自動泊車實驗系統(tǒng)設(shè)計與驗證

摘 要：為增進學(xué)生對無人車系統(tǒng)的理解，設(shè)計一款基于多傳感器融合的自動泊車系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制裝置、電動小車等部分組成，控制裝置采用無線通訊技術(shù)，控制電動小車駛?cè)胫付哲囄唬⒕哂凶詣语@示、語音播報計時計費功能。電動小車采用PID算法、超聲波等技術(shù)，實時調(diào)整小車的運動方向和速度，精確進出停車場地；小車到達設(shè)定空車位時，能及時停車，并發(fā)出聲光提示信號，并能實時檢測和顯示在泊車過程中碰撞隔板的次數(shù)。通過調(diào)試與測試，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精確。

關(guān)鍵詞：自動泊車；單片機；超聲波；PID

Abstract：An automatic parking experiment system is designed for enhancing students' understanding of the driverless vehicle system.The system is mainly composed of a control device，an electric trolley，etc.The control device uses wireless communication technology.Control the electric car into the designated empty parking space，and has an automatic display，voice broadcast timekeeping function.The electric car adopts PID algorithm，ultrasonic and other technologies to adjust the movement direction and speed of the car in real time and accurately enter and exit the parking lot.When the car arrives at the set empty parking space，it can stop in time and send a sound and light prompt signal，which can be detected and displayed in real time.The number of collisions between partitions during parking.Through debugging and testing，the system has stable performance and accurate data.

Key words：Automatic parking； Microcontroller； Ultrasound； PID

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人車系統(tǒng)已經(jīng)慢慢走近人們的生活，為了加強大學(xué)生對無人駕駛系統(tǒng)的理解和培養(yǎng)學(xué)生對新興科學(xué)技術(shù)的興趣愛好，本論文設(shè)計一套基于多傳感器融合的自動泊車系統(tǒng)，設(shè)計了多傳感器的智能車庫、無人駕駛的智能小車系統(tǒng)，實現(xiàn)無人小車的自動入庫。

1 系統(tǒng)方案論證

設(shè)計一套帶智能化車庫的自動泊車系統(tǒng)，要求小車能自動駛?cè)胫付ǖ耐＼囄唬＼嚭竽茏詣玉偝觯崟r記錄小車與車庫碰撞次數(shù)、停車時間、停車費用的信息，小車采用電機玩具小車模型代替真實汽車，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由6個智能化車庫、電動小車、控制裝置等部分組成，下面分別論證幾個模塊的選擇。

1.1 單片機最小系統(tǒng)方案

采用增強型8051單片機。IAP15W4K58S4單片機采用增強型的8051內(nèi)核，速度比普通8051單片機快8～12倍， SRAM空間大小為4K（4096）字節(jié)；程序空間大小為58K字節(jié)，具有4組高速異步串行通信端口UART、CCP/PWM/PCA、增強型PWM等外設(shè)功能，工作頻率可達到30MHz。故滿足本系統(tǒng)控制要求，所以選擇IAP15W4K58S4單片機作為單片機最小系統(tǒng)的控制器件。

1.2 車模選型

采用后輪單驅(qū)車模。驅(qū)動方式與多數(shù)真實汽車的驅(qū)動方式相同，具有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)和傳感器支架，以及懸掛、差速器等功能，故該車模更能反映實際需求。

1.3 直流電機驅(qū)動模塊的論證與選擇

采用TB6612電機驅(qū)動模塊。TB6612芯片每通道輸出最高1.2 A的連續(xù)驅(qū)動電流，啟動峰值電流達2A/3.2A，相對于傳統(tǒng)的L298N效率上提高很多，體積上也大幅度減少，在額定范圍內(nèi)，芯片基本不發(fā)熱。

1.4 測距傳感器選型

采用超聲波模塊測距。超聲波測距方案簡單，對硬件要求不高，性能穩(wěn)定頻率高，應(yīng)用范圍廣泛，測量距離線性度較好。

2 理論分析與計算

2.1 自動泊車原理分析

6個車庫的自動手泊車過程主要采用超聲波、PID算法、無線通信等技術(shù)，可以分為起動、入庫調(diào)整、入庫、出庫調(diào)整、駛出停車場等5個階段。小車采用前面和側(cè)面的超聲波傳感器測量的小車與隔板之間的距離，運用PID算法控制小車的方向，依據(jù)小車的碼盤控制小車前進或后退。并且小車結(jié)合經(jīng)驗值和超聲波防碰撞技術(shù)，控制小車正確前進或者后退。

超聲波測距計算公式為：

測試距離=（超聲波模塊輸出高電平時間×聲速（340m/s））/2

2.2 PID算法控制小車方向分析

小車采用側(cè)面的超聲波傳感器測量的小車與隔板之間的距離x（k），通過PID算法，可以控制小車的方向，到達小車預(yù)定位置。本設(shè)計采用了位置型PID控制算法，具體算法如下：

算法中，Out（k）為輸出的控制信號，S（k）為誤差積累，d（k）為誤差變化趨勢，Kp為比例常數(shù)，Ki為積分常數(shù)，Kd為微分常數(shù)。

2.3 電動小車的設(shè)計

小車架長28.75cm，寬16.6cm，高7.0cm，底盤采用2.5mm厚的黑色玻纖板，具有較強的彈性和剛性。前輪調(diào)整方式簡單，全車滾珠軸承。前后輪軸高度可調(diào)（離地間隙0.75cm/165cm），雙滾珠差速。輪胎直徑6.4cm，前輪寬2.7cm，后輪寬3.7cm，優(yōu)質(zhì)高性能發(fā)泡橡膠材料，堅固耐撞，車模見附錄1。

2.4 計時、計費功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部定時器來計小車的停車時間，計費按每30秒5元計算（未滿30秒按5元收費），則charge1=（min×60+sec）/30；若有余數(shù)，則charge=5×charge1+5；若無余數(shù)，則charge=5×charge1；charge為停車費。

2.5 碰撞檢測功能的實現(xiàn)

小車四周裝有4個碰撞開關(guān)，一旦發(fā)生碰撞，即刻反饋至小車系統(tǒng)，進行計數(shù)，并在OLED上顯示碰撞次數(shù)。

3 電路與程序設(shè)計

3.1 電路設(shè)計

3.1.1控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由控制裝置和小車系統(tǒng)組成，其中控制系統(tǒng)以控制裝置MCU為控制中心，控制顯示模塊、語音播放模塊、紅外檢測模塊、無線發(fā)射模塊等模塊；小車系統(tǒng)以小車MCU為控制中心，控制超聲波模塊，電機模塊，碰撞模塊等模塊，控制系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

3.1.2單片機最小系統(tǒng)

采用STC公司的IAP15W4K58S4單片機，該芯片具有專門的高精度PWM、5個16位定時器/計數(shù)器等豐富的片內(nèi)資源，而且采用了基于Flash的在線系統(tǒng)編程（ISP）技術(shù)，不需要外部晶振。單片機最小系統(tǒng)控制電路見附錄2。

3.1.3電機驅(qū)動電路

直流電機采用的是RS-540空芯杯馬達，轉(zhuǎn)速20000r，單片機輸出PWM控制TB6612模塊，驅(qū)動該電機，直流電機驅(qū)動電路如圖3所示。舵機有4根輸入線，兩根分別為電源和地線，一根為控制線，如圖3所示；舵機的控制信號是周期為20ms的PWM信號，其中脈沖寬度從0.5～2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0～180度。單片機輸出PWM信號控制舵機轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向。

3.1.4超聲波測距模塊

采用超聲波模塊HC-SR04進行測距，如圖5所示。共使用了6個超聲波模塊，實現(xiàn)小車前后左右障礙物距離的測量，從而有效地控制小車的動作。

3.1.5語音模塊

本系統(tǒng)創(chuàng)新點是采用語音播報功能，實現(xiàn)播報選定的停車位、停車時間、停車費等功能。采用了SYN7318中文語音交互模塊，如圖6所示。該模塊集成了語音識別、語音合成和語音喚醒功能。

3.1.6電源管理電路

本系統(tǒng)采用12V電池供電，通過降電壓電路模塊，輸出5V、3.3V電源，為各模塊電路供電，如圖7和圖8所示。

3.2 程序設(shè)計

本系統(tǒng)控制裝置的主程序流程如圖9所示，小車的主程序流程如圖10所示。小車程序中采用了RTX51操作系統(tǒng)，創(chuàng)建了時間基準(zhǔn)、小車控制、超聲波測量等多個任務(wù)，有效地控制小車進出停車場。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 基本部分功能測試

（1）基本功能一測試：測試30次以上，均能點亮對應(yīng)空車位的LED燈。

（2）基本功能二、三測試：測試如表1。

4.2 發(fā)揮部分功能測試

（1）發(fā)揮功能一測試：人為碰撞小車30次以上，均能在OLED上顯示對應(yīng)的碰撞次數(shù)。

（2）發(fā)揮功能二、三測試：測試數(shù)據(jù)如表2。

（3）發(fā)揮其它功能測試：本系統(tǒng)具有語音播報功能，屬于創(chuàng)新功能。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用超聲波、PID算法、無線通信等技術(shù)，小車具有及時調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度、車速、前后位置移動等功能，能自動駛?cè)牒婉偝鐾＼噲?。通過測試，各項指標(biāo)均達到基本部分和發(fā)揮部分要求。

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作者簡介：張勰（1975-），女，博士，中級，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與電工電子技術(shù)。