專利名稱：一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能材料應(yīng)用領(lǐng)域，以一種離子交換聚合體金屬合成物為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一個(gè) 小型機(jī)器魚系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
離子交換聚合體金屬合成物(Ion-exchange polymer-metal composites簡稱IPMC)是一類 被稱為人工肌肉的電活性聚合體材料，它具有低驅(qū)動(dòng)電壓、高應(yīng)變響應(yīng)的特性。在IPMC材 料厚度上加電壓時(shí)，它將會出現(xiàn)機(jī)械變形。對IPMC加交流電壓時(shí)，IPMC振蕩運(yùn)動(dòng)，其位移 不僅與電壓幅值有關(guān)還與激勵(lì)頻率有關(guān)。利用IPMC的這一特性可以將其作為仿生機(jī)器魚的 尾鰭驅(qū)動(dòng)器。目前研發(fā)巳IPMC為驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器魚還屬于探索階段，尚無成型的產(chǎn)品問世。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明系統(tǒng)提出一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器 的小型機(jī)器魚系統(tǒng)及控制方法。
本發(fā)明裝置由定位基站l、定位基站2、定位基站3和機(jī)器魚1、機(jī)器魚2、遙控器和上 位機(jī)組成。定位基站l、定位基站2、定位基站3、機(jī)器魚2、遙控器通過Zigbee與機(jī)器魚1 通訊，遙控器從節(jié)點(diǎn)通過RS232接口與上位機(jī)相連，如圖1所示。
機(jī)器魚1和機(jī)器魚2的結(jié)構(gòu)相同，包括單片機(jī)控制器、IPMC驅(qū)動(dòng)電路、紅外發(fā)射器、超 聲波發(fā)射器、數(shù)字羅盤、溫度傳感器和射頻通信電路，》卩圖2所示。
所述的IPMC驅(qū)動(dòng)電路包括穩(wěn)壓器、兩輸入與非門、4個(gè)半H橋驅(qū)動(dòng)器。穩(wěn)壓器的輸入和 輸出端接有255的電容起到穩(wěn)壓作用，在兩輸入與非門和單片機(jī)控制器引腳之間接入NPN型 三極管，對單片機(jī)的電壓放大。
定位基站l、定位基站2和定位基站3的結(jié)構(gòu)相同，統(tǒng)稱為定位基站，包括單片機(jī)控制 器、紅外線接收器、超聲波接收器和射頻通信電路，如圖3所示。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，具體控制方法如 下機(jī)器魚l作為協(xié)調(diào)器，機(jī)器魚2作為從節(jié)點(diǎn)。機(jī)器魚1向外發(fā)出紅外線與超聲波信號， 同時(shí)接收基站的信息和機(jī)器魚2的信息，并將本身采集的數(shù)據(jù)信息和接收到的信息傳遞給控 制器。 .的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
定位基站上的超聲波紅外線接收電路測量時(shí)間的方法如下
1) 機(jī)器魚1上的超聲波發(fā)射頭和紅外二極管同時(shí)發(fā)出信號，紅外線和超聲波在空氣中的傳 播速度不同，到達(dá)定位基站的時(shí)間不同。
2) 定位基站的紅外線接收頭先接收到紅外信號，然后將單片機(jī)的計(jì)時(shí)器打開計(jì)時(shí)，當(dāng)定位 基站接收到超聲波信號的時(shí)候停止計(jì)時(shí)器。
上位機(jī)計(jì)算中機(jī)器魚坐標(biāo)的具體方法如下
由于紅外線信號在空氣中的速度為3*108!11/3遠(yuǎn)大于超聲波在空氣中的傳播速度340m/s， 所以可以認(rèn)為紅外二級管發(fā)射的信號立刻被接收到，然后用超聲波的速度乘以計(jì)時(shí)的時(shí)間就 是機(jī)器魚距離定位基站的長度，其定位是以圖如26所示。
根據(jù)定位基站的位置可以建立如26圖的直角坐標(biāo)舉，通過L1、 L2和L3的距離可以計(jì) 算出機(jī)器魚在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的定位。將由定位基站建立起的坐標(biāo)系如圖 27所示。
在圖27的A點(diǎn)為機(jī)器魚的位置設(shè)其坐標(biāo)為(x， y， z)，定位基站l為坐標(biāo)原點(diǎn)，定位 基站2為M點(diǎn)坐標(biāo)為(a， 0, 0)，定位基站3為N點(diǎn)坐標(biāo)為(0， b， 0)，其中a和b為已 知量L1、 L2和L3的值可以通過前文提到的測距方法計(jì)算出來，根據(jù)上圖所示的幾何關(guān)系可 以得到如下公式
il2 "2+/ + (1)
丄22 =(fl— X)2+_y2+Z2 (2)
"2 =x2+(6->02 + z2 (3)
聯(lián)立以上三個(gè)方程可以解得如下結(jié)果
(4)
(5)
(6)
即可以根據(jù)測量得出的Ll、 L2和L3的值計(jì)算出A點(diǎn)的坐標(biāo)。由于在上位機(jī)顯示時(shí)顯示 的是平面坐標(biāo)所以z值的計(jì)算可以省略。
一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，機(jī)器魚中單片機(jī)控制器 中嵌入了驅(qū)動(dòng)器控制軟件，用于驅(qū)動(dòng)IPMC材料推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)；定位信號發(fā)射軟件，用于發(fā) 射超聲波和紅外二極管信號和數(shù)字羅盤控制軟件，用于控制數(shù)字羅盤測量角度。其中，機(jī)器魚中單片機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)IPMC材料推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)的過程，方法如下，如圖
ll所示
步驟l.開始；
步驟2.TIM2計(jì)時(shí)器初始化，預(yù)分頻設(shè)置為256; 步驟3.RD4-l，RD5-0; 步驟4.TIM2計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)； 步驟5.TIM2計(jì)時(shí)器溢出計(jì)數(shù)變量加1;
步驟6.判斷計(jì)數(shù)值是否達(dá)到設(shè)定值200，如果是則執(zhí)行步驟7; 步驟7.反轉(zhuǎn)RD4和RD5，計(jì)時(shí)變量清零。
機(jī)器魚中單片機(jī)控制器發(fā)射超聲波和紅外二極管信號過程，具體方法如下，如圖12所示: 步驟l、開始；
步驟2、 TIM2計(jì)時(shí)器初始化，預(yù)分頻設(shè)置為256; 步驟3、 RD=1;
步驟4、 TIM2計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)； -步驟5、 TIM2計(jì)時(shí)器溢出，計(jì)數(shù)變量加l; 步驟6、計(jì)數(shù)變量為98時(shí)，RD=0;
步驟7.、計(jì)數(shù)變量為100時(shí)RD4，計(jì)數(shù)變量清零，執(zhí)行步驟4; 機(jī)器魚中單片機(jī)控制器中控制數(shù)字羅盤測量角度過程，方法如下，如圖13所示 步驟l、開始；
步驟2、關(guān)閉定位信號發(fā)射端，TIM3開始計(jì)時(shí)；
步驟3、當(dāng)RD6=1和RD6=0時(shí)等待；
步驟4、 TIM3計(jì)時(shí)器值清零；
步驟5、當(dāng)RD6=1時(shí)TIM3計(jì)時(shí)，RD6=0時(shí)停止；.
步驟6、將TIM3中的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)保存；
步驟7、結(jié)束。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，定位基站中的單 片機(jī)控制器中嵌入了接收定位信號軟件，接收機(jī)器魚發(fā)射出的紅外線和超聲波信號。接收機(jī) 器魚發(fā)射出的紅外線和超聲波信號方法如下，如圖14所示
步驟l、開始；
步驟2、判斷RB5的值是否為0，如果為0則執(zhí)行步驟3，如果不為O，則執(zhí)行步驟10;步驟3、禁止RB中斷；
步驟4、 TIM3計(jì)時(shí)器初始化，分頻比設(shè)置為l: 4分頻；
步驟5、打開TIM3計(jì)時(shí)器；
步驟6、判斷TIM3是否溢出(機(jī)器自動(dòng)判斷)，如果時(shí)間溢出則執(zhí)行步驟10，否則執(zhí)
行步驟7;
步驟7、判斷RD7是否為1，如果為1則執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟6; 步驟8、關(guān)閉TIM3計(jì)時(shí)器，保存計(jì)時(shí)數(shù)字； 步驟9、啟動(dòng)TIM2計(jì)時(shí)器，延時(shí)0.03秒； ' 步驟10、結(jié)束。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，溫度傳感器中實(shí) 現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換具體步驟如下 步驟l、開始； 步驟2、 AD轉(zhuǎn)換初始化； 步驟3、啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，并等待完成； 步驟4、保存轉(zhuǎn)換結(jié)果； 步驟5、結(jié)束。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，各部分裝置的主 程序設(shè)計(jì)如下
1.機(jī)器魚1初始化方法操作步驟如下，如圖16所示
步驟l.開始；
步驟2.初始化主板；
步驟3.啟動(dòng)節(jié)拍管理器；
步驟4.配置協(xié)調(diào)器地址到ROM中；
步驟5.初始化協(xié)議棧模塊；
步驟6.初始化使能協(xié)議棧模塊和射頻信號收發(fā)機(jī)； 步驟7.初始化啟動(dòng)新網(wǎng)絡(luò)； ' 步驟8.進(jìn)入主循環(huán)。
機(jī)器魚1主循環(huán)控制方法如下，如圖17所示 步驟l.開始；
步驟2.調(diào)用應(yīng)用層協(xié)同任務(wù)函數(shù)；步驟3.啟動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)，等待組網(wǎng)完成；
步驟4.判斷組網(wǎng)過程中是否存在錯(cuò)誤，如果存在錯(cuò)誤則執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟5; 步驟5.啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，允許中斷設(shè)備接入； 步驟6.啟動(dòng)虛擬信道，打開TIM3和TIM2計(jì)時(shí)器；
步驟7.啟動(dòng)功能函數(shù)；
步驟8.判斷是否滿足發(fā)送數(shù)據(jù)條件，如果是則執(zhí)行步驟9，否則執(zhí)行步驟10;
步驟9.調(diào)用S2Task函數(shù)向遙控器發(fā)射數(shù)據(jù)； 步驟10.調(diào)用DlTask函數(shù)接收數(shù)據(jù)。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控制方法，機(jī)器 魚1接收機(jī)器魚2和定位基站的數(shù)據(jù)信息后，判斷時(shí)是否足發(fā)送數(shù)據(jù)條件，如滿足則向遙控 器發(fā)送數(shù)據(jù)。S2Task函數(shù)向遙控器發(fā)射數(shù)據(jù)的步驟如下，如圖18所示
步驟l.開始；
步驟2.設(shè)置活動(dòng)端點(diǎn)；
步驟3.判斷KVP傳輸機(jī)制是否建立成功，如果成功則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5;
步驟4.采集溫度和角度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給遙控器；
步驟5.顯示錯(cuò)誤；
步驟6.返回。
所述的一種基于離子交換聚合物金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控制方法，機(jī)器
魚1接收定位基站和機(jī)器魚2發(fā)送來的數(shù)據(jù)(DlTask函數(shù))，具體操作步驟如下，如圖19所
示
步驟l.開始；
步驟2.設(shè)置是否收到數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)則執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟ll;
步驟3.判斷是否是定位基站標(biāo)頭，是定位基站標(biāo)頭則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5;其中 定位基站標(biāo)頭用于區(qū)分定位基站和機(jī)器魚，用8位2進(jìn)制數(shù)表示。定位基站l標(biāo)頭設(shè)置為l， 定位基站2標(biāo)頭設(shè)置為2，定位基站3標(biāo)頭設(shè)置為3，機(jī)器魚2標(biāo)頭設(shè)置為4;
步驟4.數(shù)據(jù)保存在定位基站變量中；
步驟5.數(shù)據(jù)保存在從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚變量中；
步驟6.釋放通信數(shù)據(jù)；
步驟7.判斷是否收到3個(gè)測距時(shí)間，其時(shí)間小于指'定值10ms，如果收到則執(zhí)行步驟8， 否則執(zhí)行步驟lh步驟8.判斷是否是協(xié)調(diào)機(jī)機(jī)器魚1的距離時(shí)間，是則執(zhí)行步驟9，否則執(zhí)行步驟IO。其 中協(xié)調(diào)器機(jī)器魚1的距離時(shí)間是指協(xié)調(diào)器機(jī)器魚1第一次接收到定位基站數(shù)據(jù)的時(shí)間；
步驟9.測量角度和溫度，保存數(shù)據(jù)并添加標(biāo)頭l。標(biāo)頭1是指機(jī)器魚向遙控器發(fā)射的標(biāo) 頭，用于區(qū)分機(jī)器魚1和機(jī)器魚2的數(shù)據(jù)； .
步驟IO.保存從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚數(shù)據(jù)，并添加標(biāo)頭；
步驟ll.返回主函數(shù)。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，機(jī)器魚2初始化 過程的具體步驟如下，如圖20所示 步驟l.開始； 步驟2.初始化主板； 步驟3.啟動(dòng)節(jié)拍譽(yù)理器； 步驟4.協(xié)議棧模塊初始化；
步驟5.初始化使能協(xié)議模塊和射頻信號收發(fā)機(jī)；. 步驟6.進(jìn)入主循環(huán)。
機(jī)器魚2主循環(huán)方法如下，如圖21所示 步驟l.開始；
步驟2.調(diào)用應(yīng)用層協(xié)同任務(wù)函數(shù)； 步驟3.初始化綁定，接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)；
步驟4.判斷是否啟動(dòng)配置，如果是則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟5; 步驟5.進(jìn)行配置；
步驟6啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)函數(shù)加入已有網(wǎng)絡(luò).； 步驟7.判斷加入網(wǎng)絡(luò)是否成功； 步驟8.啟動(dòng)TIM3和TIM2計(jì)時(shí)器；
步驟9.判斷是否滿足發(fā)送數(shù)據(jù)條件，滿足則執(zhí)行步驟，否則執(zhí)行步驟； 步驟10.調(diào)用S2Task函數(shù)向主節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚發(fā)送數(shù)據(jù)； 步驟ll.進(jìn)入睡眠模式。
機(jī)器魚2發(fā)送(函數(shù)S2Task)溫度和角度數(shù)據(jù)的過程如下，如圖22所示 步驟l.開始；
步驟2.測量溫度和角度數(shù)據(jù)； 步驟3.設(shè)置活動(dòng)點(diǎn)；步驟4.給測量得到的數(shù)據(jù)添加基站標(biāo)頭；
步驟5.向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)；
步驟6.結(jié)束。
所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，遙控器主程 序初始化與機(jī)器魚2相同，它主循環(huán)步驟如下，如圖23所示 步驟l.開始；
步驟2.調(diào)用應(yīng)用層協(xié)同任務(wù)函數(shù)； 步驟3.初始化綁定，接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)；
步驟4.判斷是否啟動(dòng)配置，如果是則執(zhí)行步驟6，否則執(zhí)行步驟5; 步驟5.進(jìn)行配置；
步驟6.啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)函數(shù)，加入已有網(wǎng)絡(luò)；
步驟7.判斷加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)候成功，如果成功則執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟6; 步驟8.調(diào)用DlTask函數(shù)接收數(shù)據(jù)； 步驟9.進(jìn)入睡眠模式，執(zhí)行步驟8. 遙控器接收函數(shù)DITask實(shí)現(xiàn)方法如下，如圖24所示 步驟l.開始； 步驟2.設(shè)置活動(dòng)點(diǎn)；
步驟3.調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)，即將接收到的數(shù)據(jù)區(qū)分為機(jī)器魚1還是機(jī)器魚2，并保存數(shù)
據(jù)；
步驟4.調(diào)用串口函數(shù)輸出數(shù)據(jù)給上位機(jī)； 步驟5.清空數(shù)據(jù)緩沖器； 步驟6.結(jié)束。
上位機(jī)處理數(shù)據(jù)方法如下，如圖25所示
步驟l.開始；
步驟2.初始化界面； 步驟3.等待串口數(shù)據(jù)；
步驟4.判斷是否有串口數(shù)據(jù)，如果有則執(zhí)行步驟5，否則執(zhí)行步驟3; 步驟5.是否對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷，如果有效則執(zhí)行步驟6，如果無效則執(zhí)行步驟3。其 中，數(shù)據(jù)有效是指符合機(jī)器魚1和機(jī)器魚2的標(biāo)頭。 步驟6.數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)器魚的坐標(biāo)；步驟7.顯示運(yùn)算結(jié)果。
有益效果IPMC具有的質(zhì)量輕、相應(yīng)形變高、低密度、高韌性、響應(yīng)力輸出比較小優(yōu)
點(diǎn)，在現(xiàn)有以IPMC為驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器魚基礎(chǔ)上增加了多個(gè)電路系統(tǒng)，使得機(jī)器魚的功能更加完善。


圖1為一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為機(jī)器魚從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚的功能模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖3為定位基站功能模塊結(jié)構(gòu)圖。
圖4為遙控器功能模塊機(jī)構(gòu)圖。
圖5為單片機(jī)電源電路圖。
圖6為IPMC驅(qū)動(dòng)模塊電路圖。
圖7為定位信號發(fā)射電路示意圖。
圖8為定位信號接收電路示意圖。
圖9為數(shù)字羅盤TC1047A與單片機(jī)PIC18F4620連接電路示意圖。
圖IO為溫度傳感器與單片機(jī)相連的電路示意圖。
圖ll為驅(qū)動(dòng)模塊程序流程圖。
圖12為定位信號發(fā)射程序流程圖。
圖13為定位信號接收程序流程圖。
圖14為溫度傳感器程序流程圖。
圖15為溫度傳感器程序流程圖。
圖16為主節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚初始化程序流程圖。
圖17為主節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚主循環(huán)程序流程圖。
圖18為S2Task函數(shù)程序流程圖。
圖19為主節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚接收函數(shù)程序流程圖。
圖20為從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚初始化流程圖。
圖21為從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚主循環(huán)流程圖。
圖22為從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚發(fā)送函數(shù)程序流程圖。
圖23為遙控器主循環(huán)程序流程圖。
圖24為遙控器接收函數(shù)程序流程圖。
圖25為上位機(jī)程序流程圖。圖26為機(jī)器魚定位功能示意圖。 圖27為定位坐標(biāo)計(jì)算原理圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例 '
本實(shí)施例選用PIC18F4620單片機(jī)作為控制器，該單片機(jī)的外圍引腳如下圖5所示，圖中 的LP2981為單片機(jī)的穩(wěn)壓芯片，其輸出電壓為3.3￥，用于單片機(jī)和射頻芯片額供電。在穩(wěn) 壓芯片的輸入端接有一個(gè)肖特二級管1N5817，該二級管用于防止回流。單片機(jī)外接16M晶 振。
IPMC驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)IPMC材料推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)，如圖6所示。其中PIC18F4620為 單片機(jī)控制器，7400為兩輸入與非門，754410為4個(gè)半H橋驅(qū)動(dòng)器，2941為穩(wěn)壓器。
電源電壓為9V送給2941，在2941輸入和輸出端接有225的電容起到穩(wěn)壓的作用，通過 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)2941的輸出電壓，該電壓提供給754410的VCC2引腳。754410為 4個(gè)半H橋電路，按照圖中的接法可以接成一個(gè)H橋電路，其輸出值與VCC2相同，1.2EN 接高電平使1端口和2端口工作在成對模式，當(dāng)1A為高電平時(shí)1Y輸出為VCC2，當(dāng)2A為 高電平時(shí)為高電平是2Y輸出為VCC2，這樣就實(shí)現(xiàn)了 IPMC兩端電壓的反轉(zhuǎn)。
由于754410輸出的是功率，直接由單片機(jī)引腳控制其功率不夠，所以通過7400來控制。 7400包含4個(gè)兩輸入與非門其中的一對用于控制754410，另 一對用于控制紅外線超聲波電路。 在7400中如果3A和3B的輸入均為高電平則3Y輸出是電平，如果其中有一個(gè)是低電平則輸 出為高電平。由于3A的引腳電平被拉高所以通過控制3B電平的高低變化就可以控制3Y的 輸出，從而控制754410。 4Y 口的輸出與3Y 口道理相同。
由于單片機(jī)的工作電壓為3.3V，所以當(dāng)其RD4或RD5引腳輸出為高電平時(shí)其電壓值不 會超過3.3V，而7400的輸入引腳電壓應(yīng)高于3.3V，所以在7400和單片機(jī)引腳之間接入了 8050的NPN型三極管，當(dāng)RD4或RD5引腳輸出為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出的電壓加在 3B和4B的引腳上足夠驅(qū)動(dòng)7400。
安裝在機(jī)器魚本體上的定位信號發(fā)射電路，由單片機(jī)控制定時(shí)發(fā)出紅外線和超聲波，如 圖7所示，555定時(shí)器的引腳按照上面電路圖所示的接法可以發(fā)出方波，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻 器的阻值可以調(diào)節(jié)周期和占空比。將方波的頻率調(diào)節(jié)到得到40KHz后傳遞個(gè)7400的lA引腳。
單片機(jī)引腳RDO與三級管8050基極相接，當(dāng)單片機(jī)的引腳信號為高電平時(shí)二極管導(dǎo)通 器集電極與7400的1B引腳相連，40KHz的信號與單片機(jī)的控制信號進(jìn)行與非運(yùn)算后傳遞給 2A引腳。2B引腳與電池正極相連，2A引腳的輸入與2B引腳的輸入再一次進(jìn)行與非運(yùn)算后由2Y輸出。經(jīng)過兩次與非的邏輯運(yùn)算當(dāng)單片機(jī)的引腳輸出為O時(shí)，2Y輸出40KHz的方波信 號；當(dāng)單片機(jī)的引腳輸出為1時(shí)，2Y輸出為0。
當(dāng)單片機(jī)的引腳控制信號為0時(shí)，7400的2Y引腳輸出40KHz的方波，該方波送到4069 的1A引腳，4069按照原理圖所示的接法構(gòu)成調(diào)理電路，可以使超聲波發(fā)射器產(chǎn)生諧振發(fā)出 超聲波。
7400的2Y引腳輸出40KHz的方波同時(shí)用來控制三級管9013的基極使其不斷的導(dǎo)通或 者截止，從而控制紅外發(fā)光二級管發(fā)射出40KHz的信號。
安裝在定位基站上的定位信號接收電路，用來接收紅外線和超聲波發(fā)出的信號。其電路 如圖8所示，紅外線接收頭與RB5引腳相連，當(dāng)接收到紅外線信號后將RB5的電壓置成低 電平。超聲波接收頭接收到超聲波信號后經(jīng)過5332夠成的兩級10000倍放大后傳遞給311。 經(jīng)過放大后的信號為40KHz的正弦信號，由3U電壓比較器進(jìn)行處理，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 可以調(diào)節(jié)電壓比較器的基準(zhǔn)值，傳遞給RD7引腳。當(dāng)RD7接收到超聲波信號時(shí)，其引腳電 平被置為高電平。
選用的數(shù)字羅盤是CMPS30數(shù)字羅盤，數(shù)字羅盤上安裝了飛利浦的KMZ51磁場傳感器 來探測地磁場，并配有PIC16F822芯片，用于處理數(shù)據(jù)和輸出控制，其輸出值是數(shù)字羅盤的 正方向與地磁場之間的夾角。數(shù)字羅盤與單片機(jī)的電路連接如圖9所示，CMPS30輸出的PWM 波傳遞給RD6引腳。
溫度傳感器采用微芯公司的TC1047A溫度傳感器，工作電壓在2.5 5.5V之間。TC1047A 與PIC18F4620的連接關(guān)系如圖10所示。其中VCC為輸入電壓，TC1047A的輸出結(jié)果傳遞 給單片機(jī)的RBO引腳。
權(quán)利要求
1、一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，其特征在于由定位基站1、定位基站2、定位基站3和機(jī)器魚1、機(jī)器魚2、遙控器和上位機(jī)組成；定位基站1、定位基站2、定位基站3、機(jī)器魚2、遙控器通過Zigbee與機(jī)器魚1通訊，遙控器通過RS232接口與上位機(jī)相連；機(jī)器魚1和機(jī)器魚2的結(jié)構(gòu)相同，包括單片機(jī)控制器、IPMC驅(qū)動(dòng)電路、紅外發(fā)射器、超聲波發(fā)射器、數(shù)字羅盤、溫度傳感器和射頻通信電路，其中，單片機(jī)控制器中嵌入驅(qū)動(dòng)器控制軟件，驅(qū)動(dòng)IPMC材料推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)；嵌入定位信號發(fā)射軟件，發(fā)射超聲波和紅外二極管信號；數(shù)字羅盤控制軟件，控制數(shù)字羅盤測量角度；IPMC驅(qū)動(dòng)電路包括穩(wěn)壓器、兩輸入與非門、4個(gè)半H橋驅(qū)動(dòng)器，穩(wěn)壓器的輸入和輸出端接電容，在兩輸入與非門和單片機(jī)控制器引腳之間接入NPN型三極管；定位基站1、定位基站2和定位基站3的結(jié)構(gòu)相同，包括單片機(jī)控制器、紅外線接收器、超聲波接收器和射頻通信電路，其中單片機(jī)控制器嵌入接收定位信號軟件，接收機(jī)器魚發(fā)射出的紅外線和超聲波信號。
2、 權(quán)利要求1所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，其特征 在于所述機(jī)器魚中單片機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)IPMC材料推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)過程，步驟如下步驟l.開始；步驟2.TIM2計(jì)時(shí)器初始化；步驟3.令RD4-l，RD5-0;步驟4.TIM2計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；步驟5.TIM2計(jì)時(shí)器溢出計(jì)數(shù)變量加1;步驟6.判斷計(jì)數(shù)值是否達(dá)到設(shè)定值，如果是則執(zhí)行步驟7;步驟7.反轉(zhuǎn)RD4和RD5，計(jì)時(shí)變量清零。
3、 權(quán)利要求1所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，其特征在于所述機(jī)器魚中單片機(jī)控制器發(fā)射超聲波和紅外二極管信號過程，步驟如下 步驟l、開始；步驟2、 TIM2計(jì)時(shí)器初始化；步驟3、令RD二1;步驟4、 TIM2計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；步驟5、 TIM2計(jì)時(shí)器溢出，計(jì)數(shù)變量加l;步驟6、計(jì)數(shù)變量為98時(shí)，RD=0;步驟7、計(jì)數(shù)變量為IOO時(shí)RD二I,計(jì)數(shù)變量清零，執(zhí)行步驟4。
4、 權(quán)利要求1所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，其特征 在于所述機(jī)器魚中單片機(jī)控制器控制數(shù)字羅盤測量角度過程，方法如下-步驟l、開始；步驟2、關(guān)閉定位信號發(fā)射端，TIM3開始計(jì)時(shí)；步驟3、當(dāng)RD6=1和RD6-0時(shí)等待；步驟4、 TIM3計(jì)時(shí)器值清零；步驟5、當(dāng)RD6=1時(shí)TIM3計(jì)時(shí)，RD6=0時(shí)停止；步驟6、將TIM3中的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)保存；步驟7、結(jié)束。
5、 權(quán)利要求1所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，其特征 于所述定位基站中的單片機(jī)控制器接收機(jī)器魚發(fā)射出的紅外線和超聲波信號，方法如下步驟l、開始；步驟2、判斷RB5的值是否為0，如果為0則執(zhí)行步驟3,如果不為0，則執(zhí)行步驟10; 步驟3、禁止RB中斷； 步驟4、 TIM3計(jì)時(shí)器初始化； 步驟5、打開TIM3計(jì)時(shí)器；步驟6、判斷TIM3是否溢出，如果時(shí)間溢出則執(zhí)行步驟10，否則執(zhí)行步驟7; 步驟7、判斷RD7是否為1，如果為1則執(zhí)行步驟8，否則執(zhí)行步驟6; 步驟8、關(guān)閉TIM3計(jì)時(shí)器，保存計(jì)時(shí)數(shù)字； 步驟9、啟動(dòng)TIM2計(jì)時(shí)器，延時(shí)0.03秒； 步驟10、結(jié)束。
6、 權(quán)利要求1所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控制方 法，其特征在于機(jī)器魚l作為協(xié)調(diào)器，機(jī)器魚2作為從節(jié)點(diǎn)，數(shù)字羅盤測量角度，溫度傳 感器采集溫度；機(jī)器魚2向外發(fā)出紅外線與超聲波信號，同時(shí)將采集到的溫度與角度信息傳 遞給機(jī)器魚l;機(jī)器魚l向外發(fā)出紅外線與超聲波信號，同時(shí)接收定位基站信息、機(jī)器魚2 信息，并將本身采集的數(shù)據(jù)信息和接收到的信息傳遞給遙控器；定位基站上的超聲波紅外線 接收測量時(shí)間信息并將測量到的時(shí)間信息傳遞給機(jī)器魚1;遙控器接收機(jī)器魚1發(fā)送來的全 部信息，并通過RS232接口傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
7、 權(quán)利要求6所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于所述的機(jī)器魚2將采集到的溫度與角度信息傳遞給機(jī)器魚1按以下步驟進(jìn)行步驟1.開始；步驟2.測量溫度與角度數(shù)據(jù)；步驟3.設(shè)置活動(dòng)點(diǎn)； 步驟4.給測量得到的數(shù)據(jù)添加標(biāo)頭； 步驟5.向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)； 步驟6.結(jié)束。
8、 權(quán)利要求6所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控制方 法，其特征在于所述的機(jī)器魚1接收定位基站信息、機(jī)器魚2信息的具體步驟如下步驟1.開始；步驟2.設(shè)置是否收到數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)則執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟ll;步驟3.判斷是否是定位基站標(biāo)頭，是定位基站標(biāo)頭則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行歩驟5;步驟4.數(shù)據(jù)保存在定位基站變量中； ■ 步驟5.數(shù)據(jù)保存在從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚變量中； 步驟6.釋放通信數(shù)據(jù)；步驟7.判斷是否收到3個(gè)測距時(shí)間，其時(shí)間小于指定值，如果收到則執(zhí)行步驟8;否則 執(zhí)行步驟ll;步驟8.判斷是否是協(xié)調(diào)器機(jī)器魚的距離時(shí)間，是則執(zhí)行步驟9，否則執(zhí)行步驟10; 步驟9.測量角度和溫度，保存數(shù)據(jù)并添加標(biāo)頭； 步驟10.保存從節(jié)點(diǎn)機(jī)器魚數(shù)據(jù)，并添加標(biāo)頭； 步驟ll.返回主函數(shù)。
9、 權(quán)利要求6所述的一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于所述的機(jī)器魚1將本身采集的數(shù)據(jù)信息和接收到的信息傳遞給遙控器的具體步驟如下-步驟1.開始； 步驟2.設(shè)置活動(dòng)端點(diǎn)；步驟3.判斷KVP傳輸機(jī)制是否建立成功，如果成功則執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟5;步驟4.發(fā)送數(shù)據(jù)；步驟5.顯示錯(cuò)誤； 步驟6.返回。
10、根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于所述的上位機(jī)對數(shù)據(jù)處理方法如下步驟l.開始；步驟2.初始化界面；步驟3.等待串口數(shù)據(jù)；步驟4.判斷是否有串口數(shù)據(jù)，如果有則執(zhí)行步驟5，否則執(zhí)行步驟3; 步驟5.是否對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷，如果有效則執(zhí)行步驟6，如果無效則執(zhí)行步驟3; 步驟6.數(shù)據(jù)處理；步驟7.顯示運(yùn)算結(jié)果，繪制圖表。
全文摘要
本發(fā)明一種基于離子交換聚合體金屬合成物驅(qū)動(dòng)器的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，屬于智能材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)由定位基站1、定位基站2、定位基站3和機(jī)器魚1、機(jī)器魚2、遙控器和上位機(jī)組成。機(jī)器魚2將采集到的溫度與角度信息傳遞給機(jī)器魚1；機(jī)器魚1接收定位基站信息、機(jī)器魚2信息，將信息傳遞給遙控器；定位基站上的超聲波紅外線接收測量時(shí)間信息并將測量到的時(shí)間信息傳遞給機(jī)器魚1；遙控器接收機(jī)器魚1發(fā)送來的全部信息，并通過RS232接口傳遞給上位機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為IPMC的質(zhì)量輕、相應(yīng)形變高、低密度、高韌性、響應(yīng)力輸出比較小，在現(xiàn)有以IPMC為驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器魚基礎(chǔ)上增加了多個(gè)電路系統(tǒng)，使得機(jī)器魚的功能更加完善。
文檔編號B63H1/00GK101612987SQ20091001269
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者斌 劉, 鑫 劉, 夙 徐, 軍 鄧, 郝麗娜 申請人:東北大學(xué)