智能停車(chē)場(chǎng)泊車(chē)引導(dǎo)系統(tǒng)的車(chē)位檢測(cè)模塊的選擇與原理

梁皓涵 李玉麗 朱鐵男 賴(lài)元雋

（吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130118）

隨著國(guó)家的宏觀(guān)調(diào)控，我國(guó)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)被快速發(fā)展起來(lái)，人民的生活水平逐年提高，汽車(chē)作為一種發(fā)展很久的交通工具，相對(duì)于其他交通工具來(lái)說(shuō)，具備很多的優(yōu)點(diǎn)，所以更多的家庭開(kāi)始以家用轎車(chē)來(lái)作為自己的交通工具，給人們帶來(lái)了很多便利。但是，隨著汽車(chē)數(shù)量的的增加，也給人們帶來(lái)了特別多的問(wèn)題，例如停車(chē)的問(wèn)題就變得越來(lái)越重要，為了滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的停車(chē)需求，很多公共場(chǎng)所都修建了停車(chē)場(chǎng)，甚至于樓層中、地下等修建了停車(chē)場(chǎng)。但是，繁瑣的停車(chē)手續(xù)以及車(chē)位的問(wèn)題還是困擾著很多人。在目前的停車(chē)管理系統(tǒng)中，用戶(hù)的每次進(jìn)場(chǎng)出場(chǎng)以及尋找停車(chē)位都特別的麻煩。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到了停車(chē)場(chǎng)中，本項(xiàng)目以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)出智能停車(chē)場(chǎng)泊車(chē)引導(dǎo)服務(wù)系統(tǒng)，提高停車(chē)場(chǎng)的引導(dǎo)效率，在方便了駕駛員尋找車(chē)位的同時(shí)，也能方便停車(chē)場(chǎng)管理人員進(jìn)行管理，提高車(chē)位的利用率，不僅有利于減少人工成本，也有利于人們的便利停車(chē)、出場(chǎng)入場(chǎng)。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

這個(gè)系統(tǒng)主要分成四塊，分別是檢測(cè)車(chē)位是否被使用的車(chē)位檢測(cè)模塊、傳輸檢測(cè)信息的輸入模塊、完成數(shù)據(jù)的分析與數(shù)據(jù)的處理的主控模塊以及實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員引導(dǎo)的引導(dǎo)模塊，通過(guò)這四個(gè)模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的全部功能。下面就上面四個(gè)模塊中的車(chē)位的檢測(cè)模塊進(jìn)行具體的描述，對(duì)技術(shù)方案的選擇、檢測(cè)模塊具體原理及檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)做具體闡述。

系統(tǒng)中有探測(cè)器插件負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)的信息這類(lèi)工作，也就是系統(tǒng)里的車(chē)位余量探測(cè)器，它會(huì)利用識(shí)別技術(shù)檢測(cè)車(chē)輛，并借此確定是否有車(chē)輛停在車(chē)位，并將檢測(cè)到將的信息傳輸給處理器進(jìn)行處理。這個(gè)設(shè)計(jì)分析了紅外線(xiàn)探測(cè)、電波偵測(cè)、超聲波偵測(cè)的利弊，最終從上面三種技術(shù)中選擇了超聲波探測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中對(duì)車(chē)位的檢測(cè)。

2 探測(cè)技術(shù)的選擇

2.1 紅外檢測(cè)技術(shù)

紅外線(xiàn)是一種肉眼所不能觀(guān)察到的光波，具有光直線(xiàn)傳播的特性，在設(shè)備發(fā)出紅外線(xiàn)后，電磁波在傳入時(shí)產(chǎn)生漫射反射。如果擴(kuò)散反射足夠強(qiáng)大，折射到的紅外線(xiàn)光線(xiàn)就可以用接收器進(jìn)行接收并設(shè)定。由于紅外線(xiàn)傳送的時(shí)間相對(duì)于車(chē)輛與發(fā)射器間距離是成比例關(guān)系的，因此可以將直接光源受光波照射至紅外線(xiàn)受光波接收的時(shí)間乘以此光源傳送速度，進(jìn)而求出距離。

紅外線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有：抗干擾能力強(qiáng)，例如電磁干擾等；電磁波和噪音對(duì)其的影響很小等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)也很明顯，首先當(dāng)出現(xiàn)陰雨、霧等天氣，空氣的溫濕度出現(xiàn)變化時(shí)，設(shè)備的靈敏度會(huì)被影響，并且傳感器的靈敏度也還會(huì)受到其他因素的影響，如灰塵等；同時(shí)設(shè)備在安裝時(shí)并不方便。所以從停車(chē)場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期使用的層面來(lái)考慮，紅外檢測(cè)并非系統(tǒng)的最優(yōu)解。

2.2 視頻檢測(cè)技術(shù)

視頻檢測(cè)技術(shù)收集的是系統(tǒng)通過(guò)攝影機(jī)傳輸回來(lái)信息，在檢測(cè)的覆蓋面中，車(chē)輛存在將影響視頻監(jiān)測(cè)區(qū)的亮度值與灰度值，可以通過(guò)評(píng)估視頻中所產(chǎn)生的累積灰度來(lái)評(píng)估停車(chē)位的使用情況。每一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭均安裝在停車(chē)位的正上方，將檢測(cè)后的信號(hào)傳輸給模塊進(jìn)行處理圖像處理，每個(gè)停車(chē)位都被同一攝像頭識(shí)別監(jiān)控。安裝這個(gè)技術(shù)很方便，攝像機(jī)也可以發(fā)揮實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是問(wèn)題也很明顯。首先，安裝安裝成本相對(duì)較高，特別是當(dāng)停車(chē)場(chǎng)面積夠大時(shí)，必須有足夠多的攝像頭安裝;其次，測(cè)量的準(zhǔn)確度不穩(wěn)定，特別是在外部環(huán)境不好時(shí)，測(cè)量的效果更差。因此從成本和影響的角度來(lái)看，視頻檢測(cè)技術(shù)不是最佳選擇。

2.3 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)非常準(zhǔn)，傳輸時(shí)間內(nèi)能量損失非常小，超聲波可以在很遠(yuǎn)的空中傳播，而能量損耗很低。根據(jù)這樣的性能，這項(xiàng)技術(shù)就可以用來(lái)測(cè)量距離。因此在本次設(shè)計(jì)里，超聲波探測(cè)技術(shù)被用作車(chē)位探測(cè)技術(shù)。每個(gè)停車(chē)位上的正上方超聲波發(fā)射器都會(huì)發(fā)出特定的超聲波，同時(shí)在設(shè)備上安裝了一個(gè)接收器接收反射的被超聲波，可以通過(guò)計(jì)算超聲波輸出和接收時(shí)間來(lái)計(jì)算總距離。

超聲波檢測(cè)儀具有強(qiáng)大的穩(wěn)定性、低成本、穩(wěn)定性，但它是很容易受到溫度、氣流和其他因素的影響的，必要時(shí)利用公式計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償以消除不必要的誤差。

綜上結(jié)合以上三種車(chē)位檢測(cè)技術(shù)的討論，最終選擇超聲波檢測(cè)技術(shù)作為智能停車(chē)場(chǎng)泊車(chē)引導(dǎo)服務(wù)系統(tǒng)的車(chē)位檢測(cè)模塊。

3 車(chē)位檢測(cè)模塊的工作原理

在超聲波被發(fā)射前，會(huì)被預(yù)設(shè)被發(fā)射的方向，在超聲波發(fā)射時(shí)，定時(shí)器同時(shí)也會(huì)記錄時(shí)間。部分超聲波遇到車(chē)輛后會(huì)反彈到接收器，并被接收器接收，見(jiàn)圖1 通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄所用的時(shí)間。

圖1 超聲波發(fā)送接收

根據(jù)超聲波檢測(cè)的原理，利用公式（1）：

（L 為超聲波傳播的歷程，v 為超聲波在空氣中傳播的速度，t 為計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間）

超聲波發(fā)射器和接收器之間的距離不能夠被忽略，在超聲波被發(fā)射后，在通過(guò)一個(gè)角度被反射回來(lái)，通過(guò)測(cè)量時(shí)間，便能夠得到傳感器與車(chē)輛的垂直距離，見(jiàn)公式（2）：

想要減小運(yùn)算時(shí)的難度，所以就要在安裝時(shí)讓超聲波的發(fā)射器與接收器之間的距離小于50mm，H 大于等于1m，此時(shí)的θ 小于15°，于是得公式（3）：

被發(fā)射出來(lái)的超聲波在空氣中傳播，其速度被多個(gè)因素影響，并非是一個(gè)恒定值。例如溫度就是其中的一個(gè)影響因素。經(jīng)查詢(xún)，超聲波的傳播速度與溫度(攝氏度)的關(guān)系見(jiàn)公式（4）：

（v 為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為所處的環(huán)境溫度）

表1 是超聲波在不同溫度（℃）下的傳播速度：

經(jīng)調(diào)查，停放在停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的車(chē)輛一般在1.5m 左右；在有無(wú)車(chē)輛停放的時(shí)候，均對(duì)檢測(cè)時(shí)的溫度影響不大，并且停車(chē)場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有對(duì)環(huán)境溫度產(chǎn)生影響的因素，所以不用進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。

4 車(chē)位檢測(cè)模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，車(chē)位檢測(cè)模塊由四部分組成，分別為：負(fù)責(zé)處理信息的主控模塊（單片機(jī)）、發(fā)射超聲波的發(fā)射電路、接受被反射的超聲波的接收電路和以及將結(jié)果展示出來(lái)的LED 指示燈。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 車(chē)位檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

4.1 超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路由發(fā)射器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)射傳感器組成。晶振電路中，單片機(jī)其自身的驅(qū)動(dòng)能力不足，無(wú)法發(fā)射頻率很高的超聲波，所以利用放大電路將發(fā)射信號(hào)加到超聲波發(fā)射器的兩極，來(lái)提高超聲波的強(qiáng)度。

4.2 超聲波接收電路

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播、反射后的超聲波，其信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減的很弱，被接收器所接收后，通過(guò)比較電路，信號(hào)放大電路轉(zhuǎn)化后變?yōu)檩^強(qiáng)的信號(hào)傳輸給單片機(jī)。

信號(hào)通過(guò)放大電路處理后變?yōu)榱四M量，但是單片機(jī)能夠處理的是數(shù)字信號(hào)，所以需要比較電路，將放大電路處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。比較電路如圖3 所示。

圖3 比較電路

利用對(duì)電平從高到低轉(zhuǎn)化時(shí)間的測(cè)量，并利用原理中所提及的公式，便能夠知道超聲波傳輸?shù)木唧w路程。

5 結(jié)論

本文從智能停車(chē)場(chǎng)的檢測(cè)模塊入手，從探測(cè)技術(shù)的選擇、超聲波探測(cè)原理的分析以及對(duì)具體電路的設(shè)計(jì)，闡述檢測(cè)模塊，最終使停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的車(chē)位檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)，并完善停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠讓停車(chē)場(chǎng)的管理者和駕駛員都能對(duì)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的空余數(shù)量一目了然，進(jìn)而提高停車(chē)場(chǎng)的整體服務(wù)效率。