仿生機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)屬于教育部和北京郵電大學(xué)共同出資支持的一項(xiàng)“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目，是一個(gè)集光、機(jī)、電、流體、智能于一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究?jī)?nèi)容包括：仿生機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，推薦效率的研究以及控制性能的研究。
    1 仿生機(jī)器魚平臺(tái)簡(jiǎn)介：
    設(shè)計(jì)制作的機(jī)器魚模仿鲹科魚類的外形，頭部采用剛性結(jié)構(gòu)的塑料材料。其形狀采用流線型，模仿真魚魚頭的形狀和大小比例。在魚頭的內(nèi)部空間里安裝電源及控制電路，并在魚頭兩側(cè)魚眼處及在頭前部的偏下側(cè)安裝了3 個(gè)紅外傳感器，構(gòu)成了一個(gè)探測(cè)左、前、右三個(gè)方向的傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓魚具有自助避障的功能。
    使用鋁合金制作的魚骨架把三個(gè)舵機(jī)串聯(lián)起來(lái)，魚骨架支撐起套于舵機(jī)外面的橡膠魚皮，便構(gòu)成了了機(jī)器魚的魚身這個(gè)三關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。使用鋁合金制作的連接件將魚身通過(guò)螺紋連接的方式固定在在剛性魚頭上，魚身的橡膠魚皮使用熱熔膠粘在魚頭上，這樣便構(gòu)成了機(jī)器魚的整體結(jié)果。具體如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法簡(jiǎn)單易行，且方便拆卸和組裝。

機(jī)器魚技術(shù)指標(biāo)：巡游速度：1.2~1.5m./s；全電量巡游距離：4.5~5.5 千米；轉(zhuǎn)彎半徑：15~20cm。

    2．系統(tǒng)組成及工作原理：

從功能上看，整個(gè)魚體的系統(tǒng)可以分成三大塊，分別是：感知區(qū)，決策區(qū)，行為區(qū)。感知區(qū)對(duì)應(yīng)著多紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)限傳輸模塊，而決策區(qū)指的是主控芯片(MCU),動(dòng)作區(qū)對(duì)應(yīng)著舵機(jī)串聯(lián)組成的三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。具體如圖2所示。本系統(tǒng)的最重要的工作集中在對(duì)多舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制，因此主要圍繞舵機(jī)的控制工作進(jìn)行細(xì)致詳盡的介紹。

    3 舵機(jī)的控制
    3.1 舵機(jī)的工作原理：
    舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：舵盤、減速齒輪組、比例電位器（位置反饋電位計(jì)）、直流電機(jī)（馬達(dá)）、控制電路板等。其工作原理：控制電路板接受來(lái)自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，其齒輪組的輸出軸與一個(gè)線性的比例電位器相連，該電位器把輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ 轉(zhuǎn)換成比例的電壓反饋給控制電路，控制電路將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾偏脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使舵機(jī)精確定位的目的。舵機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理由圖3 所示。

舵機(jī)的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)，另外一根線是控制信號(hào)線，一般為白色。
    3.2 單舵機(jī)和多舵機(jī)的角度控制
    3.2.1 單舵機(jī)的角度控制：
    由舵機(jī)的工作原理可知，給舵機(jī)輸入一個(gè)周期在20ms 左右，脈沖寬度在0.5ms 至2.5ms 之間的周期性脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)輸出軸達(dá)到-90°到90° 之間的轉(zhuǎn)角，呈線性變化。并且無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，舵機(jī)的輸出軸都會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。通過(guò)編程，借助單片機(jī)的輸出端口得到需要的周期性脈沖信號(hào)。
    程序示例：（晶振為：4MHZ，脈沖從PORTDbits.RD0 輸出）
    void delay(int j) //此函數(shù)用于產(chǎn)生0.25ms*j 的延時(shí)
    {
        for(i=0;i<j;i++)
        {

        INTCONbits.TMR0IF=0; //清TMR0 中斷標(biāo)志位
            T0CON=0XCF; //設(shè)定TMR0L 工作于8 位定時(shí)器方式、內(nèi)部時(shí)鐘、
            TMR0 不用分頻
            TMR0L=0X14; //設(shè)定TMR0 每0.25ms 產(chǎn)生一次中斷
            L1: if(INTCONbits.TMR0IF==1)
                {
                INTCONbits.TMR0IF==0; //清TMR0 中斷標(biāo)志位，關(guān)計(jì)時(shí)器
                T0CON=0X4F;
                }
            else goto L1;
        }
    }
    PORTDbits.RD0=1; // 輸出脈沖寬度為2ms，周期為20ms 的脈沖信號(hào)
    delay(8);
    PORTDbits.RD0=0;
    delay(72);
    從上面的程序可知，通過(guò)改變delay 函數(shù)的形參j，可以根據(jù)需要，得到具有相應(yīng)脈沖寬度和周期的脈沖信號(hào)。例如，改變以上程序段的1 至4 行為：
    PORTDbits.RD0=1;
    delay(4);
    PORTDbits.RD0=0;
    delay(76);
    得到輸出脈沖寬度為1ms，周期為20ms 的脈沖信號(hào)，然后借助for 循環(huán)，將能得到所需要的周期性脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)輸出軸達(dá)到-90°到90° 之間的轉(zhuǎn)角。
    3.2.2 多舵機(jī)不同角度的控制：
    通過(guò)多舵機(jī)不同角度的控制，可以控制幾個(gè)舵機(jī)同時(shí)向不同角度扭轉(zhuǎn)，以達(dá)到預(yù)期的控制目的。
    具體的實(shí)現(xiàn)方法是：在定時(shí)器延時(shí)函數(shù)中設(shè)定一個(gè)計(jì)時(shí)值t（在程序中t 在初始化時(shí)值為0），使t 在每次定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢時(shí)加1。例如，定時(shí)器一周期的定時(shí)時(shí)間為0.25ms，則t值每加1 就相當(dāng)于0.25ms。當(dāng)t 的代表值達(dá)到20ms 也就是當(dāng)t 等于80 時(shí)清零，這樣就可以將脈沖周期控制在20ms，再通過(guò)使用if 語(yǔ)句查詢方式，可以調(diào)節(jié)同一周期脈沖的脈沖寬度，即能使多舵機(jī)同時(shí)向不同角度旋轉(zhuǎn)。
    程序示例：（晶振為：4MHZ，脈沖從PORTDbits.RD0，PORTDbits.RD1，PORTDbits.RD2三個(gè)端口中輸出）
    if(t=0) //端口初始化
    {
        PORTDbits.RD0=1
        PORTDbits.RD1=1
        PORTDbits.RD2=1
    }
    INTCONbits.TMR0IF=0; //清TMR0 中斷標(biāo)志位
    T0CON=0XCF; //設(shè)定TMR0L 工作于8 位定時(shí)器方式、內(nèi)部時(shí)鐘、TMR0不用分頻
    TMR0L=0X14; //設(shè)定TMR0 每0.25ms 產(chǎn)生一次中斷
    L1: if(INTCONbits.TMR0IF==1)
    {
        INTCONbits.TMR0IF==0; //清TMR0 中斷標(biāo)志位，關(guān)計(jì)時(shí)器
        T0CON=0X4F;
        t++
    }
    else goto L1;
    if(t=4)
        PORTDbits.RD0=0; //脈沖寬度為：1ms
    else if(t=6)
        PORTDbits.RD1=0; //脈沖寬度為：1.5ms
    else if(t=8)
        PORTDbits.RD2=0; //脈沖寬度為：2ms
    else(t=80)
        t=0; //脈沖周期為：0.25ms*80=20ms
    通過(guò)以上程序再配合for 循環(huán)，便能在PORTDbits.RD0，PORTDbits.RD1，PORTDbits.RD2三個(gè)端口得到脈沖寬度分別為1ms，1.5ms，2ms，周期同為20ms 的三種周期脈沖信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)三個(gè)舵機(jī)同時(shí)進(jìn)行不同控制的要求。當(dāng)然利用以上的方法，可以很輕松地對(duì)3 個(gè)以上的多個(gè)舵機(jī)同時(shí)進(jìn)行控制。
    3.3 舵機(jī)的速度控制
    通過(guò)舵機(jī)的特性可以了解到舵機(jī)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度是由其內(nèi)部的直流電動(dòng)機(jī)和變速齒輪組的配合來(lái)決定的，在恒定的電壓驅(qū)動(dòng)下，其數(shù)值是恒定的。但舵機(jī)的平均運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)分段停頓的控制方式來(lái)改變，例如，把動(dòng)作幅度為90°的轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)分為128 個(gè)停頓點(diǎn)，通過(guò)控制每個(gè)停頓點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)0°到90°變化的平均速度。也就是說(shuō)，將90 度的連貫一步轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)?28 個(gè)停頓的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)每步之間的短暫停頓可實(shí)現(xiàn)減速的目的，因?yàn)橥ｎD時(shí)間非常短因此可看做是90°的連貫轉(zhuǎn)動(dòng)，由于篇幅的限制，這里不再給出相應(yīng)的程序?qū)嵗?，感興趣的讀者可以自己參考上面的程序?qū)嵗M(jìn)行編寫。
    4．結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹的這種方法產(chǎn)生的PWM 波形精度高，能夠很好的完成舵機(jī)的控制工作，舵機(jī)工作穩(wěn)定，我們?cè)O(shè)計(jì)制作的機(jī)器魚成功地實(shí)現(xiàn)了魚類的一些基本運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，如前游，加速，停止，前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎等，這也驗(yàn)證了所采用的多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式和對(duì)多舵機(jī)的控制方法是行之有效的。本文通過(guò)以仿生機(jī)器魚為載體進(jìn)行撰文，意在拋磚引玉，希望對(duì)其它的舵機(jī)控制應(yīng)用起到幫助。
    本文作者創(chuàng)新點(diǎn):
    文中以仿生機(jī)器魚為運(yùn)用背景，采用PIC18F452 單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，運(yùn)用單片機(jī)的定時(shí)器從單片機(jī)的端口產(chǎn)生周期性脈沖信號(hào)。
    參考文獻(xiàn)（Reference）：
    [1] 劉和平. PIC 18Fxxx 單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004
    [2] 李學(xué)海. PIC 單片機(jī)實(shí)用教程-提高篇(第2 版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007
    [3] 王志良，周卓，靳松，趙積春. 競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007
    [4] 周志強(qiáng)，王志良，張雪元，黃海歡. 仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)控制研究. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006 年 第22 卷 第17 期