停車場智能泊車綜合系統(tǒng)的優(yōu)化設計

楊 曈，倪晉平，馬元鋒，姬博文,，陳 丁

(1.西安工業(yè)大學 陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710021；2.西安北方光電科技防務有限公司 技術(shù)中心，陜西 西安 710043)

0 引 言

如今信息智能快速發(fā)展，使得智能物流[1]、 智能小車[2]等發(fā)展迅速.傳統(tǒng)的停車場沒有過多的智能化控制，基本需要有人看管，隨著大型停車場越來越多的建立，出現(xiàn)了自主停取車輛較難找到車位，自主停放車輛復雜，費時費力等問題.目前，智能化停車場[3]雖在不斷應用和改進，但依舊存在各種問題，不能滿足用戶的需求.

近年來，各項有關(guān)智能泊車系統(tǒng)的研究頗多.苗鵬等提出了以STC15F為核心的智能小車，該設計可以完成車輛的自動存放操作[4].陳仲堂基于原車系統(tǒng)采用單片機設計了泊車的測距、 輪速、 轉(zhuǎn)向控制、 電源等一系列控制電路，但該系統(tǒng)處于試驗階段[5].齊學紅等設計的系統(tǒng)可以完成自動泊車和自動計費功能[6].曾維鵬等采用無線通訊將小車和停車場相結(jié)合，使得小車可以完成自主停放[7].大多數(shù)基于單片機的自主泊車系統(tǒng)要考慮小車的碰撞，沒有完整的路徑規(guī)劃，并且需要人為控制鍵盤完成車位的選擇，無法做到將小車與停車場完整配合，完成一系列自主停放過程.

本文將智能小車運用在智能泊車這一方面，旨在使車主省去尋找車位以及倒車入庫的繁瑣過程.采用STC12C5A60單片機控制電路，使得機器人和停車場單元相互配合，集行駛、 檢測、 通訊等功能于一體.采用智能車位檢測和IC卡識別，存車時，用戶將車輛停至停車場入口平臺，領(lǐng)取停車卡，取車時，刷卡后等待車輛由機器人送至取車處.操作簡便，效率較高，實現(xiàn)了智能化的自主停取車輛、 無人看守設計.

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 智能泊車機器人控制系統(tǒng)

智能泊車機器人是設計方案中的核心單元，其控制系統(tǒng)主控芯片選擇單片機STC12C5A60S2[8]，該單片機有兩個獨立串口，是新一代高速、 低功耗、 具有超強抗干擾和強抗靜電的8051單片機，采用其48引腳的芯片可以滿足本設計中對功能的要求.除了單片機最小系統(tǒng)外，硬件電路的設計還包括電源模塊、 舵機模塊[9]、 電機驅(qū)動模塊、 無線通訊模塊[10]、 循跡模塊[11]等.智能車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.電源模塊為單片機主控系統(tǒng)提供5 V直流電，開始工作時，停車場系統(tǒng)檢測空車位信息通過無線通訊模塊傳遞至小車，小車啟動開始工作，到達停車平臺下方時，由信號控制舵機模塊完成對停車平臺升降的操控.小車運行過程中，由電機驅(qū)動模塊控制小車速度，使小車在循跡模塊的主導下，平穩(wěn)地完成將車輛送至車位或取出送達用戶處這一過程.

圖 1 智能車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The system structure of smart car control

1.2 停車場監(jiān)控系統(tǒng)

停車場監(jiān)控系統(tǒng)主要包括用戶IC卡發(fā)放的射頻模塊[12]、 空車位檢測模塊、 無線通訊模塊以及停車場主控模塊.為了方便設計，停車場的主控芯片同樣選擇單片機STC12C5A60S2.停車場控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示.當用戶將車輛開至停車場入口平臺時，在射頻模塊的控制下取卡，入口閘機開啟[13]，車輛開入停車平臺，空車位檢測模塊開始檢測空車位信息并利用無線通訊模塊將信息傳遞至智能小車，完成停放車輛的操作.車主取車時，刷卡顯示車輛信息，信號傳遞至智能小車，將用戶車輛從存放車位取出送至停車場出口，交還車主.

圖 2 停車場控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The system structure of parking control

基于本文設計的智能泊車小車的研究，在停車場控制部分，只是簡單地設計了停車場的出入口，智能小車的通訊以及信息顯示等部分.停車場的工作流程圖如圖 3 所示.

圖 3 停車場控制部分工作流程圖Fig.3 The work flow chart of parking lot control

2 硬件設計

2.1 智能泊車機器人

2.1.1 底盤選擇

本設計采用履帶式路虎5底盤(如圖 4 所示)作為智能泊車機器人的基本結(jié)構(gòu).

圖 4 履帶式路虎5底盤Fig.4 The tracked land rover 5 chassis

該小車特點是控制簡單、 運行流暢、 行走穩(wěn)定、 可原地掉頭.與普通四輪小車相比，該小車負載強，不受地形限制，行車較為穩(wěn)定.該小車底盤齒輪測速編碼器采用霍爾傳感器，磁圈轉(zhuǎn)一圈可感應8次，方便控制小車車速.

2.1.2 舵機選擇

常用的舵機有兩種，分別為數(shù)字舵機(Digital Servo)和模擬舵機(Analog Servo).本方案采用模擬舵機，其主要由馬達、 減速齒輪、 控制電路等組成，在空載時，沒有動力被傳到舵機馬達.當有信號輸入時，使舵機移動或者舵機的搖臂受到外力作用時，舵機便會作出反應，向舵機馬達傳動動力(電壓).

為了方便對舵機進行控制，本設計采用金屬齒輪模擬舵機作為停車平臺的抬起機構(gòu).該舵機分別安裝在小車的四角，同時控制工作以實現(xiàn)平臺的抬起和落下.當用戶將車停在平臺上后，小車循線進入停車平臺下方，控制舵臂抬升將停車平臺撐起，當?shù)竭_車位時，控制舵機使舵臂下降，將停車平臺落入地面，完成車輛的停放.

2.1.3 電源模塊

方案中的智能小車的電源采用7.2 V電池供電.由于單片機系統(tǒng)中尋跡模塊、 數(shù)碼管等需5 V直流電源供電，而舵機模塊需6 V直流電源供電，無線通訊模塊需3.3 V電源供電，避繁就簡且節(jié)省材料，采用一個固定電池，將電池電源在電源模塊(如圖 5 所示)的作用下轉(zhuǎn)化成一路5 V電源，一路6 V電源.

圖 5 電源模塊原理圖Fig.5 The schematic of power module

2.1.4 循跡模塊

設計中采用紅外探測的循跡方式，即在不同反射特性的物體表面使用不同顏色的紅外光.小車在行駛過程中紅外光不斷地向地面發(fā)射，當紅外光碰到白色紙質(zhì)地板時，會發(fā)生漫反射現(xiàn)象，反射光被接收管接收； 如果紅外光遇到黑線會被吸收，則接收管接收不到紅外光.單片機依據(jù)是否收到反射回來的紅外光來確定黑線的位置和小車的行駛路線.由于紅外探測器的探測距離有限，當小車進入循跡模式后，開始連續(xù)掃描連接探測器的單片機I/O口，一旦在I/O口中檢測到信號，便進入判斷處理程序.首先確定哪一個探測器探測到了黑線，如果左面第一級或者第二級傳感器探測到了黑線，即為小車左半部分壓到黑線，車身會向右偏出，此時應使小車向左轉(zhuǎn)； 如果是右面第一級或第二級傳感器探測到黑線，則小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉(zhuǎn).在調(diào)整了方向后，小車會繼續(xù)向前行進，不斷探測黑線重復上述動作.其電路設計如圖 6 所示.

設計采用的漫反射式ITR20001/T收發(fā)一體傳感器型，是由IR接收管(IR2424-3C)和PT發(fā)射管(PT2424-6B)組成的光電開關(guān)，其壽命長，可靠性高，響應速度快，靈敏度高，配合循跡模塊，可大大提高設計效率.

圖 6 紅外對管傳感器電路圖Fig.6 The circuit diagram of infrared tube sensor

2.2 停車場監(jiān)控

2.2.1 車位檢測模塊

在本次設計中，考慮到實際情況中存在不同的車輛形狀和大小，需要的停放位置大小不同.制作模擬車位時，預留了8個車位信息與主控板對應，車位檢測的原理圖如圖 7 所示.

圖 7 車位檢測原理圖Fig.7 The schematic of parking space

空車位的檢測所使用的RPR220傳感器，是一種一體化反射型光電探測器，其塑料透鏡可以提高靈敏度，內(nèi)置的可見光過濾器可以減小離散光的影響，而且其體積小結(jié)構(gòu)緊湊，不占用太大的位置，可以很好地完成對車位的探測，使停車場在進行車位檢測時可以快速地檢測到車位信息并將信息傳遞給小車.

2.2.2 無線數(shù)據(jù)通訊模塊

圖 8 為無線通訊模塊原理圖.由SPI口接無線通訊，WIRE外接無線通訊NRF24L01.NRF24L01無線收發(fā)器包括： 頻率發(fā)生器、 增強型“SchockBurst”模式控制器、 功率放大器、 晶體振蕩器、 調(diào)制器和解調(diào)器.它具有極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為0 dBm 時電流消耗為11.3 mA ，接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低.

圖 8 無線通訊模塊原理圖Fig.8 The schematic of wireless communication module

SPI所供電壓為3.3 V.其工作模式有4種： 收發(fā)模式、 配置模式、 空閑模式、 關(guān)機模式.在小車行進過程中，無線模塊可實現(xiàn)機器人與停車場控制系統(tǒng)的通訊，以識別車位，存取車輛.

3 模擬驗證試驗

為了更加方便地驗證該系統(tǒng)的可行性，設計并制作了微小的模擬實物來對其進行驗證.采用如圖 9 所示的模擬車位規(guī)劃.

在無線通訊下，機器人開始工作，到達停車平臺，將用戶車輛送至系統(tǒng)檢測到的空車位處.機器人行進過程如圖 10, 圖 11 所示.

通過模擬實驗，該系統(tǒng)可以完整地完成一系列停車、 取車過程，驗證了設計的可行、 可靠性.

圖 9 模擬車位規(guī)劃圖Fig.9 The plan drawing of simulated parking spaces

圖 10 機器人前往停車平臺Fig.10 The schematic of robot goes to parking platform

圖 11 機器人將車輛送至車位Fig.11 The schematic of robot sends the vehicle to the parking space

4 結(jié) 論

本設計考慮到現(xiàn)實情況下停車場停車困難等問題，結(jié)合智能小車提出了一種用于停車場的設計.智能小車技術(shù)是一項具有廣泛應用前景的技術(shù)，本文采用模擬微型實物進行設計和實驗，設計出的微型實物可以實現(xiàn)完整的一系列停車，取車過程.同時，該設計也是一種新的停車理念，不僅為高速發(fā)展的現(xiàn)代社會節(jié)約了人力和時間.此外，也為現(xiàn)代科技發(fā)展提供了一種新的思路，為人們的生活帶來了方便.