基于單片機(jī)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 玲，高 懷，劉夢瑩，李泱科，朱倚嫻

（1.運(yùn)城學(xué)院物理與電子工程系，山西運(yùn)城 044000；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(guān)注[1]。

文章針對這一問題設(shè)計(jì)一種自動(dòng)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(shí)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(dòng)泊車。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)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(dòng)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(jī)進(jìn)行處理。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括舵機(jī)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，確認(rèn)車庫方向[4]；舵機(jī)模塊控制超聲波模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)向；紅外循跡模塊用于引導(dǎo)小車進(jìn)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(yīng)光源后，觸發(fā)舵機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

2.1 信息處理

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89C52、晶振和復(fù)位電路組成，具體原理圖如圖2 所示。其中，單片機(jī)具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié)Flash，256 字節(jié)RAM，32 位I/O端口，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路，可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。晶振為單片機(jī)提供一個(gè)震蕩源，使其產(chǎn)生時(shí)鐘周期。復(fù)位電路保證系統(tǒng)上電時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)等情況，使單片機(jī)可以正常讀程序。

圖2 單片機(jī)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(dá)車庫范圍時(shí)，開始循跡。由紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當(dāng)右側(cè)檢測到黑線時(shí)，紅外線被吸收，右側(cè)指示燈滅，小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)檢測到路面時(shí)，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(dāng)左側(cè)檢測到黑線時(shí)，小車左轉(zhuǎn)。當(dāng)左右兩側(cè)檢測到路面時(shí)，小車前進(jìn)。當(dāng)左右兩端檢測到黑線時(shí)，小車停車。

紅外避障模塊利用紅外線的反射特性。當(dāng)小車通電后，避障模塊啟動(dòng)，紅外發(fā)射端發(fā)射紅外線。當(dāng)沒有檢測到障礙物時(shí)，小車前進(jìn)。當(dāng)小車左側(cè)檢測障礙物時(shí)，紅外線反射，左側(cè)指示燈亮，小車右轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)小車右側(cè)檢測障礙物時(shí)，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(yīng)到光源時(shí)，其阻值變小，電壓比較器輸出端低電平，單片機(jī)啟動(dòng)舵機(jī)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(shí)單片機(jī)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(jī)I/O 端口輸出＞=10 μs 的高電平，超聲波發(fā)射器發(fā)射8 個(gè)40 kHz 的方波，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)接收端檢測到返回信號(hào)時(shí)置1，定時(shí)器結(jié)束。小車與障礙物間的距離=(高電平持續(xù)時(shí)間*340m/s)/2[9]。

圖3 信息采集各模塊原理圖

2.3 驅(qū)動(dòng)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(jī)。舵機(jī)的控制信號(hào)為I/O 端口輸出的周期為20 ms 的脈寬調(diào)制信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5～2.0 ms，對應(yīng)的舵機(jī)位置時(shí)0～180 度。將超聲波模塊固定在舵機(jī)云臺(tái)上，調(diào)整占空比使舵機(jī)分別轉(zhuǎn)向小車左、右、中三個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)超聲波多向測距功能[10]。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由直流電機(jī)和雙橋驅(qū)動(dòng)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(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)；通過PWM對直流電機(jī)輸出電壓進(jìn)行調(diào)試，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[11]。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 編譯環(huán)境

自動(dòng)泊車系統(tǒng)均在STC89C52 的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，故本系統(tǒng)均采用C 語言進(jìn)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(gè)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(dòng)后，進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器初始化，計(jì)數(shù)器初始化，數(shù)碼管檢測。初始化完成后，進(jìn)入while 循環(huán)。啟動(dòng)舵機(jī)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(dāng)小車距離車位附近時(shí)，啟動(dòng)循跡模塊。當(dāng)感應(yīng)到地面引導(dǎo)線后，小車沿引導(dǎo)線進(jìn)入車庫。小車感應(yīng)到光源時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)舵機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

4.1 超聲波舵機(jī)調(diào)試

調(diào)節(jié)PWM 占空比，使舵機(jī)可以轉(zhuǎn)向小車左、前、右三個(gè)方向。經(jīng)實(shí)踐測量，舵機(jī)的轉(zhuǎn)向范圍是4～20。其中，角度標(biāo)識(shí)等于4時(shí)，舵機(jī)指向小車右側(cè)；等于12時(shí)，舵機(jī)指向前方；等于20 時(shí)，舵機(jī)指向小車左側(cè)。測量小車在靜止時(shí)，超聲波實(shí)際測試距離與代碼中設(shè)置距離的差距如表1 所示，選擇15 cm 作為小車啟動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shè)計(jì)

車庫車位模擬分布圖如圖8所示，以十個(gè)車位為例，小車從“停車入口”進(jìn)入車庫后，逐個(gè)車位進(jìn)行判斷[13]。測試車位如圖9所示，模擬1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)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(dòng)后數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)至1 時(shí)，開始自動(dòng)泊車。當(dāng)1 號(hào)車位無停車時(shí)，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(dāng)1號(hào)車位有車時(shí)，小車?yán)^續(xù)前往2號(hào)車位檢測，檢測到無停車時(shí)，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(hào)車位的障礙物模擬已有停車。

圖10 1號(hào)車位測試圖

圖11 2號(hào)車位測試圖

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，結(jié)合傳感器和電機(jī)等模塊。通過設(shè)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小車自動(dòng)泊車的基本功能。隨著智能平臺(tái)的興起，本設(shè)計(jì)將在已有研究的基礎(chǔ)上，研究泊車信息的反饋通信技術(shù)以及基于移動(dòng)端的自動(dòng)泊車設(shè)計(jì)[15]，推進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。