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在仿生推進(jìn)機理的研究中，精確測量魚(yú)類(lèi)尾鰭拍動(dòng)參數對于魚(yú)類(lèi)仿生推進(jìn)機理研究及工程應用具有重要的意義；然而，目前研究者大多采用分析高速攝像機拍攝的圖像獲得參數的觀(guān)測方法。這種方法受到環(huán)境與設備的限制，結果精確度較差。本設計是一種基于MEMS器件的生物運動(dòng)微慣性測量裝置。利用該裝置實(shí)現了對SPC-III機器魚(yú)尾鰭拍動(dòng)參數的精確測量，為國內首次利用MEMS器件進(jìn)行的活體魚(yú)尾鰭拍動(dòng)參數測量實(shí)驗打下了基礎，為機器魚(yú)仿生推進(jìn)設計理論提供支撐。 1 設計要求和系統結構 根據活體魚(yú)類(lèi)的生物特征和實(shí)驗本身的特點(diǎn)，微慣性測量裝置應該滿(mǎn)足下列設計要求：體積小，質(zhì)量輕，功耗低，采集頻率和采集精度高，防水密封性能良好。為了實(shí)現這些需求，微慣性測量裝置的硬件由兩部分組成：①微處理器單元；②微慣性傳感器單元。微處理器單元主要包括微處理器、A／D轉換芯片和Flash。微處理器作為核心單元，通過(guò)SPIl口連接A／D轉換芯片完成數據采集，通過(guò)SPIO口連接Flash完成數據存儲，通過(guò)串口與上位機通信。微慣性傳感器單元是由MEMS加速度計和MEMS陀螺所組成的，完成加速度與角速度的原始信息采集任務(wù)。采集的原始信息經(jīng)過(guò)A／D轉換處理后，寫(xiě)入Flash芯片中保存，或通過(guò)串口直接發(fā)送至上位機進(jìn)行處理。系統原理簡(jiǎn)圖如圖l所示。 系統原理簡(jiǎn)圖 2 微處理器單元 2．1 LPC2129處理器 本裝置既要求微處理器具有一定的處理能力又要求功耗低、體積小，所以選用Philips公司的LPC2129。LPC2129基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有16KB片內SRAM和256KB嵌入的高速片內Flash存儲器。LPC2129具有LQFP64的較小封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、9個(gè)外部中斷、最多可達46個(gè)GPIO等。 在LPC2129的軟件設計上，未采用ARM上常用的uC／OS-II或uClinux操作系統，而是使用前后臺式的定時(shí)中斷結構。這種前后臺式的定時(shí)中斷結構更適于實(shí)時(shí)性要求很高的控制系統，可以保證控制回路延遲均在一個(gè)設計確定的范圍內，并且各個(gè)模塊問(wèn)優(yōu)先級關(guān)系十分明確，使用起來(lái)較為方便。 2．2 A／D轉換采集芯片ADSl256 A／D轉換芯片采用美國TI公司的24位串行模／數轉換器ADSl256。其可提供高達23位的無(wú)噪聲精度，數據速率最高可達30 ksps。ADSl256采用四線(xiàn)制SPI通信方式，與LPC2129的SPIl接口相連，可以靈活方便地進(jìn)行通信。 ADS1256采用多通道循環(huán)采集的工作方式。在數據準備信號DRDY提示可以提取數據后，首先將當前的采集通道變?yōu)橄乱粋�(gè)采集通道，開(kāi)始新的采集轉換，然后再馬上提取A／D轉換寄存器中的數據(這時(shí)的數據其實(shí)是上一輪轉換好的數據)。這種方式在實(shí)現提取數據的同時(shí)進(jìn)行新數據的采集轉換，是一種高效率的工作方式。 2．3 Flash芯片AT45DB041B Flashl選用Atmel公司的可編程串行存取芯片AT45DB041B。主存儲單元分為2048頁(yè)，每頁(yè)264字節；具有2個(gè)264字節靜態(tài)隨機存儲器作為數據緩沖器。 AT45DB04lB與LPC2129的SPI0接口相連，采集的數據首先寫(xiě)入Flash的緩沖區2中，再將緩沖區里的數據寫(xiě)入Flash的主存頁(yè)面進(jìn)行保存，待離線(xiàn)的數據分析處理。 3 微慣性傳感器單元 微慣性測量裝置的MEMS傳感器單元由微機械陀螺和微加速度計組成，可精確測量載體的一個(gè)軸向角速度信息和一個(gè)軸向加速度信息。 3.1 ADXRS300單角速度陀螺儀 ADXRS300是美國模擬器件公司生產(chǎn)的基于MEMS技術(shù)的角速度傳感器。ADXRS300采用+5V電源供電，測量偏航角速度的范圍是±300rad／s，靈敏度為5mV／(rad·s-1)，零位輸出電壓為2．5V。通過(guò)外部電阻和電容可分別設定測量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。采用BGA-32封裝技術(shù)，外圍尺寸僅為7mm×7mm×3mm，重量?jì)H0．5g。 設被測量的角速度為αv，單位為(°)／s；輸出電壓為Uo，單位為mV；靈敏度K為5mV/(°)·s-1，零位輸出電壓為2．5V，則有關(guān)系式： 3.2 ADXLl50單軸加速度計 ADXL150是美國模擬器件公司生產(chǎn)的基于MEMS技術(shù)的單軸微加速度傳感器。ADXL150的主要性能特點(diǎn)：零位輸出偏置電壓為Us／2，測量范圍為±50g，靈敏度系數為38mV/g，非線(xiàn)性度0．2％，零加速度漂移為O．2g；4～6V供電均可工作；功耗很低，靜態(tài)電流只有1．8～3．5mA。 設被測量的加速度為av，單位為g；輸出電壓為Uo，單位為mV；靈敏度為K，單位為mV／g；電源電壓為Vs，單位為mV，則有關(guān)系式： 4 速度、角度、位移的測量原理 角速度與加速度信息經(jīng)過(guò)積分計算處理后，可以得到角度、速度、位移等信息，故該裝置在可測量載體角速度與加速度信息的基礎上，能夠實(shí)現載體的多種運動(dòng)狀態(tài)信息的測量。 設采樣周期為T(mén)，v(k)為kT時(shí)刻的速度，x(k)為kT時(shí)刻的位移，a(k)為kT時(shí)刻的加速度，a(k)為加速度的連續真值，則有下列求解速度的積分公式： 區間[kT，(k+1)T]內所包的面積。己知加速度在kT、(k+1)T時(shí)刻的采樣值為a(k)和a(k+1)可以把加速度a(t)在時(shí)間區間[kT，(k+1)T]內所包圍的形狀近似為一矩形或梯形，采用梯形更精確一點(diǎn)，如圖2所示。 因而上式可以近似為： 已知A／D采樣周期為t，在某時(shí)刻T1時(shí)載體的角速度為w1，線(xiàn)加速度為a1，線(xiàn)速度為v1。經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期t后，在T1+t時(shí)刻載體的角速度為w2，線(xiàn)加速度為a2，線(xiàn)速度為v2，在該采樣周期t中載體轉過(guò)的角度為α，載體的位移為s，則有： 通過(guò)積分計算即可得到載體的角度、速度、位移等信息。 5 應用 5.1 系統集成 微慣性測量裝置由處理器單元模塊和傳感器單元模塊組成。兩模塊通過(guò)板問(wèn)總線(xiàn)連接，相錯放置，以最大限度地利用空間，達到微小化的尺寸要求。裝置采用7．2V鋰電池供電。最終封裝后的裝置重量?jì)H為25g。 采用NI公司的LabWindows／CVI軟件開(kāi)發(fā)了上位機數據處理軟件。數據處理軟件讀取微慣性測量裝置采集的速度信息，生成速度／角度，位移曲線(xiàn)，得到載體的擺角、振幅值。 5．2 SPC-III機器魚(yú)尾鰭拍動(dòng)參數測量實(shí)驗 利用該微慣性測量裝置對北京航空航天大學(xué)機器人研究所ITM實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的SPC-III機器魚(yú)進(jìn)行了機器魚(yú)尾鰭拍動(dòng)參數的測量實(shí)驗。微慣性測量裝置安裝于機器魚(yú)尾鰭尾柄處，測量裝置的采集頻率設定為1kHz。SPC-III機器魚(yú)以1Hz頻率穩定拍動(dòng)情況下，采集的數據經(jīng)上位機數據處理軟件處理，可得到SPC-III機器魚(yú)的尾鰭拍動(dòng)參數：拍動(dòng)頻率1Hz，擺角幅度41.70°，振幅97．368mm，最大角速度124．264(°)／s。角速度曲線(xiàn)如圖3、圖4所示。 角速度曲線(xiàn) 由表1可知，測量數據與理論設計數值相差不大。造成誤差的可能原因：陀螺與加速度計本身存在誤差偏值，其中包括零位誤差和動(dòng)態(tài)誤差等；機器魚(yú)尾鰭拍動(dòng)機構不是非常精密，存在偏差。 根據魚(yú)類(lèi)尾鰭推力的估算方法，估算得到SPC-III機器魚(yú)以1 Hz頻率拍動(dòng)時(shí)尾鰭產(chǎn)生的平均推力為10 N，如表2所列。 由表1可知，測量數據與理論設計數值相差不大。根據魚(yú)類(lèi)尾鰭推力的估算方法，估算得到SPC-III機器魚(yú)以1 Hz頻率拍動(dòng)時(shí)尾鰭產(chǎn)生的平均推力為10 N，如表2所列。 SPC-III機器魚(yú)采用的兩關(guān)節并聯(lián)機構尾鰭推進(jìn)器可以產(chǎn)生幾十牛的推力，實(shí)際推力與估算推力基本符合，初步驗證了基于理想推進(jìn)器理論和動(dòng)量定理的尾鰭推力估算方法。在不具備水洞模型試驗、CFD水動(dòng)力計算仿真的條件下，利用該方法能夠快速、簡(jiǎn)便地得到尾鰭推力的估計值，或反解尾鰭的運動(dòng)參數。這種推力估算方法已經(jīng)成功地運用于北京航空航天大學(xué)ITM實(shí)驗室SPC系列機器魚(yú)的設計和實(shí)驗工作中。 結語(yǔ) 利用一種基于MEMS器件的微慣性測量裝置，可進(jìn)行SPC-III機器魚(yú)尾鰭拍動(dòng)參數的精確測量。微慣性測量裝置體積小，質(zhì)量輕，功耗低，可得到載體的加速度、角速度、速度、位移、角度等運動(dòng)信息，可應用于生物運動(dòng)測量、體育運動(dòng)測量、人體健康監測等多種領(lǐng)域。 |
