隨著科技的發(fā)展與進步，出現(xiàn)了具有特殊功能的智能機器，如索尼公司生產(chǎn)的能夠以自我“意識”來“感覺”“學(xué)習(xí)”和“飼養(yǎng)”的寵物機器狗，以弗吉尼亞理工大學(xué)研制的CHARLI-L1機器人為基礎(chǔ)進行升級改造的SAFFIR的消防機器人等。機器魚作為一項比較新的產(chǎn)品，涉及到機器魚的智能開發(fā)并不深，因此機器魚的智能化程度并不高，但隨著機器魚研究的加深，相信機器魚的智能度會大大提高，功能也會更趨完善。目前的機器魚類型主要有遙控機器魚和語音控制機器魚，例如曾在德國漢諾威電子展上展現(xiàn)的通過機器魚體內(nèi)收縮來提供動力的遙控式機器魚和在西南民族大學(xué)誕生的國內(nèi)首個的聲控機器魚等。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)計自主避障的機器魚。由于機器魚具有機動性、高效性、低噪性等優(yōu)點，所以高智能的機器魚適合去完成如探測污染物質(zhì)、繪制港口的實時立體圖和對海底資源進行探測等具有一定難度和危險的任務(wù)。由于國內(nèi)涉及到機器魚智能的開發(fā)程度不高，所以高智能的機器魚研發(fā)有較大的空間。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

1．1 工作原理

機器魚主硬件原理如圖1所示。機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)合實現(xiàn)的。機器魚在水中分別通過攝像頭、紅外傳感器、LCD進行畫面采集、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立刻通過AD管腳向ARM芯片傳送與紅外線返回的光強相應(yīng)的電壓，電壓經(jīng)過ARM芯片的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成十位的二進制數(shù)字量，通過一定的公式計算出此時與障礙物的距離。當(dāng)計算出來的距離小于預(yù)設(shè)量時，ARM芯片的控制軟件執(zhí)行一個串行中斷指令改變脈沖的脈寬即改變改PWM波的占空比變，進而改變機器魚的游向從而避開障礙物。

1．2 ARM芯片模塊設(shè)計

ARM處理器擁有16／32Bit內(nèi)核和具有450MIPS運算能力。400MHz的標準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)字攝像頭接口，可選配130萬像素CMOS號業(yè)攝像頭進行圖像采集。ARM處理器的外圍擴展了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構(gòu)成系統(tǒng)，無需外圍器件。

嵌入式Linux (Embedded Linux)是指對標準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)的存儲器芯片或單片機中。它具有成本低、源代碼開放和移植性好的優(yōu)點。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)實驗表明溫度高于絕對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控制器的要求很高，所以不選為機器魚的避障器。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于機器魚的意義并不大，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)以及測量時間均不會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，傳感器輸出一個與返回光強成正比模擬電壓。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后以一定的算法計算出機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，否則執(zhí)行中斷進行避障。紅外傳感器硬件原理如圖2所示。

1．4 攝像頭模塊