隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，出現(xiàn)了具有特殊功能的智能機(jī)器，如索尼公司生產(chǎn)的能夠以自我“意識(shí)”來“感覺”“學(xué)習(xí)”和“飼養(yǎng)”的寵物機(jī)器狗，以弗吉尼亞理工大學(xué)研制的CHARLI-L1機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行升級(jí)改造的SAFFIR的消防機(jī)器人等。機(jī)器魚作為一項(xiàng)比較新的產(chǎn)品，涉及到機(jī)器魚的智能開發(fā)并不深，因此機(jī)器魚的智能化程度并不高，但隨著機(jī)器魚研究的加深，相信機(jī)器魚的智能度會(huì)大大提高，功能也會(huì)更趨完善。目前的機(jī)器魚類型主要有遙控機(jī)器魚和語音控制機(jī)器魚，例如曾在德國漢諾威電子展上展現(xiàn)的通過機(jī)器魚體內(nèi)收縮來提供動(dòng)力的遙控式機(jī)器魚和在西南民族大學(xué)誕生的國內(nèi)首個(gè)的聲控機(jī)器魚等。據(jù)調(diào)查顯示同內(nèi)涉及到具有自主避障與自主視覺功能的智能機(jī)器魚的研究與開發(fā)并不多。由于技術(shù)等諸多原因我們選擇了設(shè)計(jì)自主避障的機(jī)器魚。由于機(jī)器魚具有機(jī)動(dòng)性、高效性、低噪性等優(yōu)點(diǎn)，所以高智能的機(jī)器魚適合去完成如探測污染物質(zhì)、繪制港口的實(shí)時(shí)立體圖和對(duì)海底資源進(jìn)行探測等具有一定難度和危險(xiǎn)的任務(wù)。由于國內(nèi)涉及到機(jī)器魚智能的開發(fā)程度不高，所以高智能的機(jī)器魚研發(fā)有較大的空間。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 工作原理

機(jī)器魚主硬件原理如圖1所示。機(jī)器魚的自主避障功能是通過以ARM芯片、LINUX嵌入式系統(tǒng)、紅外傳感器等結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器魚在水中分別通過攝像頭、紅外傳感器、LCD進(jìn)行畫面采集、自主避障和畫而顯示。攝像頭采集到圖片后，圖像被緩存于SDRAM中。ARM芯片通過紅外傳感器的AD管腳向發(fā)射器傳送命令，使探測器的發(fā)射模塊不斷地向外發(fā)送紅外線，當(dāng)接收器接收到返回的紅外線后會(huì)立刻通過AD管腳向ARM芯片傳送與紅外線返回的光強(qiáng)相應(yīng)的電壓，電壓經(jīng)過ARM芯片的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成十位的二進(jìn)制數(shù)字量，通過一定的公式計(jì)算出此時(shí)與障礙物的距離。當(dāng)計(jì)算出來的距離小于預(yù)設(shè)量時(shí)，ARM芯片的控制軟件執(zhí)行一個(gè)串行中斷指令改變脈沖的脈寬即改變改PWM波的占空比變，進(jìn)而改變機(jī)器魚的游向從而避開障礙物。

1．2 ARM芯片模塊設(shè)計(jì)

ARM處理器擁有16／32Bit內(nèi)核和具有450MIPS運(yùn)算能力。400MHz的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率可滿足高速的應(yīng)用要求。ARM主芯片有內(nèi)置數(shù)字?jǐn)z像頭接口，可選配130萬像素CMOS號(hào)業(yè)攝像頭進(jìn)行圖像采集。ARM處理器的外圍擴(kuò)展了64M的SDRAM和FLASH，ARM主芯片支持Linux、uCOS-II、WINCE等操作系統(tǒng)。ARM芯片高度集成，主芯片擁有CPU、Nand flash、Nor flash、Ethernet controller等資源。CPU內(nèi)的所有可用資源可通過200pin引腳引出。接口核心板可以單獨(dú)構(gòu)成系統(tǒng)，無需外圍器件。

嵌入式Linux (Embedded Linux)是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux經(jīng)過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中。它具有成本低、源代碼開放和移植性好的優(yōu)點(diǎn)。在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，適合于特定嵌入式的應(yīng)用場合。

1．3 紅外模塊

紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波。它兼具可見光折射、反射、直線傳播以及微波的貫穿一些不透明物質(zhì)和較強(qiáng)的穿透的能力。紅外傳感器包括紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)表明溫度高于絕對(duì)零度的任何物體均可產(chǎn)生紅外輻射，因此紅外傳感器要有更強(qiáng)的發(fā)射紅外的能力。

距離探測器的類型主要有激光探測器、視覺探測器、超聲波傳感器和紅外傳感器。由于激光探測器和視覺探測器比較昂貴而且對(duì)控制器的要求很高，所以不選為機(jī)器魚的避障器。超聲波傳感器測距范圍一般在30～300 cm，可見短距離測距是超聲波傳感器的盲區(qū)。能“看”到幾米之外障礙物對(duì)于機(jī)器魚的意義并不大，而紅外傳感器的測距距離一般在幾十厘米之內(nèi)，因此我們選擇紅外傳感器作為機(jī)器魚的避障器。

GP2YOA21YK0F是夏普的一款距離測量傳感器。它由PSD(position sensitive detector)、IRFD(infrared emitting diode)以及信號(hào)處理電路三部分組成。由于采用了三角測量方法，所以被測環(huán)境溫度、物體的材質(zhì)以及測量時(shí)間均不會(huì)影響傳感器的測量結(jié)果的精確度。接收到反射回來的紅外線后，傳感器輸出一個(gè)與返回光強(qiáng)成正比模擬電壓。輸出的模擬電壓經(jīng)過ARM的A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，數(shù)字量傳到MCU后以一定的算法計(jì)算出機(jī)器魚與障礙物之間的距離。將探測的結(jié)果與預(yù)設(shè)值比較，若大于預(yù)設(shè)值則不執(zhí)行中斷即繼續(xù)前進(jìn)，否則執(zhí)行中斷進(jìn)行避障。紅外傳感器硬件原理如圖2所示。

1．4 攝像頭模塊