基于單片機的智能小車泊車系統(tǒng)設(shè)計

史旭飛　張兵　張艷軍　王維福　李春林

摘? 要：隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，汽車逐漸朝著安全、智能方向發(fā)展，智能泊車系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅能幫助人們更加快速、安全地完成泊車操作，而且適用于狹小空間的泊車操作，降低駕駛員泊車負(fù)擔(dān)，減輕泊車交通事故發(fā)生率。文章基于單片機設(shè)計自動泊車系統(tǒng)，以單片機為核心來實現(xiàn)信息收集及處理，并控制電機模塊做出相應(yīng)的駕駛行為，實現(xiàn)小車的自動駕駛和入庫，解決人們的泊車難題。

關(guān)鍵詞：單片機;智能;泊車

中圖分類號：TP368 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0164-03

Design of Intelligent Car Parking System Based on Single-chip Microcomputer

SHI Xufei， ZHANG Bing， ZHANG Yanjun， WANG Weifu， LI Chunlin

（Xuanhua Vocational College of Science & Technology， Zhangjiakou? 075100， China）

Abstract： With the progress of information technology， cars are gradually developing towards safety and intelligence. The emergence of intelligent parking system can not only help people complete parking operation more quickly and safely， but also apply to parking operation in narrow space， reduce the parking burden of drivers and reduce the incidence of parking accidents. This paper designs the automatic parking system based on the single-chip microcomputer， takes the single-chip microcomputer as the core to realize the information collection and processing， controls the motor module to make the corresponding driving behavior， realizes the automatic driving and warehousing of the car， and solves peoples parking difficult problems.

Keywords： single-chip microcomputer; intelligence; parking

0? 引? 言

隨著我國汽車保有量逐年增多，城市中泊車環(huán)境日益復(fù)雜，給駕駛?cè)藥砹溯^多的煩惱，加重了人們的泊車負(fù)擔(dān)，針對這一問題，文章設(shè)計一款基于單片機的小車泊車系統(tǒng)，能夠通過單片機控制來實現(xiàn)小車的自動駕駛和停車入庫，幫助駕駛員更加快速、安全地完成泊車操作，系統(tǒng)包括信息收集模塊、信息處理模塊和控制模塊，能夠通過路徑數(shù)據(jù)收集、空余車位定位、規(guī)劃行駛路線、倒車入庫等功能實現(xiàn)小車自動泊車。

1? 智能小車泊車系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由車位管理裝置、智能小車裝置組成，兩個結(jié)構(gòu)的核心控制裝置皆為單片機。

1.1? 車位管理裝置

當(dāng)小車發(fā)出泊車需求時，車位管理裝置會通過無線通信發(fā)送空余車位信息，并根據(jù)停車場分布規(guī)劃最佳路線，借助電磁引導(dǎo)裝置指引小車入庫，由出入庫傳感器來顯示車位當(dāng)前狀態(tài)，調(diào)整車位指示燈。

1.2? 智能小車裝置

智能小車裝置主要由電機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、紅外尋跡模塊、避障模塊、轉(zhuǎn)向模塊、顯示器模塊等組成，以單片機作為控制核心，借助紅外尋跡模塊來探查路線，超聲波模塊來探測距離，用電機驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)向模塊來進(jìn)行速度變化和轉(zhuǎn)向，最后實現(xiàn)自動泊車，顯示器模塊記錄泊車軌跡和運行畫面。具體如圖1所示。

2? 基于單片機的智能小車泊車系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 單片機主控模塊

本系統(tǒng)采用SYC89C52單片機，該機片具有功耗低、性能強、兼容性高等特點，相比于其他單片機更易進(jìn)行編程設(shè)計，靈活性高、處理效率快，且最小系統(tǒng)簡單可靠，只需要接上時間電路和復(fù)位電路即可，不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)性價比，還能最大程度適用于智能小車泊車環(huán)境。選取SYC89C52單片機為控制核心具有顯著的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)屬性。

2.2? 電機驅(qū)動模塊

小車的自動行駛需要電機的驅(qū)動，單片機借助路徑信息發(fā)出驅(qū)動指令，控制電機的轉(zhuǎn)速和舵機轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)小車的智能運動，確保小車始終按照計劃引線行駛，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機驅(qū)動，電機的快慢取決于電脈沖信號的頻率，更便于單片機的控制程度，在電路設(shè)計上，為避免因電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的反向電動勢影響傳感器的信息輸出，影響小車的指令執(zhí)行，將傳感器和芯片設(shè)計為共用電源，電機專用一組電源，采用兩組電源供電，在信息傳輸中采用4N52光耦電路來隔離。

2.3? 紅外遁跡模塊

紅外遁跡模塊采用的是紅外探測法，利用紅外線對不同顏色的物體表面反射出不同特征信息，在小車自動泊車中采用左右兩側(cè)循跡黑線的方法，小車在開始自動泊車后，會開始發(fā)射紅外線進(jìn)行循跡，在自動形式中會不斷接收紅外線的回傳信息，當(dāng)左右兩側(cè)都遇到黑色，不發(fā)射紅外線，電平輸出為高電平;當(dāng)遇到白色地面，紅外線發(fā)射回來，輸出為低電平，單片機根據(jù)小車在行駛過程中電平的變化來判斷小車的路線，并借助避障模塊來實現(xiàn)自動循跡。當(dāng)左邊紅外線遇到黑線，右側(cè)紅外線反饋為低電平白色，則左側(cè)指示燈熄滅，小車左轉(zhuǎn);同理右邊紅外線反饋為低電平白色，右側(cè)檢測黑線，右側(cè)指示燈熄滅，小車右轉(zhuǎn);當(dāng)兩邊檢測都為路面黑線時，小車前行，當(dāng)兩邊檢測為白色時小車停車。

2.4? 超聲波模塊

超聲波模塊的核心功能是測距和避障，超聲波具有頻率高、穩(wěn)定性強、能力集中的特點，在測距使用中不會受到其他光線干擾，適用于小車自動泊車系統(tǒng)。超聲波傳感器主要由三部分組成：控制部分、總線部分、超聲波發(fā)射接收部分。主控芯片通過I/O口發(fā)送信號，通過總線發(fā)送到兩個發(fā)生電路中，控制著兩個超聲波的發(fā)射，然后再由兩個信號接收電路對接收超聲波信號進(jìn)行放大，最后通過總線傳送到主控芯片的輸入端口，然后根據(jù)發(fā)射接收時間差T，計算出傳感器與障礙物之間的距離，最后根據(jù)距離對小車的行駛安全性進(jìn)行判斷，并做出相應(yīng)駕駛動作，在避障功能應(yīng)用中，可以計算超聲波發(fā)射遇到障礙物的反射時間，結(jié)合當(dāng)前小車時速，最后得出小車與障礙物的距離，便于單片機及時控制小車的轉(zhuǎn)向和調(diào)速。為提高超聲波測距的精度，本文采用的超聲波測距返回的信息是時間，再根據(jù)時間公式計算距離，探測指令順序為：IIC地址、寄存器、數(shù)據(jù)指令、檢測指令是否為高頻、接受16位IIC數(shù)據(jù)。

2.5? 避障模塊

避障模塊設(shè)置可采用超聲波、紅外反射、激光。超聲波模塊具有頻率高、光線強、穩(wěn)定性高、不易受到其他關(guān)系影響的優(yōu)勢，但受限于角度干擾;紅外發(fā)射傳感器周期短、控制效果好，但檢測距離小、電路設(shè)計復(fù)雜、精準(zhǔn)度較低;激光相比于兩組優(yōu)劣勢更加均衡，聲波效果較為靈敏和準(zhǔn)確，也不易受到外界光線干擾，能實現(xiàn)特定角度避障。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能小車觸發(fā)自動泊車需求后，軟件進(jìn)行初始化，首先車位管理裝置通過無線通信發(fā)出空余車位信息，其次啟動驅(qū)動模塊控制智能小車的行駛速度，借助紅外線遁跡模塊來進(jìn)行導(dǎo)線行駛，然后通過超聲波模塊及避障模塊進(jìn)行路線駕駛，轉(zhuǎn)彎動作借助轉(zhuǎn)向裝置實現(xiàn)，最后按路徑完成泊車，車位管理裝置接收小車停入信號，整體流程如圖2所示。在避障模塊上，如圖3所示，小車智能行駛借助紅外遁跡模塊發(fā)現(xiàn)障礙物，并借助超聲波模塊進(jìn)行距離檢測，通過雷達(dá)激光發(fā)射光線來判斷障礙物情況，最后通過轉(zhuǎn)向裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

4? 測試與模擬

本文選擇模擬車庫進(jìn)行系統(tǒng)測試。

4.1? 測試小車選型和車庫布置

4.1.1? 小車選型及配置裝設(shè)

小車分別裝設(shè)四個車輪，借助單片機為核心，結(jié)合電機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、避障模塊等實現(xiàn)智能小車的路線規(guī)劃、行駛避障、檢測、自動泊車等功能。

首先在小車頭部安裝3根光敏三極管，借助車位管理裝置發(fā)射的光源信息來進(jìn)行路徑規(guī)劃，并在四周配備紅外檢測模塊，前面裝設(shè)超聲波模塊，便于及時反饋路線信息和障礙物信息，借助單片機控制步進(jìn)電機對小車進(jìn)行速度調(diào)整及轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)尋光、避障、停車目的。

其次，在傳感器的位置設(shè)計上，在現(xiàn)實中針對不同的車型，傳感器的位置選擇需要結(jié)合小車的造型特征和美觀設(shè)計選擇，在實驗小車上，傳感器的設(shè)置是為了提高信息傳輸效率和精準(zhǔn)性。

在具體泊車過程中，如圖4所示，實驗小車車頭和尾部的超聲波傳感器主要是為了探測泊車位前后車輛距離，避免在轉(zhuǎn)向、入庫的過程中發(fā)生碰撞。側(cè)面超聲波傳感器主要用于對泊車位距離的探測和泊車過程中與前面車的距離的探測。

圖4? 具體泊車過程

其中，避障程序關(guān)鍵代碼為：

>def control car（actionnum）：

“””out put the char and call carcontrol（we used before）”””

If action num==0：

print（“Left”）

carcontrol.carturnleft（）

time.sleep（0.25）

elif actionnum==1：

print（“Right”）

carcontrol.carturnright（）

time.sleep（0.25）

elif actionnum==2：

carcontrol.carmoveforward（）

print（‘Forward）

elif actionnum==3：

carcontrol.carmovebackward（）

print（Backward）

else：

carcontrol.carstop（）

print（‘Stop）

編碼器。編碼器可以精準(zhǔn)的測試出小車的行駛速度，便于單片機借助步進(jìn)驅(qū)動機進(jìn)行速度的控制，同時編碼器也能夠有效地計算出實驗小車中每個階段的位移，實驗小車也能夠通過編輯器計數(shù)累計獲得完成泊車的位移量。

陀螺儀。主要為了在泊車過程中探測小車的角度信息，實現(xiàn)實驗小車精準(zhǔn)有效轉(zhuǎn)向，提高泊車效率。

4.1.2? 車庫布置

智能車庫布置分為一個下坡區(qū)和四個光源目標(biāo)車庫，每個車位配置LED和光源傳感器。光源傳感器能夠發(fā)射車位信息，為智能實驗小車提供路徑導(dǎo)向。如圖5所示。

4.2? 測試過程

為保障小車泊車的安全性，本文在自動泊車測試中采用的是模擬實驗，如圖5所示，開始泊車，智能小車獲取車庫2光源指示燈信號，開啟紅外遁跡規(guī)劃行駛路線，在下坡階段由編碼器輸送數(shù)據(jù)，單片機通過調(diào)整步進(jìn)電動機頻率來控制車速，行至目標(biāo)車位位置，開始自動泊車入庫。圖6為小車入庫示意圖，首先，實驗小車右側(cè)傳感器探查到發(fā)射信息，單片機向轉(zhuǎn)向裝置發(fā)出轉(zhuǎn)向指令，控制小車進(jìn)行右轉(zhuǎn)向行駛。其次待避障裝置傳感器發(fā)出碰撞信息示警，然后單片機根據(jù)超聲波模塊探測距離信息，發(fā)布新的轉(zhuǎn)向指令，借助陀螺儀來提高轉(zhuǎn)向的位移精準(zhǔn)度，最后實現(xiàn)最終入庫。

4.3? 測試結(jié)果

借助車位管理裝置的出入庫感應(yīng)器和指示燈記錄每次試驗小車不通過車位的入庫成功率，經(jīng)過反復(fù)試驗，最后得出小車均能正確找到目標(biāo)車位，完成自動泊車行為。

4.4? 試驗反思

在實驗小車自動泊車中無法考慮到小車各個功能裝置的耦合性，并且在實際泊車中，泊車環(huán)境和實驗泊車環(huán)境會產(chǎn)生一定的運動誤差，其中包括陀螺儀對于轉(zhuǎn)向位移的精準(zhǔn)把控、傳感器的誤差、攝像頭的精度等。因此，在實際智能小車自動泊車中需要充分考慮到機械振動、器件耦合性等因素。

5? 結(jié)? 論

本智能小車泊車系統(tǒng)以單片機為核心，利用電機驅(qū)動模塊、紅外遁跡模塊、超聲波模塊、避障模塊構(gòu)建智能小車控制裝置系統(tǒng)，并配合車位控制裝置系統(tǒng)來實現(xiàn)小車的循跡行駛、自動避障、自動泊車，經(jīng)過模擬實驗，發(fā)現(xiàn)智能小車能夠更實現(xiàn)軟件設(shè)計運行軌跡，實現(xiàn)自動入庫操作。

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作者簡介：史旭飛（1995.01—），男，漢族，河北蠡縣人，碩士研究生，教師，研究方向：機電一體化。