1 设计原理
教学无人车控制系统由上位机(PC)控制部分和下位机(教学无人车)控制部分组成。系统结构框图如图1所示。
系统工作原理为:打开教学无人车电源时,Atmega128单片机通过语音模块使扬声器发出启动提示。当上位机无线控制台及PC端软件准备好后,PC端控制软件通过USB口向无线控制台单片机发出指令,使其配置无线模块相关寄存器,芯片进入指令发射模式;下位机由Atmega128单片机控制,在接收到上位机的指令后通过其集成的PWM外设模块产生2路PWM波和4条转向控制线经电机驱动模块增大驱动能力后控制左右2个电机产生相应的动作。例如,当PC端发出“左转”的指令时,下位机的无线模块接受成功后会自动返回接受成功应答信号。接着Atmega128单片机通过PA口控制L298P,使左侧电机反向转动,右侧电机正向转动,从而实现左转的功能;当PC端发出“打击”指令时,Atmega128则通过PE5口使红外发射管发出相应码制的红外进攻信号;当PC端发出“自动行驶”指令时,Atmega128结合接收霍尔传感器采集回来的数据,通过相应算法来协调左右两侧的电机,使坦克完成直线行走、转过固定角度,行驶固定距离等功能。教学无人车通过连接到PE5口的红外传感器感应对方无人车的攻击信号。如果接收到红外信号,PE5口会输入固定码制的信号,此时主控芯片会将生命参数减一并熄灭一个LED灯,当所有LED灯都被熄灭后,主控模块会通知语音芯片发出阵亡提示,无人车停止一切动作。
2 硬件电路设计
教学无人车控制系统硬件电路设计包括PC端无线控制台部分和下位机无人车控制部分的硬件设计。
2.1 PC端无线控制台部分硬件设计
无线控制台部分由PC机、STC12LE5A60S2单片机、NRF24L01无线模块及PL2303组成。PC端控制台软件通过USB口向STC12LE5A60S2发出指令,使其通过SPI串行通信协议配置NRF24L01的相关寄存器,随后芯片进入发射模式,将上位机指令转发给下位机。其设计电路图如图2所示。
2.2 下位机无人车控制部分硬件设计
下位机硬件由MCU模块、电机驱动模块、传感器模块、无线模块、语音模块、LED生命值显示模块以及电源模块组成。
2.2.1 MCU模块
MCU模块以Atmega128单片机为核心,Atmega128单片机是一款高性能、低功耗的AVR 8位微处理器,处理速度可达1 MIPS/MHz,应用先进的RISC结构,特别是具有I2C、SPI、PWM、RS232串口、ADC、定时器等功能十分全面的外设。该单片机通过SPI串行通讯接口与无线模块连接,通过通用可编程I/O接口与电机驱动模块、语音模块、红外发射管和接收管连接。
2.2.2 电机驱动模块
电机驱动模块用于驱动直流电机,采用L298P电机驱动芯片。L298P是SGS公司的产品,为20管脚的专用电机驱动芯片,内含二个H—Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑准位信号,可驱动46 V、2 A以下的步进电机和直流电机,具有高电压、高电流的特点。电路设计如图3所示。
Enable控制电机停转,接到单片机的PE3、PFA口上,由这两个I/O口产生PWM波控制电机转动。input1—input4控制电机的正反转,接到单片机的PA0-PA3口上。OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个直流电机。
2.2.3 传感器模块
传感器模块包括红外模块和霍尔模块两部分。
红外模块包含接收和发射两个功能模块。红外接收模块由一个红外接收管构成,接收对方车辆发射的红外攻击信号。当系统接收到进攻信号时,PE6引脚上会出现一个高电平,触发一次外部中断,在中断服务程序中处理并判断红外数据。如果确认为进攻信号,则使生命值变量减一,同时熄灭一个LED灯。发射模块由一只红外发射管和一个三极管组成,红外攻击信号经过三极管放大后由红外发射管发出。攻击信号为8位数据,当收到进攻指令时,发射模块将程序中设定好的8位数据按位发出。
霍尔模块由两只霍尔传感器和四片磁铁组成,用于测速,以实现调速、自动行驶等功能。磁铁正反安放在左右两个电机减速箱的二级齿轮的边缘上。当教学无人车行驶时,电机带动齿轮转动,两片磁铁就会交替从霍尔元件下面经过,由于两片的磁场方向不同,就会使霍尔元件内部的电子发生不同的偏转,这样,二级齿轮每转过一周就会使霍尔元件产生一个脉冲信号,构成闭环系统。主控芯片接收脉冲信息,通过不同算法可控制两电机完成不同的控制要求。[page]
2.2.4 语音模块
语音模块由WT588D语音芯片和SPI寻址的8M ROM芯片及其外围电路组成。使用前将需要播放的语音烧写在ROM芯片中。语音模块使用三线串口控制模式,这种控制模式由CS,DATA,CLK 3条通信线组成,分别连接到Atmega128的PC0、PC1、PC2 3个I/O口。控制时序根据标准SPI通信方式。
2.2.5 无线模块
无线模块主要包括NRF24L01和Atmega128。NRF24L01采用FSK调制,内部集成NORDIC公司自家的Enhanced Short Burst协议,可实现点对点或是1对6的无线通信,无线通信速度可达2.4 Gbps,并可以通过配置其寄存器实现调频传输。主控芯片通过SPI协议配置NRF24L01的相关寄存器来完成对无线模块的初始化和数据的传输。无线模块的SPI信号线对应的接到Atmega128的PB0-PB3 4个I/O口上,CE端接到PE2,利用Atmega128内部集成的SPI功能进行通信。无线模块电路设计如图4所示。
3 软件设计
软件设计包括控制端软件的设计和终端软件的设计。
3.1 控制端软件设计
无人车控制台的主控软件将键盘指令转化为控制码发往下位机,控制小车的动作并显示下位机发来的状态信息???。该软件利用Labview串口通讯将键盘指令转化为二进制字符串送到上位机。利用模拟SPI的方式,通过STC12LESA60S2配置NRF24L01的寄存器使其处于发射模式。当收到PC串口发送的数据时,NRF24L01在单片机的控制下将数据逐位发出。设计的控制端软件如图5所示。
3.2 终端软件设计
教学无人车的终端软件主要包括无线接收程序、驱动控制程序等。程序中定义变量Life为生命值标识,定义Date为小车的控制标识,定义函数Motor()为电机控制函数。流程图如图6所示,主要分为以下步骤:
1)小车启动后,首先初始化各I/O口、系统中断、SPI接口以及NRF24L01的相关寄存器。小车的无线模块配置为接收模式。
2)下位机接收到无线信号后会产生一个中断,将数据通过SPI送到Atmega128中。在控制程序中,用多分支选择结构switch—case判断Date的值,通过调用Motor()函数控制电机做出相应动作。
3)接收到红外信号时,经判断若为有效信号,则使生命值标识Life减一。同时判断当前的Life值,设置PA口的值控制LED灯(生命值)的显示。
4 结束语
文中进行了一种基于Atmega128单片机和无线通信的无人车控制系统设计。实验结果表明,教学无人车在无障碍区域无线通信有效传输距离可达80~100米,利用车载摄像头可以实时获取无人车所处环境信息,实现远程监控。其创新点是采用了PC控制模式和单兵运行模式两种方式对无人车进行控制,极大地增强了无人车的功能性和环境适应能力。在实际对抗演练中,无人车在遇到干扰的情况下顺利完成货物运输、环境勘探、反击敌方车辆等功能,取得了良好的控制效果。该设计可广泛应用于短途货运客运、应急救援、恶劣环境下自动作业等领域。
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