智能探測車能根據(jù)任務(wù)及環(huán)境信息做出全局路徑規(guī)劃,可在行進(jìn)中不斷感知局部環(huán)境信息并做出決策,從而能夠安全行駛并到達(dá)目標(biāo)。本文以ATmegal28L單片機(jī)為核心介紹了一種智能探路車的設(shè)計(jì)雛形,該系統(tǒng)利用各種傳感器獲取周圍環(huán)境信息,采用多傳感器信息融合技術(shù)對接收到的信息進(jìn)行處理與判斷,從而自動(dòng)繞開障礙物:能與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通訊;具有預(yù)先設(shè)定路線的功能;通過JTAG接口可以方便地在線調(diào)試程序或下載程序。

　　1 引言

　　美國Atmel公司推出的ATmegal28L是基于AVR RISC的低功耗8位單片機(jī),最高工作頻率可達(dá)16 MHz,具有128 KB Flash內(nèi)部存儲(chǔ)器、4 KBEEPROM和4 KB SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,并且采用了JTAG技術(shù)。它具有很高的性價(jià)比,并有超低的功耗和豐富的片上外圍資源,很適合作為移動(dòng)設(shè)備的微控制器。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　ATmegal28L內(nèi)含128 KB寫操作可讀在系統(tǒng)可編程Flash、53個(gè)通用I/O口、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)、4個(gè)具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)UART、2線(I2C)串行接口、一個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、一個(gè)SPI口、一個(gè)符合IEEE Std的JTAG等。ATmegal28L主要對超聲波和紅外傳感器測得的信息進(jìn)行處理,產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)來控制直流電機(jī)，通過I/O控制步進(jìn)電機(jī)。同時(shí),ATmegal28L引出JTAG接口進(jìn)行在線調(diào)試程序或下載程序。另外。系統(tǒng)通過鍵盤與顯示電路來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話;選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件1298N來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī);超聲波測物模塊和紅外避障測量模塊用來獲取環(huán)境信息；利用無線模塊nRF401與:PC機(jī)端口的無線模塊進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的路線設(shè)置功能主要由軟件實(shí)現(xiàn),硬件選取24C02用于存放路線。圖l所示為其系統(tǒng)框圖。

　　2.1 鍵盤與顯示電路

　　為了方便人機(jī)對話和功能選擇,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 5個(gè)按鍵和液晶顯示模塊。5個(gè)按鍵分別是:單片機(jī)復(fù)位按鍵,小車自動(dòng)行走按鍵(接A15(PC7))、超聲波測物按鍵(接A14(PC6))、無線發(fā)射按鍵(接A13(PC5))和小車設(shè)置路線按鍵(接A12(PC4))。

　　采用液晶模塊LCM103顯示按鍵的選擇和執(zhí)行結(jié)果。LCM103為10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊,內(nèi)置顯示RAM,可顯示任意字段筆劃,3-4線串行接口,可與任何單片機(jī)接口。由于LCM130與MCU的工作電壓相同,因此LCM103與MCU直接連接。其中WR直接與ATmegal28L的WR連接．DATA端與ATmegal28L的AD4(PA4)連接,CS與ATmegal28L的A12(PC4)連接。

　　2.2 JTAG接口電路

　　在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,引出ATmegal28L的JTAG接口進(jìn)行在線編程和下載,以方便調(diào)試和程序更新。對AVR器件進(jìn)行編程是由JTAG端口的TCK、TMS、TDI和TDO實(shí)現(xiàn)的。通過JTAG可以實(shí)現(xiàn)如下的編程功能：

　　(1)Flash編程及校驗(yàn);
　　(2)EEPROM編程及校驗(yàn);
　　(3)熔絲位編程及校驗(yàn);
　　(4)鎖定位編程及校驗(yàn)。

　　電路如圖2所示。

　　2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　系統(tǒng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。ATmega128L具有2個(gè)帶預(yù)分頻器和比較模式的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè)擴(kuò)充的帶預(yù)分頻器和比較/捕獲模式的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2通道8位PWM、6通道2～16位精度：PWM。這里采用ATmegal281。的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器l來產(chǎn)生兩路PWM信號(hào),分別接1298N的EN A和EN B,用于控制兩個(gè)電機(jī)的起停、轉(zhuǎn)向及速度。它工作在相位和頻率修正PWM模式下,該工作模式可以產(chǎn)生高精度、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形。通常用OCRnA作為TOP值。改變TOP值即可改變PWM信號(hào)的占空比,從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　L1298N是SGS公司生產(chǎn)的恒壓恒流橋式2 A驅(qū)動(dòng)器件,內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。1298N與單片機(jī)的連接如圖3所示。

　　系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)來控制超聲波旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上下左右運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路與此類似。

　　2.4 超聲波測物電路和紅外測障電路

　　系統(tǒng)采用一組超聲波傳感器和五組紅外傳感器感知環(huán)境信息。超聲波通過一個(gè)可以上下左右旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)安裝在小車的正前方,用來測量物體的大小。在普通行車中,超聲波傳感器的用途和紅外傳感器一樣。紅外傳感器分別安裝在小車的左前方、右前方、左側(cè)、右側(cè)和后面。本系統(tǒng)利用ATmegal28I。產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路發(fā)送超聲波。紅外傳感器測量小車在五個(gè)方向的一定距離內(nèi)(本系統(tǒng)為30 cm)是否有障礙物,輔助小車避開障礙物。

　　2.5 無線發(fā)射接收電路

　　本系統(tǒng)選用集成度較高的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品nRF401來實(shí)現(xiàn)PC與小車的無線通信。 nRF40l收發(fā)模塊的主要特點(diǎn):工作頻段為433MHz;采用FSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng):頻率穩(wěn)定性好;靈敏度高,功耗小;具有多頻段切換功能。

　　通過ATmega128L的PA5(AD5)控制PWR UP。當(dāng)PWR-UP="l"時(shí)，表示進(jìn)入正常工作模式:當(dāng)PWR-UP="0"時(shí),表示進(jìn)入接收待機(jī)模式。PANAD6) CS="1"時(shí),表示中心頻率為434.32 MHz,當(dāng)CS="0"時(shí),表示中心頻率為433.92 MHz。PA7 (AD7)控制nRF40l的TXEN端,當(dāng)TXEN="1"時(shí),表示進(jìn)入發(fā)送模式,當(dāng)TXEN="0"時(shí),表示進(jìn)入接收模式。數(shù)據(jù)輸入端DIN與ATmegal28L的PEO(RXD0)相連。數(shù)據(jù)輸出端DOUT與ATmegal28L的PEl(TXD0)相接。

　　2.6 充電電路

　　由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬間電流很大,且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大,導(dǎo)致車載電源電壓不穩(wěn)，從而影響其他電路的正常工作,所以系統(tǒng)采用雙電源供電的方法。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及傳感器電源完全隔離開來,利用耦合器進(jìn)行連接。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件的主要功能是:能夠根據(jù)傳感器信息正確避開障礙物:小車與PC的無線通信;預(yù)先設(shè)定路線;測量物體的大小。為了提高小車避障的智能性,軟件設(shè)計(jì)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)。軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于小車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序和小車與PC機(jī)的無線通訊程序。

　　3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序

　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛,具有較好的分類和記憶功能,同時(shí)有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性。采用兩層前向BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合,輸入層有6個(gè)節(jié)點(diǎn)(分別對應(yīng)6組傳感器。其中超聲波傳感器測得距離在30 cm之內(nèi)記為1),輸出層有4個(gè)節(jié)點(diǎn)(前進(jìn)F、左轉(zhuǎn)L、右轉(zhuǎn)R、后退B)。選取的輸入輸出樣本為:

　　樣本確立后,需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練就是對網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)系數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整,使該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)給定的輸入輸出映射關(guān)系。權(quán)系數(shù)修改按照式

　　(1)進(jìn)行：

　　uij(t+1)=uij(t)+λ[dj(t)-yj(t)xi(t)+α△uij(t-1) (1)

　　式中：λ表示學(xué)習(xí)速率(取0.3);α表示學(xué)習(xí)動(dòng)量(取0.3);dj(t)和yj(t)分別表示j單元在t時(shí)刻的目標(biāo)輸出和實(shí)際輸出;xi(t)表示單元i在t時(shí)刻的輸入；△uij(t-1)表示前一次迭代中;；單元i和J連接權(quán)系數(shù)更新增量。

　　BP網(wǎng)絡(luò)算法采用C語言編程,訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)存放于Flash內(nèi)存之中。采用的是離線訓(xùn)練方式。

　　3.2 小車與PC機(jī)的無線通訊程序

　　PC機(jī)在小車行駛過程中可以通過無線通訊對小車進(jìn)行控制。通訊采用中斷的方式,流程圖如圖4所示。

　　4 結(jié)束語

　　本文討論了基于ATmega128L的智能探測車的設(shè)計(jì)思路,對系統(tǒng)中的各個(gè)模塊接口作了簡要描述,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來增強(qiáng)小車的智能性,并提出了系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)思想。該電路各部分功能模塊化,易于調(diào)試,并且容易擴(kuò)展其他功能。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景廣闊,可用于骯臟、危險(xiǎn)等不適宜人類工作或者是人類難以到達(dá)的環(huán)境,可作為特殊應(yīng)用器材的載體工具,為無線檢測、信息傳輸及遠(yuǎn)距離控制技術(shù)提供了一個(gè)很好的應(yīng)用平臺(tái)。