红外发送接收方案选择论证 5
3.2.3红外接收模块选择论证 5
3.2.4机器蛇关节电机选择 6
3.3硬件电路模块介绍 6
3.3.1红外发射电路设计 6
3.3.2红外接收电路设计 8
3.3.3单片机最小系统电路设计 8
3.3.4舵机驱动电路设计 11
第四章 控制系统软件设计 13
4.1红外信号发射程序 13
4.2红外信号接收程序 15
4.3PWM波控制生成程序 16
4.4仿真调试 20
4.4.1仿真软件proteus的功能 20
4.4.2仿真电路总体框图 21
4.4.3仿真电路运行 21
第五章 控制系统测试 23
第六章 系统设计总结 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
设计背景
1.1仿生工程学的发展现状
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
仿生学，在科学的领域一般也被称作仿生设计学和设计仿生学，是利用对某些生物的特殊能力和习性而新兴的一门边缘学科。仿生学并不是科技研究的主流方向，但是在很大程度上和很多方面都会给人们带来相应的启示和影响。
仿生学设计之中最基础的设计就是利用生物特殊的外形和机械结构力学进行相互关联，从而将生物特有的运动方式抽象成为具体的机械模型，从而实现功能的定向分离，进而满足人类对于生产生活中技术的要求。最早的仿生工程学是直接利用生物直观的物理特性例如鸡蛋的圆形机构、蜉蝣生物的贴水行走以及蝙蝠的超声波通讯等等。而现在随着电子信息产业的日益飞速发展和人工智能产业的崛起，越来越多的仿生工程学脱离了单纯的机械构造，更多的与上位机甚至互联网进行了有机的结合，极大的增强了这些仿生产品的人机交互能力和智能性，使得功能上更加强大，应用上更加广泛，安全性上更加可靠，应用性得到了极大的增强。
1.2蛇型机器人的研究价值
蛇作为自然界最灵活的动物，其敏捷的反应以及精密的移动方式早早就成为人类在仿生工程学之中最关注的研究对象之一，蛇型机器人作为近年来发展较多的柔性机器人，通过其步进的精密算法以及能够适应各种复杂自然环境的能力逐渐拓展其在各个领域的应用。
在军事领域之中，蛇型机器人能够根据人的控制，从而穿过复杂多变的地区环境，代替人实现货物运输和地形侦察等相应的功能，极大的降低了士兵单兵作战的危险同时提高了士兵的作战科技含量，对打赢局部高科技战争有着巨大的帮助。同时蛇型机器人在火场的救援，山地地形的勘测以及运动学、生物学领域相应的研究都有着极大的帮助和促进作用，所以在蛇型机器人的方向上有着巨大的研究潜力和研究价值。
仿生机器蛇的机械结构和运动分析
2.1仿生机器蛇的机械结构
根据生物学的研究可知，蛇是通过身体的骨节规律的蠕动，带动身体与地面进行摩擦，依靠摩擦力的反向作用力使得蛇可以在任何平面上实现移动的过程，所以根据这种运动特点将原本是蛇的骨架抽象成机械的舵机。
舵机可以通过单片机输出的波形控制其运动或者转向的周期，从而实现将硬生生的机械元件转变成为像动物骨骼一样可以实现可控运动的元件。所以在仿生蛇的设计中在每个连接元件之中加上一个伺服舵机，从而实现可控运动。
2.2仿生机器蛇的运动分析
通过对蛇的运动进行观察可以得知，蛇的爬行运动过程可以总结概括成为四种标准形式：蛇形运动、直线运动、侧方向运动以及伸缩运动这四种。形象的来说蛇的运动状态变化是先将身体转变成为拱形然后舒展成为平直这样进行收缩平直交替的运动，将蛇的运动外形进行逻辑抽象，发现很类似正弦波的一个周期，加之对仿生蛇的机械结构进行了完备的分析于是采用如图22所示的运动状况，白点表示连接关节，其中含有相应的舵机。
该运动方式采用的是蜿蜒运动的方式，正如我们所知，蛇的蜿蜒运动方式如图21所示，即蛇本身通过自己的肌肉控制的关节实现规律的转动，但是根据转动的角度不同，蛇的身体在运动过程之中形成类似正弦波的的移动方式，弯曲之后蛇的身体便可以产生向后的力根据地面产生的摩擦力的反作用力推动蛇体向前爬行。这种运动方式的优点便是第一，根据可以直接利用单片机实现对PWM波的产生从而使舵机来模拟类似正弦波的运动，方便实现；第二采用蛇的蜿蜒前行的反案可以使得蛇相对的灵活，从而能够利用身体的蜿蜒程度进行类似绕桩运动一样穿过障碍物达到自己的目的，工程应用度更高。此运动方式存在一定的相对缺点即无法在摩擦力小的环境之中展开工作，考虑机器蛇的服务场景，此运动反感还是相对可行。如图21所示：
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图21 蛇蜿蜒运动的示意图
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第一章 设计背景 1
1.1仿生工程学的发展现状 1
1.2蛇型机器人的研究价值 1
第二章 仿生机器蛇的机械结构和运动分析 2
2.1仿生机器蛇的机械结构 2
2.2仿生机器蛇的运动分析 2
第三章 控制系统硬件设计 4
3.1硬件电路总体设计分析 4
3.2硬件电路模块选型论证 4
3.2.1总控制单片机选型 4
3.2.2红外发送接收方案选择论证 5
3.2.3红外接收模块选择论证 5
3.2.4机器蛇关节电机选择 6
3.3硬件电路模块介绍 6
3.3.1红外发射电路设计 6
3.3.2红外接收电路设计 8
3.3.3单片机最小系统电路设计 8
3.3.4舵机驱动电路设计 11
第四章 控制系统软件设计 13
4.1红外信号发射程序 13
4.2红外信号接收程序 15
4.3PWM波控制生成程序 16
4.4仿真调试 20
4.4.1仿真软件proteus的功能 20
4.4.2仿真电路总体框图 21
4.4.3仿真电路运行 21
第五章 控制系统测试 23
第六章 系统设计总结 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
设计背景
1.1仿生工程学的发展现状
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
仿生学，在科学的领域一般也被称作仿生设计学和设计仿生学，是利用对某些生物的特殊能力和习性而新兴的一门边缘学科。仿生学并不是科技研究的主流方向，但是在很大程度上和很多方面都会给人们带来相应的启示和影响。
仿生学设计之中最基础的设计就是利用生物特殊的外形和机械结构力学进行相互关联，从而将生物特有的运动方式抽象成为具体的机械模型，从而实现功能的定向分离，进而满足人类对于生产生活中技术的要求。最早的仿生工程学是直接利用生物直观的物理特性例如鸡蛋的圆形机构、蜉蝣生物的贴水行走以及蝙蝠的超声波通讯等等。而现在随着电子信息产业的日益飞速发展和人工智能产业的崛起，越来越多的仿生工程学脱离了单纯的机械构造，更多的与上位机甚至互联网进行了有机的结合，极大的增强了这些仿生产品的人机交互能力和智能性，使得功能上更加强大，应用上更加广泛，安全性上更加可靠，应用性得到了极大的增强。
1.2蛇型机器人的研究价值
蛇作为自然界最灵活的动物，其敏捷的反应以及精密的移动方式早早就成为人类在仿生工程学之中最关注的研究对象之一，蛇型机器人作为近年来发展较多的柔性机器人，通过其步进的精密算法以及能够适应各种复杂自然环境的能力逐渐拓展其在各个领域的应用。
在军事领域之中，蛇型机器人能够根据人的控制，从而穿过复杂多变的地区环境，代替人实现货物运输和地形侦察等相应的功能，极大的降低了士兵单兵作战的危险同时提高了士兵的作战科技含量，对打赢局部高科技战争有着巨大的帮助。同时蛇型机器人在火场的救援，山地地形的勘测以及运动学、生物学领域相应的研究都有着极大的帮助和促进作用，所以在蛇型机器人的方向上有着巨大的研究潜力和研究价值。
仿生机器蛇的机械结构和运动分析
2.1仿生机器蛇的机械结构
根据生物学的研究可知，蛇是通过身体的骨节规律的蠕动，带动身体与地面进行摩擦，依靠摩擦力的反向作用力使得蛇可以在任何平面上实现移动的过程，所以根据这种运动特点将原本是蛇的骨架抽象成机械的舵机。
舵机可以通过单片机输出的波形控制其运动或者转向的周期，从而实现将硬生生的机械元件转变成为像动物骨骼一样可以实现可控运动的元件。所以在仿生蛇的设计中在每个连接元件之中加上一个伺服舵机，从而实现可控运动。
2.2仿生机器蛇的运动分析
通过对蛇的运动进行观察可以得知，蛇的爬行运动过程可以总结概括成为四种标准形式：蛇形运动、直线运动、侧方向运动以及伸缩运动这四种。形象的来说蛇的运动状态变化是先将身体转变成为拱形然后舒展成为平直这样进行收缩平直交替的运动，将蛇的运动外形进行逻辑抽象，发现很类似正弦波的一个周期，加之对仿生蛇的机械结构进行了完备的分析于是采用如图22所示的运动状况，白点表示连接关节，其中含有相应的舵机。
该运动方式采用的是蜿蜒运动的方式，正如我们所知，蛇的蜿蜒运动方式如图21所示，即蛇本身通过自己的肌肉控制的关节实现规律的转动，但是根据转动的角度不同，蛇的身体在运动过程之中形成类似正弦波的的移动方式，弯曲之后蛇的身体便可以产生向后的力根据地面产生的摩擦力的反作用力推动蛇体向前爬行。这种运动方式的优点便是第一，根据可以直接利用单片机实现对PWM波的产生从而使舵机来模拟类似正弦波的运动，方便实现；第二采用蛇的蜿蜒前行的反案可以使得蛇相对的灵活，从而能够利用身体的蜿蜒程度进行类似绕桩运动一样穿过障碍物达到自己的目的，工程应用度更高。此运动方式存在一定的相对缺点即无法在摩擦力小的环境之中展开工作，考虑机器蛇的服务场景，此运动反感还是相对可行。如图21所示：
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图21 蛇蜿蜒运动的示意图
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