概述仿生机器人的关键技术

1.Altium Designer软件

Altium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化电子产品开发系统（见图6-21），运行环境为Windows操作系统[193]。该软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术完美地融合在一起，为设计者们提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松地进行设计工作，熟练使用这一软件将使电路设计的质量和效率大为提高。

图6-21　Altium Designer软件

2.控制器件

高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine，ARM，见图6-22）是一个32位精简指令集（RISC）的处理器架构，广泛用于嵌入式系统。ARM开发板根据其内核可以分为ARM7、ARM9、ARM11、Cortex-M系列、Cortex-R系列和Cortex-A系列，等等。其中，Cortex是ARM公司出产的最新架构，Cortex-M是面向微处理器用途的[194]；Cortex-R系列是针对实时系统用途的；Cortex-A系列是面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用的。由于ARM公司只对外提供ARM内核，各大厂商在授权付费使用ARM内核的基础上研发生产各自的芯片，形成了嵌入式ARM CPU的大家庭。提供这些内核芯片的厂商有Atmel、TI、飞思卡尔、NXP、ST、三星等。本书描述的仿鱼机器人使用的是ST公司生产的Cortex-M3 ARM处理器STM32F103VCT6，其数据总线宽度为32 bit；最大时钟频率为72 MHz；程序存储器大小512kB。类别为ARM微控制器-MCU；制造商为STMicroelectronic；核心为ARM Cortex M3；其最小系统如图6-23所示。

图6-22　STM32F103

图6-23　STM32最小系统

（1）ARM的特点。

ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，是一个小门数的计算机，其指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机（CISC）要简单得多，其目标就是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行的简单而高效的指令集[195]。RISC的设计重点在于降低处理器中指令执行部件的硬件复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能水平。因此ARM具备了非常典型的RISC结构特性。

①具有大量的通用寄存器；

②通过装载/保存（load-store）结构使用独立的load和store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，处理器只处理寄存器中的数据，从而避免多次访问存储器；

③寻址方式非常简单，所有装载/保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定；

④使用统一和固定长度的指令格式。

这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。

（2）ARM的驱动外设。

ARM公司只设计内核，将设计的内核卖给芯片厂商，芯片厂商在内核外自行添加外设。本节重点分析STM32的外设。

STM32是一个性价比很高的处理器，具有丰富的外设资源。它的存储器片上集成着32～512KB的Flash存储器、6～64KB的SRAM存储器，足够一般小型系统的使用；还集成着12通道的DMA控制器，以及DMA支持的外设[196]；片上集成的定时器中包含ADC、DAC、SPI、IIC和UART；此外，它还集成着2通道12位D/A转换器，这属于STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE所独有的；最多可达11个定时器，其中有4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器，2个16位的6通道高级控制定时器，最多6个通道可用于PWM输出；2个16位基本定时器用于驱动DAC；支持多种通信协议，例如：2个IIC接口、5个USART接口、3个SPI接口，两个和IIS复用、CAN接口、USB 2.0全速接口。

（3）ARM的编程语言。

ARM的体系架构采用第三方Keil公司μVision的开发工具（目前已被ARM公司收购，发展为MDK-ARM软件），用C语言作为开发语言，利用GNU的ARM-ELF-GCC等工具作为编译器及链接器，易学易用，它的调试仿真工具也是Keil公司开发的Jlink仿真器。Keil的工作界面如图6-24所示[197]。

图6-24　Keil工作界面

3.存储器件

(1)EEPROM。

带电可擦写可编程读写存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）是用户可更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）[198]。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此EEPROM的寿命是一个很重要的设计参数。EEPROM是一种特殊形式的闪存，通常是利用电脑中的电压来擦写和重编程。

仿鱼机器人采用了AT24C016芯片，存储空间为16 MB，原理如图6-25所示。

图6-25　EEPROM原理图

(2)FLASH。

FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据，同时也可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器[199]。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来FLASH全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储引导文件以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用（U盘）。

FLASH存储器具有如下优点：

①与低读、写延迟和包含机械部件的磁盘相比，FLASH存储器的读、写延迟较低；

②统一的读性能，寻道和旋转延迟的消除使得随机读性能与顺序读性能几乎一致；

③低能耗，能量消耗显著低于RAM和磁盘存储器；

④高可靠性，FLASH存储器的MTBF（mean time between failures）比磁盘高一个数量级；

⑤能适应恶劣环境，包括高温、剧烈震动等。

仿鱼机器人采用了W25Q128芯片，存储空间为128 MB，原理图见图6-26。

图6-26　FLASH原理图

(3)SRAM。

静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，简称SRAM）是随机存取存储器的一种。所谓“静态”是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。相比之下，动态随机存取存储器（DRAM）里面所储存的数据就需要周期性地更新[200]。然而，当电力供应停止时，SRAM储存的数据还是会消失的（被称为volatile memory），这与在断电后还能储存资料的ROM或闪存是不同的。SRAM还有一个缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大[201]。

SRAM的基本特点为速度快，不必配合内存刷新电路，可提高整体的工作效率。本书研制的仿鱼机器人采用了IS62WV51216芯片，存储空间为1 MB，原理图如图6-27所示。

图6-27　SRAM原理图

4.指示器件

（1）蜂鸣器。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件[202]。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声[203]。

仿鱼机器人采用的蜂鸣器原理图如图6-28所示。

（2）七彩LED。

LED七彩灯是由三基色：红、绿、蓝组成。现在市面上分插件、贴片和大功率的三类。插件又分两脚和四脚的，两脚就自带驱动IC，在接通电源后能自动变换颜色。四脚的就要外接驱动。贴片和大功率好像市面上还没有自带IC的，都要靠外部驱动才能变换颜色。

仿鱼机器人采用了两路七彩LED，其原理图如图6-29所示。

图6-28　蜂鸣器原理图

图6-29　七彩LED原理图

5.感知器件

（1）振动传感器。

振动传感器用于检测外界振动，按结构分类可分为相对式、电涡流式、电感式、电容式等[204]。

电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器[205]。相对式电动传感器从机械接原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应定律，其产生的电动势同被测物振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。

电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽（0～10 kHz）、线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。

电感式传感器依据传感器的相对式机械接收原理，能把被测机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感式传感器有两种形式，一是可变间隙的，二是可变导磁面积的。

电容式传感器一般分为两种类型，即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移；可变面积式可以测量扭转振动的角位移。

仿鱼机器人采用常闭式振动传感器，其原理如图6-30所示。

（2）测距传感器。

①测距传感器的类型。

a.超声波测距传感器。

图6-30　振动传感器

超声波测距传感器（见图6-31）是机器人经常采用的传感器之一，用来检测机器人前方或周围有无障碍物，并测量机器人与障碍物之间的距离。超声波测距的原理犹如蝙蝠声波测物一样，蝙蝠的嘴里可以发出超声波，超声波向前方传播，当超声波遇到昆虫或障碍物时会发生反射，蝙蝠的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫或障碍物的位置和距离并予以捕杀或躲避。超声波传感器的工作方式与蝙蝠类似，通过发送器发射超声波，当超声波被物体反射后传到接收器，通过接收反射波来判断是否检测到物体[206]。

b.红外线测距传感器。

红外线测距传感器（如图6-32）是一种以红外线为工作介质的测量系统，具有可远距离测量（在无发光板和反射率低的情况下）、有同步输入端（可多个传感器同步测量）、测量范围广、响应时间短、外形紧凑、安装简易、便于操作等优点，在现代科技、国防和工农业生产等领域中获得了广泛应用[207]。

图6-31　超声波测距传感器

图6-32　红外线测距传感器

c.激光测距传感器。

激光具有方向性强、单色性好、亮度高等许多优点，在检测领域应用十分广泛。1965年，苏联的科学家们利用激光测量地球和月球之间的距离（38 4401 km），误差只有250 m。1969年，美国宇航员登月后安置反射镜于月面，也用激光测量地月之间的距离，误差只有15 cm[208]。

②测距传感器的工作原理。

a.超声波测距传感器的工作原理。

超声波传感器测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，并在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时[209]。已知超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的发射声波和接收回波的时间差Δt，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离S，即：

S=v·Δt/2　(6-1)

上述测距方法即是所谓的时间差测距法。

需要指出，由于超声波也是一种声波，其声速C与环境温度有关。在使用超声波传感器测距时，如果环境温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 m/s，但其传播速度v易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大。如环境温度每升高1℃，声速增加约0.6 m/s。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。已知环境温度T时，超声波传播速度v的计算公式为：

v=331.45+0.607T　(6-2)

在许多应用场合，采用小角度、小盲区的超声波测距传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点[210]。有时还可根据需要采用超声波传感器阵列来进行测量，可提高测量精度、扩大测量范围。图6-33所示为超声波传感器阵列，图6-34所示为搭载了超声波测距阵列的电动车。

图6-33　超声波传感器阵列

图6-34　搭载了超声波测距阵列的电动小车

b.红外线测距传感器的工作原理。

红外线测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同其反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测[211]。红外线测距传感器具有一对红外信号发射与接收的二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种特定频率的红外信号，当红外信号在检测方向遇到障碍物时，会产生反射，反射回来的红外信号被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。需要说明的是，机器人在这里利用了红外线传播时不会扩散的原理，由于红外线在穿越其他物质时折射率很小，所以长距离测量用的测距仪都会考虑红外线测距方式。红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出一段时间碰到反射物经过反射回来被接收管收到，人们根据红外线从发出到被接收到的时间差（Δt）和红外线的传播速度（C）就可以算出测距仪与障碍物之间的距离[212]。简言之，红外线的工作原理就是利用高频调制的红外线在待测距离上往返产生的相位移推算出光束渡越时间Δt，从而根据D=（C×Δt）/2得到距离D。

图6-32所示红外线测距传感器的型号为GP2Y0A21YK0F，该传感器是由位置敏感探测集成单元（PSD）、红外发光二极管和信号处理电路组成，工作原理如图6-35所示，其测距功能是基于三角测量原理实现的（见图6-36）。

图6-35　红外线传感器工作原理图

由图6-36可知，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，这束光会反射回来，反射回来的红外光束被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L。在知道了发射角度a、偏移距L、中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以利用三角几何关系计算出来了[213]。

可以看到，当距离D很小时，L值会相当大，可能会超过CCD的探测范围。这时虽然物体很近，但传感器反而看不到了。而当距离D很大时，L值就会非常小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值也难以肯定。换言之，CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越远的物体，CCD的分辨率要求就越高。由于采用的是三角测量法，物体的反射率、环境温度和操作持续时间等因素及而不太容易影响距离的检测精度。

图6-36　三角测量原理

图6-37　装置红外线测距传感器和　超声波测距传感器的智能小车

红外线测距传感器可以用于测量距离、实现避障、进行定位等作业，广泛应用于移动机器人和智能小车等运动平台上。图6-37所示为一款装置了红外线测距传感器和超声波测距传感器的智能小车。

c.激光测距传感器的工作原理。

激光测距传感器（见图6-38）工作时，先由激光发射器对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到激光接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上[214]。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测到极其微弱的光信号。记录并处理从激光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标的距离。需要说明的是，激光测距传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快，微小的时间误差也会导致极大的测距误差。该传感器的工作原理如图6-39所示。

图6-38　激光测距传感器

图6-39　激光测距传感器的工作原理

（3）光敏传感器。

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等[215]。国内主要厂商有OTRON品牌等。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

仿鱼机器人采用光敏传感器，其原理如图6-40所示。

图6-40　光敏传感器原理图

（4）姿态传感器。

姿态传感器在机器人的传感探测系统中经常会占有一席之地，它是机器人实现对自身姿态进行精确控制而必不可少的器件之一，地位不可小觑。目前，机器人技术领域使用的姿态传感器是一种基于MEMS（微机电系统）技术的高性能三维运动姿态测量系统[216]。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘、MPU6050等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊的数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。姿态传感器可广泛嵌入到航模、无人机、机器人、机械云台、车辆船舶、地面及水下设备、虚拟现实装备，以及人体运动分析等需要自主测量三维姿态与方位的产品或设备中。

要了解姿态传感器的工作原理，就应当先了解陀螺仪、加速度计等的结构特性与工作原理。

a.三轴陀螺仪。

在一定的初始条件和一定的外力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进，又称为回转效应。陀螺旋进是日常生活中司空见惯的现象，人们耳熟能详的陀螺就是例子[217]。人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪（Gyroscope），它在国民经济建设各个领域都有着广泛的应用。

图6-41　三轴陀螺仪

陀螺仪（见图6-41）是用高速回转体的动量矩来感受壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的能起同样功能作用的角运动检测装置也称陀螺仪。三轴陀螺仪可同时测定物体在6个方向上的位置、移动轨迹和加速度，单轴陀螺仪只能测量两个方向的量。也就是说，一个6自由度系统的测量需要用到3个单轴陀螺仪，而一个三轴陀螺仪就能替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，在许多应用场合都能见到它的身影。

b.三轴加速度计。

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是物体在加速过程中作用在物体上的力，好比地球的引力[218]。加速力可以是常量，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的；另一种是线加速度计。加速度计种类繁多，其中有一种是三轴加速度计（见图6-42），它同样是基于加速力的基本原理去实现测量工作的。

学过物理的同学都知道，加速度是个空间矢量，了解物体运动时的加速度情况对控制物体的精确运动十分重要。但要准确了解物体的运动状态，就必须测得其在三个坐标轴上的加速度分量。另一方面，在预先不知道物体运动方向的情况下，只有应用三轴加速度计来检测加速度信号，才有可能帮助人们破解物体如何运动之谜。通过测量由于重力引起的加速度，人们可以计算出所用设备相对于水平面的倾斜角度；通过分析动态加速度，人们可以分析出所用设备移动的方式。加速度计可以帮助仿人机器人了解它身处的环境和实时的状态，是在爬山，还是在下坡，摔倒了没有。对于飞行机器人来说，加速度计在改善其飞行姿态的控制效果方面也极为重要[219]。

目前的三轴加速度计大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集。这和普通的加速度计是基于同样的工作原理的，所以经过一定的技术加工，三个单轴加速度计就可以集成为一个三轴加速度计。

两轴加速度计已能满足多数应用设备的需求，但有些方面的应用还离不开三轴加速度计，例如在移动机器人和飞行机器人的姿态控制中，三轴加速度计能够起到不可或缺的作用，这是单轴或两轴加速度计所望尘莫及的。

c.MPU6050。

图6-42　三轴加速度计

MPU6050是美国INVENSENCE公司推出的一款组合有多种测量功能的传感器，具有低成本、低能耗和高性能的特点。该传感器首次集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计，拥有数字运动处理单元（DMP），可直接融合陀螺仪和加速度计采集的数据。其集成的陀螺仪最大能检测±2000°/s，其集成的加速度计最大能检测±16g，最大能承受10 000g的外部冲击[220]。MPU6050采用I2C协议与主控芯片STM32进行通信，工作效率很高，其电路设计如图6-43所示。

仿鱼机器人采用了MPU6050，其原理图如图6-44所示。

（5）位置传感器。

图6-43　MPU6050的电路图

图6-44　MPU6050原理图

利用GPS定位卫星在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展[221-222]。

全球定位系统的主要特点是全球、全天候工作，定位精度高。单级定位精度优于10 m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级；功能多，应用广，因而GPS系统以高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等优点闻名于世。

GPS的第一个优点是定位精度高，应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50 km以内可达106 m，100～500 km可达107 m，1 000 km可达109 m。在300～1500 m工程精密定位中，1小时以上观测的平面位置误差小于1 mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长校差最大为0.5 mm，校差中误差为0.3 mm。

GPS的第二个优点是观测时间短，随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，性能不断提高目前，20 km以内相对静态定位，仅需15～20 min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15 km以内时，流动站观测时间只需1～2 min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

图6-45　GPS模块

GPS模块采用U-BLOX NEO-6M模组（见图6-45），体积小巧，性能优异。模块自带陶瓷天线及MAXIM公司20.5dB高增益LNA芯片。模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，使用方便。模块自带IPX接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。模块兼容3.3 V/5 V电平，方便连接各种单片机系统。模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。

（6）温度传感器。

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器[223]。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分还可分为热电阻和热电偶两类。

接触式温度传感器又称温度计，其检测部分与被测对象需要有着良好的接触。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度情况，一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动物体、小目标或热容量很小的对象则容易产生较大的测量误差。常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻式温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120 K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300 K范围内的温度。

非接触式的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布[224]。

仿鱼机器人采用的DS18B20温度传感器（其原理图如图6-46所示）是一种常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小、精度高、硬件开销低，抗干扰能力强的特点。而且该温度传感器接线方便，封装可有多种形式，如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式，等等，可应用于多种场合[225]。

图6-46　温度传感器原理图

主要根据应用场合的不同而改变其外观封装后的DS18B20可用于电缆沟测温、高炉水循环测温、锅炉测温、机房测温、农业大棚测温、洁净室测温、弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

6.能源器件

（1）电源。

舵机所用电池一般采用航模电池，锂离子聚合物电池制作工艺一般采用叠片软包装，所以用户要改变电池的尺寸十分灵活与方便，型号相对较多。相对以前的电池来说，锂离子聚合物电池能量高、小型化、轻量化，是一种化学性质的电池[226]。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合一些产品的需要，制作成一些特定形状与容量的电池。该类电池理论上的最小厚度可达0.5 mm。主要应用于航模飞机系列玩具的锂电池，具有高倍率、安全等特点。

电池的电压是用伏特（V）来表示的。标称电压只是厂家按照国家标准标示的电压，实际使用时电池的电压是不断变化的。如镍氢电池的标称电压是1.2 V，充电后电压可达1.5 V，放电后的保护电压为1.1 V；锂聚合物电池的标称电压是3.7 V，充电后电压可达4.2 V，放电后的保护电压为3.6 V。在实际使用过程中，电池的电压会产生压降，这是和电池所带动的负载有关的，也就是说电池所带的负载越大，电流越大，电池的电压就越小，在去掉负载后电池的电压还可恢复到一定值。

电池的容量是用毫安时（mAh）来表示的。它的意思是电池以某个电流来放电能维持一小时，例如1 000 mAh就是这个电池能保持1000 mA（1安培）放电一小时[227]。但是电池的放电并非是线性的，所以不能说这个电池在500 mA时能维持2小时。不过电池在小电流时的放电时间总是大于大电流时的放电时间，所以可以近似的算出电池在其他电流情况下的放电时间。一般而言，电池的体积越大，它储存的电量就越多，但这样重量也会增加，所以选择合适的电池是有很多好处的。

电池的放电能力是以倍数（C）来表示的，它的意思是说按照电池的标称容量最大可达到多大的放电电流。例如一个1 000 mAh、10C的电池，最大放电电流可达1 000×10=10 000（mA），即10 A。在实际使用中，电池的放电电流究竟为多少是与负载电阻有关的。根据欧姆定理可知，电压等于电流乘电阻，所以电压和电阻是定数时，电池的放电电流也是一定的。例如使用11.1 V、1 000 mAh、10C的电池，而电动机的电阻是1.5Ω，那么在电池有12 V电的情况下，忽略电调和线路的电阻不计，电流等于12÷1.5=8，结果是8 A。常用的锂聚合物电池如图6-47所示。

图6-47　锂聚合物电池

（2）电源电量监控电路。

仿鱼机器人由电池供电进行驱动，需要实时监测电池电量。一方面，要确保仿鱼机器人不会因供电不足而终止所要完成的任务；另一方面，应避免电池损伤内部电路。因此，设计电池电量检测电路，并设定电量检测阈值，是非常必要的。这样如果出现电池电量低于设定阈值的情况，则报警提示电池电量不足，提醒及时充电。

仿鱼机器人采用Linear公司出产的多节电池电量测量芯片LTC2943。该芯片输入电压范围较宽，可测量电池充电状态、电池电压、电池电流及其自身温度。检测电路如图6-48所示。

图6-48　电源电量监控电路

7.通信技术

（1）蓝牙无线通信技术。

①蓝牙无线通信的工作原理。

蓝牙（Bluetooth）是一种开放的、低成本、短距离无线连接技术规范的代称，主要用于传送语音和数据。蓝牙技术作为一种便携式电子设备和固定式电子设备之间替代电缆连接的短距离无线通信的标准，具有工作稳定、设备简单、价格便宜、功率较低、对人体危害较小等特点[228]。它强调的是全球性的统一运作，其工作频率定在2.45GHz这个为工业生产、科学研究、医疗服务等大众领域都共同开放的频段上，符号速率为1 Mb/s，每个时隙宽度为625μs，采用时分双工（TDD）方式和高斯频移键控（GFSK）调制方式。蓝牙技术支持一个异步数据信道、三个并发的同步语音信道或一个同时传送异步数据和同步话音的信道。每一个话音信道支持64 kb/s的同步语音；异步信道支持最大速率为57.6 kb/s的非对称连接，或者是432 kb/s的对称连接[229]。系统采用跳频技术来抵抗信号衰落，使用快跳频和短分组技术减少同频干扰来保证传输的可靠性，并采用前向纠错（FEC）技术来减少远距离传输时的随机噪声影响。

蓝牙网络的基本单元是微微网，它可以同时最多支持8个电子设备，其中发起通信的那个设备称为主设备，其他设备称为从设备。一组相互独立、以特定方式连接在一起的微微网构成分布式网络，各微微网通过使用不同的调频序列来区分。蓝牙技术支持多种类型的业务，包括声音和数据，为将来的电器设备提供联网和数据传输的功能，它将使来自各个设备制造商的设备能以同样的“语言”进行交流，这种“语言”可以认为是一种虚拟的电缆。蓝牙的一般传输距离是10 cm到10 m，如果提高功率的话，其传输距离则可扩大到100 m。

②蓝牙无线通信的使用方式及技术特点。

蓝牙技术的一个优势在于它应用了全球统一的频率设定，消除了“国界”的障碍，而在蜂窝式移动电话领域，这种障碍已经困扰用户多年[230]。另外，蓝牙技术使用的频段是对所有无线电系统都开放的，因此使用时可能会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电设备、无绳电话、微波炉等，都可能成为干扰源。为此蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案以确保工作的稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方都按这个规律通信，而其他的干扰源不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术可将这个窄带成倍的扩展，使之变成宽频带，从而使可能干扰的影响变得很小。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙技术系统比其他系统工作更加稳定。

目前，蓝牙技术主要以满足美国FCC（Federal Communications Commission，联邦通信委员会）要求为目标，对于其他国家的应用需求还要做一些适应性调整。蓝牙1.0规范已公布的主要技术指标和系统参数如表6-1所示。

表6-1　蓝牙技术指标和系统参数

③蓝牙无线通信的信息处理。

蓝牙协议体系结构主要包括蓝牙核心协议（基带、LMP、L2CAP、SDP），串口仿真协议（RFCOMM）、电话传送控制协议（TCS），以及可选协议（PPP、TCP/IP、OBEX、WAP、IrMC）等。为了使远程设备上对应的应用程序能够实现互操作功能，蓝牙技术联盟（SIG）为蓝牙应用模型定义了完整的协议栈，如图6-49所示。

需要指出的是，并不是所有的应用程序都要利用上述全部协议。相反，应用程序往往只利用协议栈中的某些部分，并且协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的服务[231]。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可以自由地选用其专利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范的基础上开发出新的应用。

图6-49　蓝牙协议栈示意图

基于蓝牙技术的应用成果非常丰富，图6-50和图6-51展示了蓝牙技术的一些应用实例。

(https://www.xing528.com)

图6-50　基于蓝牙技术的环境智能管理系统

图6-51　基于蓝牙技术的物流管理系统

（2）超宽带无线通信技术。

①超宽带无线通信的工作原理。

无线通信技术是当前发展最快、活力最大的技术领域之一。这个领域中的各种新技术、新方法层出不穷[232]。其中，超宽带（Ultra Wide Band，UWB）无线通信技术是在20世纪90年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术，被列为未来通信的十大技术之一。

随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。UWB技术的出现，实现了短距离内超宽带、高速的数据传输。其调制方式和多址技术的特点使得它具有其他无线通信技术所无法具有的一些优点，比如很宽的带宽、很高的数据传输速度，加上功耗低、安全性能高等特点，使之成为无线通信领域的宠儿[233]。

UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。与常见的无线电通信方式使用连续的载波不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此其最大数据传输速率可高达几百Mb/s。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非超宽带接收机来说近似于噪声。从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，有望在无线通信领域得到广泛的应用[234]。

TM-UWB（时间调制超宽带）最基本的单元是单脉冲小波，如图6-52所示，它是由高斯函数在时域中推导得出的，其中心频率和带宽依赖于单脉冲的宽度。实际上，空间频谱是由发射天线的带通和暂时响应特性决定的，时域编码、时域调制系统采用长序列单脉冲小波来进行通信，数据调制和信道分配是通过改变脉冲和脉冲之间的时间间隔进行的。另外，数据编码也可以通过改变脉冲的极性进行。

脉冲的发送如果以固定的间隔进行时，结果会导致频谱中包含一种不希望见到的由脉冲重复率分割的“梳状线”，而且梳状线的峰值功率将会限制总的传输功率。因此，为了平滑频谱，使频谱更接近噪声，而且能够提供信道选择，单脉冲利用伪噪声（PN）序列进行时域加扰，即在等于平均脉冲重复率的倒数时间间隔内，在3 ns精度内加载单脉冲，如图6-53所示，这是一个小波序列，或称为NP时域编码的“脉冲”串。

图6-52　时域内的单脉冲小波

图6-53　时域内时域编码单脉冲小波序列

TM-UWB系统通过脉冲位置进行调制，或通过脉冲的极性来进行调制。脉冲位置调制是在相对标准PN编码位置提前或晚1/4周期的位置上放置脉冲。调制进一步平滑了信号的频谱，使得系统更不容易被检测到，增加了隐蔽性。

②超宽带无线通信的使用方式及技术特点。

图6-54中显示了TM-UWB发射器的结构组成示意图。从图中可以发现TM-UWB发射器并不包含功率放大器，替代它的是一个脉冲发生器，它根据要求按一定的功率发射脉冲。可编程时延实现了PN时域编码和时域调制。另外，系统中的调制也可以用脉冲极性来实现。定时器的性能不仅能够影响到精确的时间调制和精确的PN编码，而且还会影响到精确的距离定位，是TMUWB系统的关键技术。

如图6-55所示，TM-UWB接收器把接收到的射频信号经放大后直接送到前端交叉相关器处理，相关器将收到的电磁脉冲序列直接转变为基带数字或模拟输出信号，没有中间频率范围，因而极大地减小了复杂度。TM-UWB接收器的一个重要特点就是它的工作步骤相对简单，没有功放、混频器等，制作成本低，可以实现全数字化，采用软件无线电技术，还可实现动态调整数据率、功耗等。

UWB技术相比其他通信技术还具有如下的技术特点：

图6-54　TM-UWB发射器组成示意图

图6-55　TM-UWB接收器组成示意图

a.隐蔽性。

无线电波在空间传播时的“公开性”是无线通信方式较之有线通信方式的“先天不足”。UWB无线通信发射的是占空比很低的窄脉冲信号，脉冲宽度通常在1 ns以下，射频带宽可达1 GHz以上，所需平均功率很小，信号被隐蔽在环境噪声和其他信号中，难以被敌方检测[235]。这是UWB较常规无线通信方式最为突出的特点。

b.简单性。

这里所说的简单性是指UWB无线通信的系统结构十分简单，无线通信技术使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用小型脉冲进行激励，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽频发射器。同时在接收端，UWB的接收器也有别于传统的接收器，不需要中频处理，因此UWB系统结构比较简单。

c.高速性。

UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，UWB可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

d.增益性。

增益指信号的射频带宽与信息带宽之比。UWB无线通信可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益[236]。例如，对信息带宽为8 kHz、信道带宽为1.25 MHz的码分多址直接序列扩谱系统，其处理增益为156（22 dB）；对于UWB系统，可以采用窄脉冲将8 kHz带宽的基带信号变换为2 GHz带宽的射频信号，处理增益为250 000。

e.分辨能力强。

由于常规无线通信中的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，于是大量多径分量的交叠造成严重的多径衰落，限制了通信质量和数据传输速率。而UWB无线通信发射的是持续时间极短、占空比极低的脉冲，在接收端，多径信号在时间上能做到有效分离。发射窄脉冲的UWB无线信号，在多径环境中的衰落不像连续波信号那样严重。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30 dB的环境，对UWB无线通信信号的衰落最多不到5dB。此外，由于脉冲多径信号在时间上很容易分离，可以极为方便地采用Rake接收技术，以充分利用发射信号的能量来提高信噪比，从而改善通信质量。

f.传输速率快。

数字化、综合化、宽频化、智能化和个人化是无线通信技术发展的主要趋势。对于高质量的多媒体业务，高速率传输技术是必不可少的基础。从信号传播的角度考虑，UWB无线通信由于能有效减小多径传播的影响而使其可以高速率传输数据。目前的演示系统表明，在近距离上（3～4 m），其传输速率可达480 Mb/s。

g.穿透能力强。

相关实验证明，UWB无线通信具有很强的穿透障碍物的能力，有望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白[237]。同时，相关实验还表明，适用于窄带系统的丛林通信模型同样适用于UWB系统，UWB技术也能实现隔墙成像等。

基于UWB技术的应用成果非常丰富，图6-56所示为UWB技术的应用实例。

图6-56　基于超宽带无线通信技术的地下采矿管理系统

（3）ZigBee无线通信技术。

①ZigBee无线通信的工作原理。

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[238]。

人们通过长期观察发现，蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现食物源的位置等相关信息，这种肢体语言就是ZigZag舞蹈，它是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来向同伴传递信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体的通信网络，于是人们借用ZigBee作为新一代无线通信技术的名称[239]。

简单而言，ZigBee是一种高可靠性的无线传输网络，类似于码分多址（CDMA）和全球移动通信系统（GSM）网络。ZigBee传输模块类似于移动网络基站，是一个由可多到65 535个无线传输模块组成的一个无线传输网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络传输模块之间都可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准的规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适用于自动控制和远程控制领域，也可以嵌入各种设备。简言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定[240]。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因而它必须具有体系简单、使用方便、工作可靠、价格低廉的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立的，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”花费却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）进行无线连接。

②ZigBee无线通信的使用方式及技术特点。

机器人通信可以采用ZigBee的星形结构。在该结构的网络中，充当网络协调器的机器人负责组建网络、管理网络，并对网络的安全负责[241]。它要存储网络内所有节点的设备信息，包括数据包转发表、设备关联表以及与安全有关的密钥等。当这类机器人受到某些触发时，例如内部定时器所定时间到了、外部传感器采集完数据、收到协调器要求答复的命令，就会向协调器传送数据。作为网络协调器的机器人可以采用有线方式和一台PC机相连，在PC机上存储网络所需的绑定表、路由表和设备信息，减小网络协调器的负担，提高网络的运行效率。

与其他无线通信方式相比，ZigBee除复杂性低、对资源要求少以外，主要特点如下：

a.功耗低。

ZigBee的数据传输速率低，传输数据量小，其发射功率仅为1 mW，且支持休眠模式[242]。因此，ZigBee设备的节能效果非常明显。据估算，在休眠模式下，仅靠两节5号电池就可以维持一个ZigBee节点设备长达6个月到2年的使用时间。而在同样的情况下，其他设备如蓝牙仅能维持几周，比较而言，ZigBee设备的功耗极低。

b.成本低。

在智能家居系统中成本控制始终是一个重要的选项。ZigBee协议栈十分简单，并且ZigBee协议是免收专利费的，这就大大降低了其芯片的成本。ZigBee模块的初始成本在6美元左右，现在价格已经降低到几美分。低成本是ZigBee技术能够应用于智能家居系统中的一个关键因素。

c.时延短。

ZigBee设备模块的通信时延非常短，从休眠状态激活的响应时间非常快，典型的网络设备加入和退出网络时延只需30 ms，休眠激活的时延仅需15 ms，在非信标模式下，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此，ZigBee非常适用于对时延要求苛刻的智能家居系统（例如安防报警子系统）。

d.容量大。

Zigbee可组建成星形、片形及网状的网络结构，在组建的网络中，存在一个主节点和若干个子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可被上一层网络节点管理，这样就能组成一个多达65 000个节点的大网络，一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络，并且组建网络非常灵活。

e.可靠性高。

ZigBee采用多种机制为整体系统的数据传输提供可靠保证，在物理层采用抗干扰的扩频技术；在MAC层采用了碰撞避免机制，这种机制要求数据在完全确认的情况下传输，当有数据需要传输时则立即传输，但每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，并采取了信道切换功能等，同时预留了专用时隙，以满足某些固定带宽的通信业务的需要，这样就能减少数据在发送时因竞争和冲突造成的丢包情况。

f.安全性好。

ZigBee提供了三级安全模式，分别为无安全设定级别、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据级别以及采用最高级加密标准（AES128）的对称密码，并提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，且支持鉴权和认证，各个应用可以对其安全属性进行灵活确定。这样就能为数据传输提供较强的安全保障。

g.工作频段灵活。

ZigBee使用的频段分别为2.4 GHz、868 MHz（欧洲），以及915 MHz（美国），均为免执照的频段。

h.自主能力强。

ZigBee的网络节点能够自动寻找其他节点构成网络，并且当网络中发生节点增加、删除、变动、故障等情况时，网络能够进行自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，保证整个系统正常工作。

③ZigBee无线通信的信息处理。

ZigBee协议栈是一个多层体系结构，由4个子层组成。每一层都有两个数据实体，分别为其相邻的上层提供特定的服务，数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其他全部的服务，每个服务实体都有一个服务接入点（SAP），每个SAP都通过一系列的服务指令来为其上层提供服务接口，并完成相应的功能。

ZigBee协议栈的体系结构如图6-57所示，是基于标准的（OSI）参考模型建立的，分别由IEEE802协会小组和ZigBee技术联盟两家共同制定完成。其中IEEE802.15.4—2003标准中对最下面的物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）进行了定义。ZigBee技术联盟提供了网络层和应用层（APL）框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和由制造商制定的应用对象。

在图6-57所示网络体系结构中，物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，工作频率可以是868 MHz、915 MHz或者2.4 GHz，它直接利用无线信道实现数据传输。媒体访问控制子层提供节点自身和其相邻的节点之间可靠的数据传输链路。其主要任务是实现传输数据的共享，并且提高节点通信的有效性。网络层在MAC层的基础上实现网络节点之间的可靠的数据传输，提供路由寻址、多跳转发等功能，并组建和维护星形、片形以及网状网络。对于那些没有路由功能的终端节点来说，仅仅具备简单的加入或者退出网络的功能而已。路由器的任务是发现邻近节点、构造路由表以及完成信息的转发。协调器具备组建网络、启动网络，以及为新申请加入的网络节点分配网络地址等功能。应用子层通过维护一个绑定表来实现将网络信息转发到运行在节点上的不同的应用终端节点，并在这些终端节点设备之间传输信息等。绑定表将设备能够提供的服务和需要的服务匹配起来。应用对象是运行在端点的应用软件，它具体实现节点的应用功能。ZigBee体系结构在协议栈的MAC层、网络层和应用层之中提供密钥的建立、交换以及利用密钥对信息进行加密、解密处理等服务。各层在发送帧时按指定的加密方案进行加密处理，在接收时进行相应的解密。

图6-57　ZigBee协议栈体系结构图

目前，ZigBee技术已在许多领域获得了广泛应用，图6-58和图6-59所示为ZigBee的应用实例。

（4）Wi-Fi无线通信技术。

①Wi-Fi无线通信技术的工作原理。

随着网络的普及，越来越多的人开始享受到了网络给自己带来的方便。但是上网地点的固定、上网工具不方便携带等问题，使人们对无线网络更加渴望[243]。而Wi-Fi技术的诞生，正好满足了人们的这种需求，也使得Wi-Fi技术越来越受到人们的关注。

图6-58　基于ZigBee技术的LED路灯智能照明控制系统研究

图6-59　基于ZigBee技术的智能能源管理系统

所谓“Wi-Fi”其实就是Wireless Fidelity的缩写，意思就是无线局域网。它遵循IEEE所制定的802.11x系列标准，所以一般所谓的802.11x系列标准都属于Wi-Fi。根据802.11x标准的不同，Wi-Fi的工作频段也有2.4 GHz和5 GHz的差别。Wi-Fi能够实现随时随地上网需求，也能提供较高速的宽带接入。当然，Wi-Fi技术也存在着诸如兼容性和安全性等方面的问题，不过凭借着自身的一些固有优势，它占据着无线传输的主流地位。

②Wi-Fi无线通信技术的使用方式及特点。

a.Wi-Fi技术的应用方向。

（a）公众服务。

利用Wi-Fi技术为公众提供服务已经不算是一个新概念了。在美国，这叫做“Hotspot”服务，即热点服务，也就是说在热点地区，比如酒店、机场、休闲场所及会展中心等地方，利用Wi-Fi技术进行覆盖，为用户提供高速的宽带无线连接[244]。随着笔记本电脑和PDA（掌上电脑）的普及，越来越多的商务人士希望在旅行的途中也可以上网。还有，在许多休闲场所，如咖啡馆和茶吧等地方，也有不少客人希望能够提供上网服务。Wi-Fi的特性正好使之可以在这样的小范围内提供高速的无线连接。目前，国内大多数咖啡馆、机场候机室以及酒店大堂等公共场所，都进行了Wi-Fi覆盖，用户只要携带配有无线网卡的笔记本电脑或PDA，就可以在这类区域无线上网。

（b）家庭应用。

Wi-Fi家庭网关不仅可以提供无线连接功能，同时还可以承担共享IP的路由功能。最优的解决方案是选择一台Wi-Fi网关设备，覆盖到家庭的全部范围。只要安装一块无线局域网网卡，家里的电脑就可以连接因特网。这样一来，家里的网络就变得非常简单方便。台式机安装USB接口的网卡，可以摆放在房间的任何一个位置；笔记本电脑就更方便了，可以不受约束地移动到任何地方使用。

b.大型企业应用。

一般说来，每个大型企业都已经有了一个成熟的有线网络，在这种情况下，无线局域网可以成为大型企业内部网络的一个延伸和补充。比如说对会议室进行无线覆盖，可以为参加会议的人员提供便利的网络连接，方便会议中的资料演示和文件交换。一部分大型企业，如思科（中国）等公司，它们的员工绝大部分都是使用笔记本电脑的，而且其工作的流动性很强。这时使用Wi-Fi技术覆盖，可以为这些用户提供无所不在的网络连接，提高他们的工作效率。

c.小型办公环境。

很多小型公司不像大型企业那样具备完善的有线网络，对它们来说，需要建立一个自己内部的局域网[245]。这时就可以考虑使用Wi-Fi来实现办公室内的网络部署。只要在办公室内安装一个无线局域网的接入点（Access Point，AP），同时在每台电脑上安装一个无线网卡，就可以建立起公司自己的内部网络，快速地进入工作状态。如果企业需要搬家，无线局域网的全部设备也可以迅速地迁入新的工作地点投入使用；如果有新的员工加入企业当中，也可以迅速连接进入公司的内部网，帮助其快速了解公司的情况。正是由于Wi-Fi的便捷性能，如今国内越来越多的公司也开始在公司内部进行Wi-Fi的使用。

③Wi-Fi无线通信的技术特点。

a.安装便捷。

无线局域网免去了大量的布线工作，只需安装一个或多个无线访问点（AP），就可以覆盖整个建筑内的局域网络，而且便于管理和维护[246]。

b.易于扩展。

无线局域网有多种配置方式，每个AP可以支持100多个用户的接入，只需在现有的无线局域网基础之上再增加AP，就可以把几个用户的小型网络扩展成为拥有几百、几千个用户的大型网络[247]。

c.高度可靠。

通过使用和以太网类似的连接协议和数据包确认方法，可以提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。

d.便于移动。

在无线局域网信号覆盖的范围内，各个节点可以不受地理位置的限制而进行任意移动。通常来说，其支持的范围在室外可达300 m，在办公环境中可达10～100 m。在无线信号覆盖的范围内，都可以接入网络，而且可以在不同运营商和不同国家的网络间进行漫游。

④Wi-Fi无线通信的信息处理。

一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一个AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，其架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络[248]。如果只是供几台电脑使用的对等网，也可不要AP，只需每台电脑配备无线网卡。AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，Wi-Fi技术更显优势，有线宽带网络（ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，无须增加端口，也能以共享的方式上网。

基于Wi-Fi技术的应用实例很多，在许多领域都能看到Wi-Fi的身影，图6-60显示了其中的一个例子。

图6-60　基于Wi-Fi技术的应用实例

NVR—网络硬盘录像机；ONU—光网络单元；OLT—光线路终端；LTE—一种网络制式；CPE—一种接收Wi-Fi信号的无线终端接入设备；DVR—数字视频录像机；DVS—数字视频编码器。

（5）2.4 GHz无线通信技术。

①2.4 GHz无线通信技术的工作原理。

2.4 GHz无线通信技术是一种短距离无线传输技术，主要供开源使用。2.4 GHz所指的是一个工作频段，2.4 GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公开通用的无线频段，蓝牙技术即工作在这一频段。在2.4 GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力，目前2.4 GHz无线通信技术广泛用于家用及商用领域。

②2.4 GHz无线通信技术的使用方式及特点。

2.4 GHz无线通信技术没有标准的通信协议栈，因此在整个协议的规划和设计时对产品的抗干扰性和稳定性等有着认真的考虑[249]。由于其与底层硬件的结构特征结合紧密，设计了物理层、链路管理层和应用层的三层结构。其中物理层和链路管理层的很多特性由硬件本身所决定。应用层则是通过使用划分信道子集的方式和跳频方式，有效防止了来自同类产品间信道的相互干扰和占用现象。同时，又通过对改进的DSSS（扩展频谱）直接序列扩频方式和无DSSS扩频两种通信方式的合理配置，实现了设备性能和抗干扰能力之间的平衡。

2.4 GHz频段近年来日益受到重视，主要原因有三：首先，它是一个全球性使用的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它整体的频宽胜于其他ISM频段，这就提高了整体数据的传输速率，允许系统共存；再次，就是尺寸方面具有优势，2.4 GHz无线通信设备和天线的体积相当小，产品体积也很小。这使它在很多时候都更容易获得人们的青睐。

③2.4 GHz无线通信技术的信息处理。

2.4 GHz无线通信技术的通信协议比蓝牙协议更简洁，能满足特定的功能需求，并加快产品开发周期、降低成本。整个协议分为3层：物理层，数据链路层和应用层。物理层包括GFSK调制和解调器、DSSS基带控制器、RSSI接收信号强度检测、SPI数据接口和电源管理，主要完成数据的调制解调、编码解码、DSSS直接序列扩频和SPI通信。数据链路层主要完成解包和封包过程。它主要有2种基本封包，即传输包和响应包，分别如图6-61和图6-62所示。

图6-61　传输包结构

图6-62　响应包结构

图6-61中，前导序列用于控制包与包之间的传输间隔。SOP用于表示包的起始，包长度说明整个包的大小，采用16位CRC校验。根据不同的应用设备，应用层有不同定义，比如在笔者完成的某计算机控制系统中，应用层就包括鼠标、键盘、控制器等。

每种类型的包在应用层协议中的用途不同。绑定包用于建立主控端和从属端之间一对一的连接关系。每个主控端最多有一个从属端，但一个从属端可以有多个主控端。连接包用于在主控端和从属端失去联系时，重新建立连接，相互更新最新的状态信息。

多数无线接收端只能和单一的主控端进行实时通信。为了与多个主控端同时进行连接，在从属端建立一对多的关系，需要进行有效的信道保护机制和数据接收机制，防止由于数据碰撞而导致无法正确接收数据。可以利用以下2种机制有效防止信道间的相互干扰。

a.改进的直接序列扩频（DSSS）。

传统DSSS将需要发送的每个比特的数据信息用伪噪声编码（PNcode）扩展到一个很宽的频带上，在接收端使用与发送端扩展所用相同的PNcode对接收到的扩频信号进行恢复处理，得到发送的数据比特。而改进的DSSS对每个字节进行直接扩频，极大提高了数据传输的速率，并确保只有在收发两端保持相同PNcode的情况下，数据才能被正确接收。若两端的PNcode不同，则传输的数据将被视为无效数据在物理层被丢弃。

b.独立通信信道（Channel）机制。

CYRF6936有78个可用的Channel，每个Channel之间间隔1MHz，78个可用信道被分成了6个子集。每个子集包含13个信道，每个子集中的信道间隔为6MHz。每种主控设备选择一个子集作为传输信道，即设备采用了不同子集中的不同信道，降低了相邻信道容易出现干扰的概率，减少了碰撞。所有设备都采用第1个子集的信道来建立BIND连接。

2.4 GHz无线通信技术的应用成果极为丰富，图6-63展示了其在校园网建设中的功能与作用。

图6-63　2.4 GHz无线通信技术在校园网建设中的功能与作用

仿鱼机器人采用NRF24L01无线通信芯片，如图6-64所示。NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，集成NORDIC自家的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度最高可达到2 Mb/s。

图6-64　NRF24L01原理图

（6）串口通信模块。

串行接口是一种可以将来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流并发送出去，同时还可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。一般将具有这种功能的电路称为串行接口电路[250]。

串口通信是指外设和计算机间通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行数据传输的一种通信方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议。大多数计算机（不包括笔记本电脑）包含两个基于RS-232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多通用接口总线（GPIB）兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时而用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20 m，并且任意两个设备间的长度不得超过2 m；而对于串口而言，长度可达1 200 m。串口用于ASCII码字符的传输[251]。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。仿鱼机器人串口通信电路图如图6-65所示。

图6-65　串口通信原理图

8.舵机控制

舵机在小型仿生机器人身上得到了广泛使用，其外形如图6-66所示。舵机的内部包括一只小型直流电机、变速齿轮组、反馈可调电位器，以及电子控制板（舵机内部情况见图6-67）。舵机主要是由外壳、电路板、电机、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动电机开始转动，通过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达指定位置[252]。

图6-66　舵机

图6-67　舵机内部结构

为了适合不同的工作环境，有的舵机进行了防水及防尘设计与处置；由于要应用不同的负载需求，所以舵机的齿轮有塑胶齿轮和金属齿轮之区分。装置着金属齿轮的舵机一般为大扭力和高速型，这样舵机就不会因为负载大、转速快而发生轮齿折断的现象。较高级的舵机还会装置滚珠轴承，使得转动时能够更加轻快精准。滚珠轴承有装一颗和装二颗的区别，当然是装二颗的比较好。目前新推出的FET舵机，主要是采用场效电晶体，因而具有内阻低的优点，所以电流损耗比一般的电晶体要少[253]。

伺服电机是一个典型的闭环反馈系统，其原理如图6-68所示。减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号进行比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。

图6-68　闭环控制原理

标准的伺服舵机有电源线、地线和控制线。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制电路所需的能源，电压通常介于4～6 V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪声）。甚至小伺服电机在大负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统电源供应的比例必须合理。

伺服舵机引出的三条线中橙色线是控制线，应当连到控制芯片上。红色线是电源正极线，工作电压是5 V。黑色线则是地线。

伺服舵机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1～2 ms之间，而低电平时间应在5～20 ms之间，但并不十分严格。表6-2所示为一个典型的20 ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出臂在180°范围内转动时与输入正脉冲宽度的对应关系。

表6-2　输入正脉冲宽度与伺服电机输出臂位置对应表

厂商所提供的舵机规格资料都会包含外形尺寸（mm）、扭矩（kg·cm）、速度（s/60°）、测试电压（V）及重量（g）等基本资料。扭矩的单位是kg·cm，意思是在摆臂长度1 cm处，能吊起几kg重的物体。这就是力臂的观念，因此摆臂长度愈长，则扭矩愈小。转速的单位是s/60°，意思是舵机转动60°所需要的时间。

电压会直接影响舵机的性能，例如，Futaba S-9001在4.8 V时扭矩为3.9 kg·cm、转速为0.22 s/60°；在6.0 V时扭矩为5.2 kg·cm、转速为0.18 s/60°。若无特别注明，JR的舵机都是以4.8 V为测试电压，Futaba则是以6.0 V作为测试电压。但是转速快、扭矩大的舵机，除了价格贵，还会伴随着耗电高的特点。因此使用高级舵机时，务必搭配高品质、高容量的镍镉电池，能提供稳定且充裕的电流，才可发挥舵机应有的性能。

伺服舵机转角在0～180°，当高电平脉冲大于2.5 ms，一般没有自我保护的舵机，都会使转角超出正常的范围，使内部直流电机处于堵转状态，一两分钟就会使舵机发烫，甚至烧坏舵机。使用时，尽量让舵机在-45°到45°之间转动，在这个范围内舵机的转角也更精准。

舵机主要的性能参数包括：转速、扭矩、电压、尺寸、重量、材质和安装方式等[94]。人们在进行舵机选型设计时要综合考虑以上参数。

①转速。

转速由舵机在无负载情况下转过60°角所需时间来衡量。舵机常见的转速一般在0.11s～0.21s/60°之间[254]。

②扭矩。

也称扭力或转矩。舵机扭矩的单位是kg·cm，可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1 cm处，舵机能够带动的物体重量。

③电压。

舵机的工作电压对其性能有着重大的影响。推荐的舵机电压一般都是4.8 V或6 V。有的舵机可以在7 V以上工作，比如12 V的舵机也不少。较高的电压可以提高舵机的速度和扭矩。选择舵机还需要看电源系统所能提供的电压。

④尺寸、重量和材质。

舵机功率（速度×扭矩）和舵机尺寸的比值可以理解为该舵机的功率密度。一般而言，同样品牌的舵机，功率密度大的价格高，功率密度小的价格低。究竟是选择塑料齿轮减速箱还是选择金属齿轮减速箱，要综合考虑使用扭矩、转动频率、重量限制等具体条件。采用塑料齿轮减速箱的舵机在大负荷使用时容易发生轮齿折断现象；采用金属齿轮减速箱的舵机则可能会因电机过热发生损毁或导致外壳变形。因此，齿轮减速箱材质的选择应当根据使用情况具体而定，并没有绝对的倾向，关键是使舵机的使用情况限制在设计规格之内。

表6-3～表6-6列出了一些常见低成本舵机的主要参数。

表6-3　辉盛SG90（见图6-69）主要参数一览表

表6-4　辉盛MG90S（见图6-70）主要参数一览表

图6-69　辉盛SG90舵机

图6-70　辉盛MG90S舵机

表6-5　银燕ES08MA（见图6-71）主要参数一览表

表6-6　银燕ES08MD（见图6-72）主要参数一览表

图6-71　银燕ES08MA舵机

图6-72　银燕ES08MD舵机