基于FPGA的自主視覺水中機器人設計

隨著仿生學、機器人學、流體力學和控制科學的不斷融合與發展,仿生機器魚的研制成為了機器人研究領域的熱點之一。同時，隨著對于仿生機器魚的研究日益進步，機器魚所賦予的任務也隨之增多，對于機器魚核心芯片的處理速度的要求也越來越高。而以往的機器魚對芯片的處理速度與精度要求并不高，使得機器魚的執行動作并不盡如人意，由此在機器魚中應用具有并行性、高速性、靈活性的FPGA芯片已經成為必然，它也必將使得機器魚的研究更上一層樓。

1.系統硬件設計

本系統的硬件框圖如圖1，系統采用FPGA芯片為控制處理中心，紅外傳感器模塊負責傳回前方的通道信息，信息數據由FPGA芯片接收后，輸出PWM波控制舵機做出相對應的動作。整個魚體分為動作部分和魚頭，動作部分由三個舵機（兩個大舵機、一個小舵機）組成，魚頭主要是控制芯片、通信模塊和電池電源部分組成。

1.1 FPGA模塊

本方案使用的Altera公司的芯片EP1-C3T144c8，其系統集成度高，可操作性強，低功耗，十分適合機器魚這類小型機器魚的運作。利用其公司的開發軟件quartus II及其輔助開發軟件可以實現數據的高速傳輸、處理、編碼功能。在系統中，FPGA芯片作為主控部分，負責紅外傳感器信息接收、通信模塊的信息接收發送、舵機控制任務，如圖2所示。

1.2 紅外傳感器模塊

紅外傳感器是遠距離紅外傳感器PIR D205B,它是利用材料自發極化隨溫度變化的特征來探測紅外線的輻射，采用四靈敏元設計，抑制環境溫度變化產生的干擾，提高了信號輸出強度，增加了多方向靈敏度，兼有單元和雙元熱釋電紅外傳感器的優點，傳感器的工作更加穩定。

1.3 通信模塊、電源模塊

作為在水下獨立運作的平臺，電源和通信是十分重要的。通信采用nRF2401 2.4GHz無線收發芯片完成視頻數據及命令信息的無線傳輸。nRF2401是一款單片射頻收發芯片，工作在2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，該芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶振和調制解調器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數都可以通過程序進行配置。考慮到系統的電源要求以及電池的可重復性利用，選擇用四節可充電電池作為電源模塊。選擇的類型是三洋愛樂普五號低放電充電池。

1.4 舵機模塊

機器魚舵機組是由三個舵機構成，分別采用futaba公司的futaba S3102（一號舵機）及futaba S3003（二號，三號舵機）。以魚體波函數為核心算法的機器魚魚體，在三個舵機的運作下完成相應動作，進而來實現仿生機器魚的游動。其中，FPGA通過所執行的程序計算出各個關節的轉動角度，以此產生十五位的不同占空比的PWM波，控制舵機旋轉，繼而控制“魚體”擺動[3]。

2.系統軟件設計

軟件體系的設計是系統研制的核心內容。其系統結構圖如圖3。

2.1 紅外模塊

如圖4所示，紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理后，通過數字傳感接口返回到機器魚主機機器魚即可利用紅外的返回信號來識別周圍環境的變化。

2.2 舵機模塊

標準的舵機有3條導線：電源線、地線和控制線，電源線和地線用于提供舵機內部的電機和控制電路需要的能源。而控制線輸入的是一個可調制的方波脈沖信號，一般周期在20ms（即頻率為50Hz）。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，度變化與脈沖寬度的變化成正比[4]。兩者關系可如圖5所示。

圖1 基于FPGA的自主視覺機器魚硬件圖框

圖2 FPGA模塊

圖3 軟件系統結構圖

圖4 紅外模塊流程圖

圖5 舵機輸出轉角與出入脈沖之間的關系

3.結束語

本文介紹了基于紅外傳感器與FPGA技術設計的一種具有自主運動能力的仿生機器魚。其通過紅外傳感技術使機器魚具有了自主視覺功能，又通過FPGA技術精準輸出PWM波，提高了機器魚的智能度與動作靈活度。此設計為后續自主機器魚的開發提供了一定的幫助，相信隨著機器魚的開發加深，機器魚的研究與設計會更加智能化，功能也會越來越完備，并會為人類探索、發現海洋提供更多的幫助與便利。

[1]周志強,王志良,張雪元,黃海歡.仿生機器魚的設計及其運動控制研究[J].微計算機信息[J].(嵌入式與SOC)2006,22(6-2卷).

[2]萬少云,向強.基于TMS320F2812的自主視覺機器魚控制系統設計[J].西南民族大學學報自然科學版,2011(37).

[3]趙康,丁勇,蔣玉蓮.基于802.11b與安卓手機操控機器魚的研究[J].電子元器件應用,2012,14(7).

[4]駱涵秀,李世倫,朱捷.機電控制[M].杭州:浙江大學出版社,1994:31-63.