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針對市場上大多數教學無人車設計采用單片機單一控制導致其功能擴展性弱、靈活度低等問題，設計了一種基于Atmega128單片機和無線通信的智能教學無人車控制系統，該系統包括PC機控制部分和無人車控制部分，通過PC控制端軟件可以經無線通信模塊實現對無人車的準確運動控制。實驗結果表明，系統工作穩定，無人車在遇到干擾的情況下順利完成貨物運輸、環境勘察、敵我識別、打擊等功能，控制效果理想。 智能教學無人車是一種履帶式移動機器人，目前市場上的無人車大多采用單片機對其進行控制，其優點是體積小，成本低，結構簡單，但僅僅依靠單片機遠不能使無人車在復雜多變的工作環境中進行及時調整，并且極大地限制了其功能的擴展。基于此不足，本設計主要利用PC機與無人車的無線通信，使無人車在PC機無線指令下完成前進、后退、轉彎、打擊、生命值顯示、調速和自動行駛等功能，并通過車載攝像頭實時獲取無人車所處環境信息，實現了遠程監控。在執行任務時，如遭遇敵方車輛干擾通信，無人車在抵御干擾信號同時進行敵我識別，適時作出反擊。 1設計原理 教學無人車控制系統由上位機(PC)控制部分和下位機(教學無人車)控制部分組成。系統結構框圖如圖1所示。 系統工作原理為：打開教學無人車電源時，Atmega128單片機通過語音模塊使揚聲器發出啟動提示。當上位機無線控制臺及PC端軟件準備好后，PC端控制軟件通過USB口向無線控制臺單片機發出指令，使其配置無線模塊相關寄存器，芯片進入指令發射模式;下位機由Atmega128單片機控制，在接收到上位機的指令后通過其集成的PWM外設模塊產生2路PWM波和4條轉向控制線經電機驅動模塊增大驅動能力后控制左右2個電機產生相應的動作。例如，當PC端發出“左轉”的指令時，下位機的無線模塊接受成功后會自動返回接受成功應答信號。接著Atmega128單片機通過PA口控制L298P，使左側電機反向轉動，右側電機正向轉動，從而實現左轉的功能;當PC端發出“打擊”指令時，Atmega128則通過PE5口使紅外發射管發出相應碼制的紅外進攻信號;當PC端發出“自動行駛”指令時，Atmega128結合接收霍爾傳感器采集回來的數據，通過相應算法來協調左右兩側的電機，使坦克完成直線行走、轉過固定角度，行駛固定距離等功能。教學無人車通過連接到PE5口的紅外傳感器感應對方無人車的攻擊信號。如果接收到紅外信號，PE5口會輸入固定碼制的信號，此時主控芯片會將生命參數減一并熄滅一個LED燈，當所有LED燈都被熄滅后，主控模塊會通知語音芯片發出陣亡提示，無人車停止一切動作。 2硬件電路設計 教學無人車控制系統硬件電路設計包括PC端無線控制臺部分和下位機無人車控制部分的硬件設計。 2.1 PC端無線控制臺部分 硬件設計無線控制臺部分由PC機、STC12LE5A60S2單片機、NRF24L01無線模塊及PL2303組成。PC端控制臺軟件通過USB口向STC12LE5A60S2發出指令，使其通過SPI串行通信協議配置NRF24L01的相關寄存器，隨后芯片進入發射模式，將上位機指令轉發給下位機。其設計電路圖如圖2所示。 2.2下位機無人車控制部分 硬件設計下位機硬件由MCU模塊、電機驅動模塊、傳感器模塊、無線模塊、語音模塊、LED生命值顯示模塊以及電源模塊組成。 2.2.1 MCU模塊 MCU模塊以Atmega128單片機為核心，Atmega128單片機是一款高性能、低功耗的AVR 8位微處理器，處理速度可達1 MIPS/MHz，應用先進的RISC結構，特別是具有I2C、SPI、PWM、RS232串口、ADC、定時器等功能十分全面的外設。該單片機通過SPI串行通訊接口與無線模塊連接，通過通用可編程I/O接口與電機驅動模塊、語音模塊、紅外發射管和接收管連接。 2.2.2電機驅動模塊 電機驅動模塊用于驅動直流電機，采用L298P電機驅動芯片。L298P是SGS公司的產品，為20管腳的專用電機驅動芯片，內含二個H—Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動46 V、2 A以下的步進電機和直流電機，具有高電壓、高電流的特點。電路設計如圖3所示。 Enable控制電機停轉，接到單片機的PE3、PFA口上，由這兩個I/O口產生PWM波控制電機轉動。input1—input4控制電機的正反轉，接到單片機的PA0-PA3口上。OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個直流電機。 2.2.3傳感器模塊 傳感器模塊包括紅外模塊和霍爾模塊兩部分。 紅外模塊包含接收和發射兩個功能模塊。紅外接收模塊由一個紅外接收管構成，接收對方車輛發射的紅外攻擊信號。當系統接收到進攻信號時，PE6引腳上會出現一個高電平，觸發一次外部中斷，在中斷服務程序中處理并判斷紅外數據。如果確認為進攻信號，則使生命值變量減一，同時熄滅一個LED燈。發射模塊由一只紅外發射管和一個三極管組成，紅外攻擊信號經過三極管放大后由紅外發射管發出。攻擊信號為8位數據，當收到進攻指令時，發射模塊將程序中設定好的8位數據按位發出。 霍爾模塊由兩只霍爾傳感器和四片磁鐵組成，用于測速，以實現調速、自動行駛等功能。磁鐵正反安放在左右兩個電機減速箱的二級齒輪的邊緣上。當教學無人車行駛時，電機帶動齒輪轉動，兩片磁鐵就會交替從霍爾元件下面經過，由于兩片的磁場方向不同，就會使霍爾元件內部的電子發生不同的偏轉，這樣，二級齒輪每轉過一周就會使霍爾元件產生一個脈沖信號，構成閉環系統。主控芯片接收脈沖信息，通過不同算法可控制兩電機完成不同的控制要求。 2.2.4語音模塊 語音模塊由WT588D語音芯片和SPI尋址的8M ROM芯片及其外圍電路組成。使用前將需要播放的語音燒寫在ROM芯片中。語音模塊使用三線串口控制模式，這種控制模式由CS，DATA，CLK 3條通信線組成，分別連接到Atmega128的PC0、PC1、PC2 3個I/O口。控制時序根據標準SPI通信方式。 2.2.5無線模塊 無線模塊主要包括NRF24L01和Atmega128.NRF24L01采用FSK調制，內部集成NORDIC公司自家的Enhanced Short Burst協議，可實現點對點或是1對6的無線通信，無線通信速度可達2.4 Gbps，并可以通過配置其寄存器實現調頻傳輸。主控芯片通過SPI協議配置NRF24L01的相關寄存器來完成對無線模塊的初始化和數據的傳輸。無線模塊的SPI信號線對應的接到Atmega128的PB0-PB3 4個I/O口上，CE端接到PE2，利用Atmega128內部集成的SPI功能進行通信。無線模塊電路設計如圖4所示。 3軟件設計 軟件設計包括控制端軟件的設計和終端軟件的設計。 3.1控制端軟件設計 無人車控制臺的主控軟件將鍵盤指令轉化為控制碼發往下位機，控制小車的動作并顯示下位機發來的狀態信息。該軟件利用Labview串口通訊將鍵盤指令轉化為二進制字符串送到上位機。利用模擬SPI的方式，通過STC12LESA60S2配置NRF24L01的寄存器使其處于發射模式。當收到PC串口發送的數據時，NRF24L01在單片機的控制下將數據逐位發出。設計的控制端軟件如圖5所示。 3.2終端軟件設計 教學無人車的終端軟件主要包括無線接收程序、驅動控制程序等。程序中定義變量Life為生命值標識，定義Date為小車的控制標識，定義函數Motor()為電機控制函數。流程圖如圖6所示，主要分為以下步驟： 1)小車啟動后，首先初始化各I/O口、系統中斷、SPI接口以及NRF24L01的相關寄存器。小車的無線模塊配置為接收模式。 2)下位機接收到無線信號后會產生一個中斷，將數據通過SPI送到Atmega128中。在控制程序中，用多分支選擇結構switch—case判斷Date的值，通過調用Motor()函數控制電機做出相應動作。 3)接收到紅外信號時，經判斷若為有效信號，則使生命值標識Life減一。同時判斷當前的Life值，設置PA口的值控制LED燈(生命值)的顯示。 4結束語 文中進行了一種基于Atmega128單片機和無線通信的無人車控制系統設計。實驗結果表明，教學無人車在無障礙區域無線通信有效傳輸距離可達80～100米，利用車載攝像頭可以實時獲取無人車所處環境信息，實現遠程監控。其創新點是采用了PC控制模式和單兵運行模式兩種方式對無人車進行控制，極大地增強了無人車的功能性和環境適應能力。在實際對抗演練中，無人車在遇到干擾的情況下順利完成貨物運輸、環境勘探、反擊敵方車輛等功能，取得了良好的控制效果。該設計可廣泛應用于短途貨運客運、應急救援、惡劣環境下自動作業等領域。 |
