周 玲，高 懷，劉夢瑩，李泱科，朱倚嫻

（1.運城學院物理與電子工程系，山西運城 044000；2.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019）

隨著我國汽車數(shù)量逐年增多，泊車位的數(shù)量卻跟不上其增長的速度，日益擁擠的泊車環(huán)境要求人們對汽車的泊車技術(shù)更加地嫻熟，這就更加重了人們工作之外的緊張情緒。因此，如何解決泊車過程中的不便利，越來越受到人們的關注[1]。

文章針對這一問題設計一種自動泊車系統(tǒng)，即在不加以人為控制的情況下，通過智能控制幫助駕駛者快速、安全地完成泊車操作[2]。系統(tǒng)包括信息采集模塊、信息處理模塊和控制模塊，具有辨識車庫、判斷車位是否有車、顯示車位數(shù)等功能，使小車能夠自動泊車。

1 系統(tǒng)方案設計

自動泊車系統(tǒng)框圖如圖1 所示。包括信息采集系統(tǒng)和驅(qū)動控制系統(tǒng)[3]。其中，信息采集系統(tǒng)由循跡模塊、避障模塊、超聲波模塊和感光模塊組成，用于檢測路面及車庫信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機進行處理。驅(qū)動控制系統(tǒng)包括舵機模塊和電機驅(qū)動模塊。

系統(tǒng)各部分的功能：超聲波模塊發(fā)射超聲波測距，將測量距離發(fā)送至單片機，經(jīng)單片機處理后，確認車庫方向[4]；舵機模塊控制超聲波模塊進行轉(zhuǎn)向；紅外循跡模塊用于引導小車進入車庫和完成停車；紅外避障模塊防止小車與已有停車及車庫相碰撞；感光模塊用于感應光源后，觸發(fā)舵機和超聲波模塊工作，判斷車位是否已有停車并正確泊車；電機驅(qū)動模塊控制小車的行駛狀況；數(shù)碼管模塊顯示泊車車位數(shù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信息處理

單片機最小系統(tǒng)由STC89C52、晶振和復位電路組成，具體原理圖如圖2 所示。其中，單片機具有以下標準功能：8k 字節(jié)Flash，256 字節(jié)RAM，32 位I/O端口，2個數(shù)據(jù)指針，2個16位定時器/計數(shù)器，片內(nèi)晶振及時鐘電路，可以滿足本次設計要求。晶振為單片機提供一個震蕩源，使其產(chǎn)生時鐘周期。復位電路保證系統(tǒng)上電時不會出現(xiàn)死機等情況，使單片機可以正常讀程序。

圖2 單片機最小系統(tǒng)原理圖

2.2 信息采集

信息采集主要包括紅外循跡模塊、紅外避障模塊、感光模塊和超聲波模塊，各模塊原理圖如3圖所示。

紅外循跡模塊利用紅外光對不同顏色的反射特性不同，采用左右兩側(cè)循跡黑線的方法[5]。小車到達車庫范圍時，開始循跡。由紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當右側(cè)檢測到黑線時，紅外線被吸收，右側(cè)指示燈滅，小車右轉(zhuǎn)；當右側(cè)檢測到路面時，紅外光反射后被紅外接收管接收，右側(cè)指示燈亮，小車直行。同理，當左側(cè)檢測到黑線時，小車左轉(zhuǎn)。當左右兩側(cè)檢測到路面時，小車前進。當左右兩端檢測到黑線時，小車停車。

紅外避障模塊利用紅外線的反射特性。當小車通電后，避障模塊啟動，紅外發(fā)射端發(fā)射紅外線。當沒有檢測到障礙物時，小車前進。當小車左側(cè)檢測障礙物時，紅外線反射，左側(cè)指示燈亮，小車右轉(zhuǎn)。反之，當小車右側(cè)檢測障礙物時，紅外線反射，右側(cè)指示燈亮，小車左轉(zhuǎn)。

感光模塊利用光敏電阻的阻值隨光線的變化而變化[6]。小車感應到光源時，其阻值變小，電壓比較器輸出端低電平，單片機啟動舵機模塊轉(zhuǎn)向和超聲波模塊檢測車位是否已經(jīng)停放車輛[7]，同時單片機記錄檢測到光源的次數(shù)。

超聲波模塊由超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路組成[8]。采用I/0端口觸發(fā)測距。小車初始化完成后，將超聲波接收端置0，單片機I/O 端口輸出＞=10 μs 的高電平，超聲波發(fā)射器發(fā)射8 個40 kHz 的方波，同時定時器開始計時。當接收端檢測到返回信號時置1，定時器結(jié)束。小車與障礙物間的距離=(高電平持續(xù)時間*340m/s)/2[9]。

圖3 信息采集各模塊原理圖

2.3 驅(qū)動控制

由于超聲波只能測量單一方向的距離，所以選用180度的模擬舵機。舵機的控制信號為I/O 端口輸出的周期為20 ms 的脈寬調(diào)制信號，其中脈沖寬度從0.5～2.0 ms，對應的舵機位置時0～180 度。將超聲波模塊固定在舵機云臺上，調(diào)整占空比使舵機分別轉(zhuǎn)向小車左、右、中三個方向，實現(xiàn)超聲波多向測距功能[10]。

電機驅(qū)動模塊由直流電機和雙橋驅(qū)動芯片L298N組成，具體原理圖如圖4所示。其中L298N 的邏輯電壓為4.5～7 V，工作電壓為5～46 V，通過I/O對芯片控制端口進行設置，實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)；通過PWM對直流電機輸出電壓進行調(diào)試，控制電機轉(zhuǎn)速[11]。

圖4 電機驅(qū)動模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 編譯環(huán)境

自動泊車系統(tǒng)均在STC89C52 的基礎上進行設計，故本系統(tǒng)均采用C 語言進行編寫。編寫程序使用的軟件是Keil 4，可以為系統(tǒng)程序的編寫提供一個完整的開發(fā)環(huán)境。編寫完成的程序通過STC－ISP 軟件燒錄入開發(fā)板。

3.2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)的主程序框圖如圖5 所示，小車啟動后，進行初始化，包括定時器初始化，計數(shù)器初始化，數(shù)碼管檢測。初始化完成后，進入while 循環(huán)。啟動舵機模塊，控制超聲波模塊測距，判斷泊車位方向，每隔2 s 測試一次。當小車距離車位附近時，啟動循跡模塊。當感應到地面引導線后，小車沿引導線進入車庫。小車感應到光源時，單片機觸發(fā)舵機和超聲波模塊工作，通過測量泊車位距離判斷車位是否已有停車。如果車位無停車，則小車駛?cè)氩窜?。如果車位已有停車，則小車駛?cè)胂乱卉囄徊⒉窜嚈z測，直至完成泊車。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4 測試與模擬

選擇模擬車庫場景的方式進行實驗測試。

4.1 超聲波舵機調(diào)試

調(diào)節(jié)PWM 占空比，使舵機可以轉(zhuǎn)向小車左、前、右三個方向。經(jīng)實踐測量，舵機的轉(zhuǎn)向范圍是4～20。其中，角度標識等于4時，舵機指向小車右側(cè)；等于12時，舵機指向前方；等于20 時，舵機指向小車左側(cè)。測量小車在靜止時，超聲波實際測試距離與代碼中設置距離的差距如表1 所示，選擇15 cm 作為小車啟動循跡模塊的閾值[12]。

表1 超聲波距離測試

4.2 傳感器功能調(diào)試

以避障模塊為例，調(diào)節(jié)右側(cè)電位器，使小車右側(cè)有障礙物時，指示燈亮，小車左轉(zhuǎn)，如圖6 所示。同理，調(diào)節(jié)左側(cè)電位器，使小車右側(cè)有障礙物時，指示燈亮，小車右轉(zhuǎn)。分別調(diào)試循跡和感光模塊的電位器，使其可以正常工作，完成的測試圖如7所示。

圖6 避障模塊測試圖

圖7 傳感器功能測試圖

4.3 車庫設計

車庫車位模擬分布圖如圖8所示，以十個車位為例，小車從“停車入口”進入車庫后，逐個車位進行判斷[13]。測試車位如圖9所示，模擬1號和2號兩個車位[14]。

圖8 車庫車位模擬分布圖

圖9 測試車位

4.4 數(shù)碼管顯示

數(shù)碼管的顯示范圍是1～9。小車啟動后數(shù)碼管倒計時至1 時，開始自動泊車。當1 號車位無停車時，小車駛?cè)胪＼嚽覕?shù)碼管模塊顯示“1”，測試結(jié)果如圖10所示。當1號車位有車時，小車繼續(xù)前往2號車位檢測，檢測到無停車時，小車駛?cè)胪＼嚽覕?shù)碼管模塊顯示“2”，測試結(jié)果如圖11所示。其中，1號車位的障礙物模擬已有停車。

圖10 1號車位測試圖

圖11 2號車位測試圖

5 結(jié)語

本設計以STC89C52 單片機為控制核心，結(jié)合傳感器和電機等模塊。通過設置模擬場地，調(diào)試和測試硬件與軟件系統(tǒng)。針對場地布置和傳感器靈敏度測試，多次修改系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了小車自動泊車的基本功能。隨著智能平臺的興起，本設計將在已有研究的基礎上，研究泊車信息的反饋通信技術(shù)以及基于移動端的自動泊車設計[15]，推進產(chǎn)品的實際應用。