Profile - TW038

TW038

秘書魚

Project Paper - view as Preliminary(2010/07/21), Final(2010/11/01), Draft, Latest

1. 設計介紹 (Preliminary Paper)

1. 設計介紹

 

   

   有很多人喜歡在自己家裡或是辦公裡設置水族箱養魚用以增加生活情趣及抒解工作壓

 

力，更可增空間的活撥性使生活增添趣味性，但卻經常遇到經驗或照顧時間不足而使魚死

 

亡，進而產生養魚的挫折感。本作品將設計一隻除了觀賞用之機器魚外並與多媒體技術結

 

合，期望透過本作品的完成，提供使用者除了增填生活或辦公娛樂性外，更付於此機器魚

 

具有一般秘書服務功能，如：時鐘顯示、鬧鈴、備忘錄(含音樂及影像提醒)、月曆、溫度

 

感測、無線傳輸的功能設定，詳細功能如作品介紹：

 

 

 

1.1 作品介紹

 

    本作品的設計目的為除了可提供養魚愛好者觀賞魚的娛樂亦可提供使用者秘書服務的

 

功能(如行事曆記事、鬧鐘、溫度感測、無線傳輸…等功能)，實現整合模糊規則直流馬達

 

轉速控制、rs232紅外線傳輸、魚眼攝影機影像處理、幫浦的沉浮、及LTM影像之機器人控

 

制系統，秘書魚行為模式和內部功能介紹如下：

 

 

秘書魚行為模式：

 

(1). 行為路徑：秘書魚平時是以兩個DC Motor為動力，自主模在水下悠游，而在設定鬧鐘

 

   到達時則浮出水面播放音樂。

 

(2). 避障：採用魚眼鏡頭攝影機來觀測魚池雷射筆所發射出來的紅點pixel值來避障，在離

 

   魚缸非常近時在LTM會顯示 NEAR! 的字樣如下圖1-1：

 

 

秘書魚內部功能介紹：

 

(1). LTM面板影像播放：魚體左側攜帶著一塊LTM螢幕，平時會展示年月日和時間，可供

  

   使用者透過影像清楚的知道目前時間，如下圖1-1：

 

(2). 無線紅外線傳輸設定時間和鬧鐘：而使用者可以使用 rs232 無線紅外線傳輸來設定標

 

   準時間，也可設定鬧鐘時間，例如想在某年某月某日某時某分提醒自己或是有要執行的

 

   事，也可以可透過此功能來提醒使用者餵食或換水。

 

(3). 展示SD-Card圖片和音樂：設定時間到達時，則會顯示當時自己所設定的圖片和播放

 

   所設定的音樂，而使用者可自行使用sd card來更換圖片和音樂。

 

(4). 水溫感測：每條魚種需要的水溫都不盡相同，所以秘書魚會將目前的水溫展

   

      是於螢幕上顯示，這樣使用者即能知道目前水溫是否適當，溫度顯示如下圖1-1：

 

(5).省電模式：如同手機一般，在顯示約30秒後，螢幕則進入省電模式(全黑)，只需經紅外

 

   線控制即可再度顯示影像。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1-1、魚體時間展示圖

 

 

 

 

1.2 目標的使用者：

 

a. 愛好養魚的使用者：可供欣賞且當作行事曆鬧鐘。

 

b. 產業用途機器人研發廠商：可運用於養殖漁業的淡水偵測魚群狀況。 

 

c. 教育用途：培養學生在水中機器人領域的興趣與常識。

 

d. 休閒娛樂用途機器人研發廠商：可運用於水族館展示及介紹的功能。

 

e. 軍事用途：未來或許可以進化成水下探測資料的機器人。

 

 

1.3發展套件

 

    本作品由於環境和功能所需要而使用體積小且功能強大的Altera Cyclone III FPGA

 

Starter Kit平台，建立出Nios II軟核 和 QuartusII硬核處理器系統，透過以QuartusII

 

硬核處理器系統以主，Nios II軟核處理器系統為輔的架構下創造出一個高速化且更大規模

 

的系統整合處理器架構。

(Revision: 5 / 2010-09-16 21:33:05)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

 2.功能描述

  功能介紹及描述：

 

  a.   影像處理功能：使用魚眼攝影機(180度的視角)以魚池定點四方的目標物經由影像處理

 

     (侵蝕、膨脹、面積法)用以判斷避障。

 

  b. 展示影像功能：最大特點為此秘書魚左側有一塊800 x 480的 LTM 彩色面板，可以在水

 

     中展現任何的影像訊號。

 

  c. 時間功能：秘書魚以一個萬年曆為主體架構，平常悠游在水中時即展現目前的年、月、

 

      日、時、分、秒，如圖一。

 

  d. 鬧鐘功能：當自己所設定的時間時到達時，搭配Nios II 來讀取 SD-Card 資料，LTM面

 

      板即會將原本時間影像資料轉變為自己的圖片和播放所選擇的鬧鐘聲。

 

  e. 傳輸功能：使用者可以使用rs232 的無線紅外線模組經由封包(利用uart傳輸的stop

 

      bit)的模式來傳輸資料設定時間，rs232傳送封包格式如下：

  

      時鐘： { [22] : [年1] [年2] [月] [日1] [日2] [時1] [時2] [分1] [分2]}

  

      鬧鐘： { [33] : [年1] [年2] [月] [日1] [日2] [時1] [時2] [分1] [分2]}

  

      清除： { [44] } counter 歸 0

  

    如果使用者想變更圖片資訊，也可在魚體悠游期間經由rs232 的無線紅外線設備傳送影像

 

    資訊至SD card。

 

 f. 水溫感測功能：利用溫度感測senser來測量目前溫度，且顯示在螢幕上。

 

 g. Fuzzy PWM轉速控制：利用Fuzzy理論先模糊化PWM的 Duty Cycle，再利用模糊規則庫

 

    和決策邏輯來解模糊化，而輸出的PWM則當做DC Motor 的 Posedge PWM Clock( pwm 正緣

 

    觸發時脈) 來產生270種的速度。

(Revision: 3 / 2010-06-30 10:41:42)

3. 效能參數 (Final Project Paper)

 3. 效能參數

   表1 馬達效能表

 

DC Motor	電壓	減速比	扭力(g-cm)	轉速(rpm)	電流(A)	出力(w)	備註
IG-32GM	12V	1/5	950	950	0.4	3.12	為配合動力螺弦槳中油封和軸承使用，故需加強扭力
FUEL PUMP	12V	1/1	300	4000	0.65	5.46	需採用轉速較快者以增加吸水速度

 

 

 

                                                                       表2 電流消耗表

SENSOR	瞬間電流(A)	平均電流(A)	備註
IG-32GM  DC Motor	1.2	0.4	因為配合油封和軸承使用，所以加強        扭力，所以瞬間電流增大。
FUEL PUMP DC Motor	0.8	0.65	轉速加快以增加吸水速度
FPGA+LTM	0.39	0.38	LTM 螢幕為主要消耗電流部分
CMU	0.27	0.26	無
總消耗電流	3.87	2.10	IG-32GM x 2、FUEL PUMP x 1        、FPGA+LTM x 1、CMU x 1

 

 

表3 螺槳效能表

 

直徑(mm)	R/L	軸心(mm)	螺距(mm)	最高轉速(rpm)
40	L	4	0.7	5000

 

 

表4 掃描效能表

 

Sensor	掃描頻率
紅外線資料傳輸	9600 Hz
CMU攝影機	115200 Hz
G751 數位溫度	2.8 KHz

 

 

表5 執行效能表

 

執行項目	預期效能	實際效能	備註
前進最佳速度	6cm/s	6cm/s	因作品需在魚缸供人欣賞，故使用PWM 降低轉速
沉浮速度	2cm/s	0.5cm/s	無
CMU攝影機避障	10cm	8cm	約離缸壁8cm 即會自動避障
悠游魚缸一趟時間	30s	25s	測試後決定 30s 為人類觀賞最佳時間
秘書魚待電時間	1hr	50min	使用電池為 2.4A/hr @ 12 V 乙顆
FPGA邏輯使用率	10%	16%	無

 

 

(Revision: 6 / 2010-09-17 14:10:38)

4. 設計架構 (Preliminary Paper)

  4.設計架構

 

     設計架構分為機械架構、硬體架構和系統流程架構：

 

  4.1  機械架構：

 

 

圖二、魚體左側視圖

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖三、魚體後視圖

 

 

 

 

   魚體左側視圖和後側視圖說明：

 

    如上圖二和圖三的1~10的編號代表如下

 

         1：Altera Cyclone III FPGA Starter Kit平台。

 

         2：DC motor 驅動幫浦：此機構供秘書魚沉與浮所使用。

 

         3：DC 動力 motor：祕書魚的動力來源。

 

         4：鐵製中軸：由粗而細馬達中軸，由盒內貫穿到盒外。

 

         5：培林和油封：這是防水馬達最重要的機構，為防止水流流進魚體而破壞馬達。

 

         6：螺旋槳：利用dc motor 動力和螺旋槳來帶動魚體前進水流。

 

         7：氣囊：編號2的 DC motor驅動 pump吸水傳送到氣囊儲存以增加質量而下沉。

 

         8：魚眼攝影機：為了模擬魚眼的180度視角，使用一種短焦距、大視角的魚眼相 

  

                   機鏡頭來模擬魚的視野。

 

        9：微型喇叭：供鬧鐘使用。

 

       10：其他空為地方及放置電池和鋼珠配重。

 

 

 4.2 硬體架構：

 

            硬體架構是以Calendar Controller 為中心，這是一個萬年曆的時間模組，根據使用者的時

 

  間設定而與周邊硬體設備做溝通和運用，周邊硬體設備包含了dc motor、rs232傳輸介面、攝

 

  影機和 LCD Touch Panel …等，則存取SD-Card 裡圖片和聲音則使用NIOS II核心來處理，硬

 

  體方塊圖如下圖四：

 

 

 

 

 

圖四、硬體方塊圖

 

 

 

  4.2   系統流程架構：

 

      秘書魚的架構分為Motive Power、Timing Controller、System三個架構去完成整個魚體動

 

  作，如下圖五：

 

 

 

 

 

圖五、系統流程方塊圖

 

 

   Motive Power：

 

 

   a. 魚體的動力架構，利用camera前端影像處理後產生的PWM控制訊號用以判斷目前所需

 

       避障的角度。

 

   b.接收到camera的判斷角度後，利用Fuzzy PWM CLOCK做為馬達的旋轉速率模糊規則斷。

 

       C. 後件部輸出則將前件部與Fuzzy Posedge PWM CLOCK所產生的PWM。

 

 

   System：

 

    System層是以Nios II 為核心讀取SD-Card 圖片和音樂。

 

 

   Timeing Controller：

 

   a.  時間控制系統，calendar 是一個萬年曆時間制模組。

 

   b.  使用者可使用無線紅外線rs232傳輸設定年月日和時間，rs232是以封包的方式傳輸，

 

       一次傳10個byte。

 

   c.  時間顯示則分割成22個畫面同步輸出，同時做改變。

 

       d.        萬年曆時間制模組也可控制Motive Power層，在特定的時間下會變換成其他的動作。

 

       e.       萬年曆時間制模組同時也可控制 System層，在特定時間下經由Nios 核心讀取sd card圖

 

       片和音樂。

 

 

(Revision: 2 / 2010-06-30 10:32:01)

5. 設計方法 (Final Project Paper)

 

5. 設計方法

 

   

    本作品設計主要是具有一般秘書服務功能以增加生活情趣及抒解工作壓力，而秘書魚

 

整體架構建立於FPGA與NIOS II強大整合能力之下，透過硬體加速來提升整體效能，行為

 

軌跡也仿照魚的生態，故加入許多感應器。避障、追蹤之動作主要利用攝影機影像進行解

 

取由 FPAG 進行辨識辨識和控制直流馬達的驅動來完成，再透過紅外線傳輸來設定和傳送

 

資料用以和秘書魚作溝通…等設計的功能，在這第五部分將會詳細介紹設計方法和實現方

 

法：

 

 

一、秘書魚外型設計方法：

 

    秘書魚機械架構皆由自己研發設計而成，依照環境特性尋找和測試可採用之零件，目

 

的是為了量身訂做製造出獨一無二的秘書魚，下列將為依照環境所需，利用公式計算來尋

 

找適當的機構：

 

(a). 阻力計算：

  

     對於水下的機器魚來說，阻力可分為形狀阻力和表面摩擦阻力。

 

    1. 表面摩擦阻力和流經秘書魚表面積和流速有關

 

    2. 形狀阻力是秘書魚行進時頭尾所產生的壓力差值，增加的表面積會使摩

      

        擦阻力增加，所以細長的外型阻力較小。

 

    但因為 FPGA 板的外型限制，所以無法製作流線型外型，故需尋找合適且最合適的阻

 

    力盒子來當作秘書魚的外殼，阻力計算公式(5.1)如下：

        

    

   

   根據推力公式(5.2)

 

  

 

可得推力為 0.26W

 

(b). 馬達選用：

 

      以推進效率為馬達出力0.3做計算，所需馬達出力為 0.86W，所以根據馬達功率，選用

 

IG-32GM-12V 直流馬達，出力為3.12 W，而因需要搭配防水機構油封和軸承，故須利用減

 

速比加強扭力，馬達基本特性如下：

 

表5-1 直流馬達特性

 

DC Motor	電壓(v)	減速比	扭力(g)	轉速(rpm)	平均電流(A)	出力(w)
IG-32GM	12	1/5	950	950	0.4	3.12

 

 

 

 

圖5-1 DC Motor ( IG-32GM )

 

 

(c). 螺槳選用：

 

         由於秘書魚為觀賞用而不追求速度，所以螺槳選用方面特地選擇小螺槳以平衡速度，

 

螺槳越小需要越快的轉速才能推動，相對螺槳越大需要較慢的轉速推動即可，但消耗較大

 

的動力，表5-2 為選用螺旋槳基本特性：

 

 

表5-2 Kyosho 船用螺槳特性 

直徑(mm)	R/L	軸心(mm)	螺距(mm)	最高轉速(rpm)
40	L	4	0.7	5000

 

 

 

 

 

圖5-2 Kyosho 船用螺旋槳

 

 

(d). 防水機構：

 

        由於內部包覆著昂貴的器材，所以此秘書魚最重要的設計重點之一即是防水，

 

另一部份為耐壓( 承受馬達轉動壓力) ，本作品選用油封和軸承來防水，基本資料如下：

 

表5-3 油封特性

 

外徑(mm)	內徑(mm)	厚度(mm)	最高轉速(rpm)
10	4	4	4600

 

 

表5-4 BC4-10軸承特性

 

型號	外徑(mm)	內徑(mm)	厚度(mm)	最高轉速(rpm)
BC4-10	10	4	3	4500

 

              

        圖5-3 組裝完成的防水機構             圖5-4 油封和培林   

 

圖5-5 馬達搭配中軸和螺旋槳

 

 

(e). 沉浮機構：

 

秘書魚的沉浮利用如下公式(5.3)

 

D = M/V                           (5.3)

 

D：密度   ;   M：質量 ;   V：體積

 

利用水密度為1的特性，利用FUEL PUMP 吸水來增加重量，然而在不增壓體積的狀況下相

 

對也增加密度，將造成魚體下沉的效果，選用PUMP 基本特性如下：

 

表5-5 pump 基本特性

 

DC Motor	電壓(v)	減速比	扭力(g)	轉速(rpm)
FUEL PUMP	12	1/1	300	4000

 

 

 

 

圖5-6 PUMP 和氣囊袋

 

 

秘書魚體積約 5.280 立方公尺，所以假如越沉入到水裡須配重約 5.28 kg ，然後再靠 pump

 

吸水約 100 ~200 g至氣囊，此時密度 > 1，即能沉入水裡。如下圖5-7、5-8 為設計圖對照實

 

體的呈現。

 

 

圖5-7 秘書魚設計圖

圖5-8 秘書魚實體

 

一、感測和運動單元

 

(a).利用CMU 攝影進行機影像辨識進而達到避障：

 

 

    因為秘書魚活動環境是在透明的玻璃缸中，所以無法用機器人最常用的紅外線避障，

 

所以本作品利用攝影機及在攝影機上方裝置一個雷射筆投射在缸壁之紅點進行影像辨識達

 

到避障，在影像辨識部分採用CMUcam2 攝影機模組，秘書魚避障的方法是如下圖5-9：

 

 

圖5-9 秘書魚影像避障

 

    利用雷射筆發射出來的聚光點不會隨遠近而變換大小的原理，先辨識雷射筆的 rgb

 

值，再利用面積法計算此 rgb 值在目前總畫面所佔的比率，比率越高表示距離越近

 

  ，如公式(5-4)。

 

    confidence = # of pixels / area                              (5-4)

 

   confidence：覆蓋率

   # of pixels：偵測物體的pixel 值

   area：畫面總 pixel 值

 

而雷射筆和攝影機夾角的測距示意圖如下 (下方是8cm避障為例子)：

 

圖5-10  8cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角示意圖 )

 

       攝影機離缸壁越近，視野越小，離缸壁越遠，視野越大，然而某些角度會因角度不

 

同而無法偵測到，下列以夾角15度為基準，以3cm、8cm、15cm 為距離測試如下圖5-11、圖

 

5-12、圖5-13：

 

 

 

圖5-11 3cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角15度示意圖 )

 

 

 

圖5-12 8cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角15度示意圖 )

 

 

圖5-13 15cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角15度示意圖 )

 

 

 

    如上圖5-11、上圖5-12、上圖5-13的比較，小於15cm 的距離幾乎都無法偵測到紅點，

 

在15cm以上雖然可以避障，但是當15cm避障失誤時將撞上缸壁而無法動彈，所以經過測試

 

最佳夾角角度為45度，幾乎都可以偵測到紅外線，下圖5-14、圖5-15、圖5-16為45度個夾角

 

 

示意圖：

 

 

圖5-14 3cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角45度示意圖 )

 

 

 

圖5-15 8cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角45度示意圖 )

 

 

 

圖5-16 15cm避障 ( 雷射筆和攝影機夾角45度示意圖 )

 

 

(b). PWM DC Motor 轉速控制：

 

     由於秘書魚是置放在水族箱供人欣賞，空間有限，故需速度不可太高才能達到最佳

 

  欣賞速度，而且秘書魚在左右轉也都會依不同的轉速做方向轉換，在此利用 PWM 做為

 

  DC Motor的 Clock 做減加速，以下到中速的例子。

 

圖5-17 PWM 控制 DC MOTOR

 

(C). 軌跡規劃：

 

1. 秘書魚軌跡規畫部分，平時是以隨機的順時或逆時方式在魚缸四周上下悠遊，如同真實

 

   的小魚一樣，在碰壁回轉部分有做馬達轉速變換，以致能讓魚體靈活避開障礙。

2. 使用者在秘書魚所設定的行事曆鬧鐘到達後，秘書魚會浮在水面播放音樂和圖片，原因

   是由於在水裡無法把聲音傳遞出來，所以才會浮出水面。

 

三、多媒體控制單元

 

(a).萬年曆

 

    秘書魚的整體架構都建立於萬年曆上，依照使用者的喜好來設定時間，然後享受視覺

 

及聽覺上的效果，程式以萬年曆為主架構，然後使用 Nios II 讀取 sdcard 圖片和音樂，

 

播放在ltm和喇叭上。以下為三個組成架構：

 

萬年曆架構：

 

利用 3模、6模、10模的計數器模組組成60模、24模的24小時至時鐘，如下圖5-18，在和年

 

月日組成萬年曆如下圖5-19：

 

 

圖5-18 二十四小時制時間計數器

 

 

 

圖5-19 二十四小時制時間計數器和年月日組成的萬年曆

 

    萬年曆架構透過 PIO 來溝通 Nios II 是否該進行讀取圖片和音樂，架構如下圖5-20：

 

 

 

 

圖5-20多媒體控制單元主架構

 

 

 

(b) 讀圖架構：

 

秘書魚的讀圖架構參考 UNEEK  所設計  Picture Viewer 的範例

 

( http://www.nioswiki.com/NEEKPictureViewer )進行修改，Picture Viewer 範例架構

 

如下圖5-21：

 

 

 

 

圖5-21 UNEEK Picture Viewer 架構

 

 

 

      由於Nios II 是循序漸進的執行程式碼，所以如果接以PIO傳送 RGB pixel值會有傳送延遲，

 

使螢幕出現掃描線，然而此架構的 video pipeline 使用了許多Avalon bus 來輔助Nios 處理影像，

 

本來由Nios II來負責控制將資料丟到LTM上顯示的工作，速度是很慢的。但改由master體電路來

 

執行LTM顯示功能時，可以比原本的架構提升5倍以上的速度，這是由於硬體電路可以作並行

 

處理，所以其速度可以大幅提升，然後由於Altera Cyclone III FPGA Starter Kit 這塊版子

 

是利用 HSMC傳送資訊到 LTM 上，所以在後端加快頻率以減少傳送的 bit 數。

 

 

四、附加功能

 

  附加功能為溫度控制、紅外線傳輸和電源控制系統如下：

 

(a). G751 數位溫度控制：

 

     市面上所採用的溫度計大約為類比式溫度計，大部份分為熱電偶 T/C、電阻式測溫體

 

RTD、可彎曲熱電偶 Sheath T/C、保護管 Thermo-Well，而以上的溫度感測皆是類比訊號

 

，需自行轉換成數位訊號及進行校準以達到所需的溫度精密度。 

 

    而較符合FPGA使用的為混合訊號元件的數位溫度感測器，優點為下列：

 

     1.      不需要進行校準。

 

     2.      具有整合數位邏輯。

 

     3.      工作溫度範圍為-55℃到50℃，採用絕對溫度比例 ( PTAT ) 電路，透過檢測二極體的基極

      － 發射極電壓 ( V_BE ) 的變化來測量本地 / 遠端溫度。

 

     4.      數據透過IC間匯流排 ( I²C匯流排 )、系統管理匯流排( SMBus ) 或串列周邊介面( SPI ) 

      通訊。

 

   5.      每個元件在生產時均會進行調整，溫度檢測精密度達到 ±0.5℃ 以內或者更高。

 

               因此使用了 G751 Digital Temperature Sensor with Two-Wire Interface，包括一個雙電

 

  流源、Δ-Σ A/D 轉換器、數位邏輯和一個通向數位元件( 如與一個微處理器或微控制器連接 )

 

  的串列介面( 如 I²C 匯流排、SMBus或SPI )。

 

         它們均採用某種方法強制兩個成比例的電流通過一個連接成二極體形式的NPN或PNP

 

  電晶體，均用於測量所導致的 V_BE 變化，使用Δ-ΣA/D 轉換器對電壓採樣並將數值轉換成

 

  數位格式，流程如下圖5-22： 

圖5-22 G751組成架構

 

         而和FPGA 溝通架構如下：

(1) FPGA和sensor做溝通，最終目的為抓取每個時間所產生出的數位溫度，然而此 G751 溫度

 

    sensor 使用 SMBus 做為溝通介面，而SMBus 的溝通使用方式為串列傳輸，然後使用兩隻

 

    腳位為下列：

 

1. SMBus CLK：

 

由FPGA 傳送2.5us 頻率給G751來致動，如下圖5-16：

 

2. SMBus data: 雙向腳位 (inout)

 

a. 由FPGA 輸出 給 G751 Address Byte，此時MBus data 為 output。

 

b. 當G751 接收到正確的Address Byte，即會回傳2 Byte Data 給

 

       FPGA，此2 Byte Data即是數位溫度數據，溝通示意圖如下圖5-23：

 

 

 

圖5-23 G751 to FPGA SMBus Timing Diagrams

 

 

(2). 把時脈 High → Low 切成四段為 High1 → High2 → Low1 → Low2 ( 頻率依舊不變為2.8k

 

      Hz)，而切成四份的目為SMBDATA的傳送時間如下圖5-17，t2 & t3 都需要包含到

 

  SMBDATA，所以不能光只是 Posedge 才給 data，為此才把時脈切成四段以創造出如

 

  下圖5-24狀態。

 

         

圖5-24  SMBus Timing Diagrams

 

 

圖5-25  SMBus Timing Diagrams

 

(3). SMBus 的傳輸協定：  

       a. 控制 SMBCLK 及 SMBDAT 的控制線必須是 Open Collector

 

       b. 任何情況下都要加提升電阻 ( Pull-Up Resister) ，特別在不同電壓情形下

 

           ( Master = 3.3V，Slave = 5V )，加入後才能看到 High → Low 訊號。

 

       c. 經過實驗加入電阻後，明顯的看到輸出入訊號，加入測試也能準確抓出目

 

           前數位溫度。

 

 (4). 溫度是每0.5度提升一個 bit 表示，所以 9 bit 的數位訊號要在除2才能得到目前溫度，直接

 

    四捨五入不取小數點。

 

 

 

        圖5-26  Tempe rature-to-Digital Transfer Function (Non-linear scale for clarity)

 

 

 

 

表5-6 Temperature Data Format

 

 

 

 

 

 (5). 數位溫度例如是28，要分割成10位數和個位數如下：

 

 

 

 

 

(b). 紅外線傳輸控制：

  

    由於下圖5-27的原因：

 

 

圖5-27 水中通訊示意圖

 

 

       由於高頻的電波訊號傳入水中會產生訊號快速的衰減，因此傳輸裝置選用低頻的紅外

 

   線傳輸器，紅外線載波發射頻率大約為 38KHz，在水中衰減速率慢，較能保持原始訊號，

 

   所以在此採用 RS232 to IR 的傳輸器如下圖5-28，以利使用電腦透過終端機傳送所設計的

 

   封包給秘書魚搭的IR傳輸器，示意圖如下圖5-29：

 

 

 

圖5-28 Actisys IR Transmitter

 

 

 

 

 

 

 

圖5-29 秘書魚IR 傳輸示意圖

 

 

 然而CMU 是採用 RS232 傳輸，所以在本作品採用 max323 晶片所做的

 

       rs232 to pio 轉換器如下圖5-30：

 

 

 

 

圖5-30  rs232 / pio 轉換器

 

 

 

       IR Transmitter 的設計流程如下：

 

     1.      因為rs232傳輸格式是串列傳輸，以一個byte為一個單位，一次

   傳送一個bit。

 

     2.      在RS232 controller 有一個狀態機，分別用來表示8個bit的狀態，而在狀態7會送 

     出一個停止位元，表示一個byte資料的結束。

 

    3.      利用這個停止位元來分隔每個byte 資訊，也可以利用counter 來計算傳了幾個 byte。

 

    4.      本作品採用的方法是傳傳輸前先傳輸一個控制訊號，例如55：用來控制時鐘用， 66

 

     用來控制鬧鐘用， 77：清除counter，下列為傳送封包指令設定：

 

    時鐘： { [22] : [年1] [年2] [月] [日1] [日2] [時1] [時2] [分1] [分2]} ;

 

    鬧鐘： { [33] : [年1] [年2] [月] [日1] [日2] [時1] [時2] [分1] [分2]} ;

 

    清除： { [44] } counter 歸 0  ;

 

    馬達制動：{ [55] } ;

 

        PUMP制動：{ [66] } ;

 

        Count 0 ：控制訊號 ; MSB

        Count 1 ：年 (十位數)

        Count 2 ：年 (個位數)

        Count 3 ：月

        Count 4 ：日 (十位數)

        Count 5 ：日 (個位數)

        Count 6 ：時 (十位數)

        Count 7 ：時 (個位數)

        Count 8 ：分 (十位數)

        Count 9 ：分 (個位數) ; LSB

 

 

(c). 電源供應系統：

 

    為了讓FPGA 脫離電源供應器，所以自行設計電原供應系統電路板，此電路板的功能包含

   以下：

   

       (1)   輸出12V供 FPGA主機板和 3個直流馬達電壓所使用。

   

       (2)   使用7808晶片降壓輸出8V 供紅外線使用。

 

       (3)   使用7805晶片降壓輸出 5V供CMU所使用。

 

       (4)   使用3個TA7257P 晶片接收FPGA訊號來輸出控制 3個直流馬達。

 

       (5)   而為了避免馬達或是 FPGA 有燒壞的狀況，每個電壓的供給都加入自復式保險絲，而保

    

      險絲的使用大小得先測量每個馬達或是FPGA負載的狀況下消耗的安培數來決定。

 

    (6)   而多個馬達在轉動的時候會有非常多的雜訊互相干擾，造成電壓的不穩定，為了之後

  

        結合全部的系統的穩定性，也特別加入的電容來穩壓。

 

      a. 12V是使用 1000uF的電容器。

      b. 5V是使用 1000uF的電容器。

         c. 5V後端使用10Uf的電容器。

 

 (7) 根據TA7257P 控制晶片的原廠資料顯示，晶片在控制馬達時，為了防止馬達的逆衝和雜

 

     訊的干擾也增加了33R電阻和0.1uF電容和兩個電極體，如下　　

　

     圖　Fig. 2 & Fig. 3 ：

 

 

 

(8). 整體電路設計圖如下圖32：

 

圖5-32 Power System Board

 

 

圖5-33 Power System Board 實體圖

 

(Revision: 19 / 2010-09-17 15:33:57)

6. 設計特點 (Preliminary Paper)

6. 設計特點

 本專案設計具有下列幾項特點：

 

 a.    防水結構：此專案提出為在水中悠游的機器人。

 

 b. LTM面板：此機器人搭配 MTDB 雍有攜帶型的LTM面板。

 

 c.    小體積設計：任何外部機械結構都以微型為優先考慮。

 

 d.    攝影機避障：在近乎所有避障sensor 無法使用的狀況下，使用魚眼鏡頭 180度的視野做

 

    影像處理避障。

 

 e.    紅外線傳輸：由外界pc端經由紅外線傳輸控制和影像資訊至水中。

 

 f.    Fuzzy PWM Clock ：將fuzzy 理論實現在硬體，且使用Posedge PWM Clock 來控制 DC

 

        Motor 轉速，總共有270種變換速度，讓dc motor 轉速變化更加平滑化。

 

 g.    硬體運算：將重複性高、計算複雜且耗時的電路透過硬體演算法實現。

(Revision: 3 / 2010-06-30 10:46:47)

7. 總結 (Final Project Paper)

7.總結

      感謝這次舉辦單位所舉辦的 2010亞洲創新大賽，讓我有機會把作品呈現給大家欣賞

 

  並見識其它大專院校的創意與創新。本作品秘書魚中，最重要的問題即是整個機器的防水狀

 

  況，其中需製作防水機構讓機器在水下運行又能保護它不讓液體流入秘書魚內部，也需設計

 

  如何從機械結構外觀的阻力和所需前進推力來選用適當的馬達和螺旋槳，及達到如何在透明

 

  的玻璃缸進行避障，並在水下保持通訊而不使訊號衰減，透過這些問題進行評估及解決辦法

 

  後，進行系統的整合，使秘書魚所搭配的 sensor和晶片都有屬於它自己的時脈和資料傳輸格

 

  式，然而在使用 FPGA板做整合時卻有著非常大的困難性，就算每個Sensor 和 Motor都以個

 

  別整合完畢，但在最後系統總整合時，才是最頭痛的開始，只要電流、電壓或保險防護措

 

  施…等沒精準計算好時，系統將會當掉而無法正常動作。問題很多但在過程中都能一一被解

 

  決。   

  

      這一切的種種都是靠著實驗室經驗的累積和傳承、老師的教導和學生努力不懈的堅持才

 

  能有今天的作品，最後再次感謝舉辦單位所給的機會，才能讓這一切的辛苦有機會給大家看

 

  到。

(Revision: 2 / 2010-09-17 15:43:40)