基于STM32 和CoppeliaSim Edu 的自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

付陽(yáng)，張曉剛，許凱龍，蔡薇

（大連科技學(xué)院 交通與電氣工程學(xué)院，遼寧大連，116052）

0 引言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)不斷發(fā)展，汽車智能化的程度越來(lái)越高，并已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。隨著城市人口不斷增多，車輛數(shù)目也隨之增加，導(dǎo)致泊車環(huán)境日趨復(fù)雜，停車特別是對(duì)于新手來(lái)說(shuō)日益困難。而自動(dòng)泊車技術(shù)則發(fā)揮了重要作用，并推動(dòng)我國(guó)汽車向著智能化方向不斷邁進(jìn)[1]。在該項(xiàng)目中，以STM32 單片機(jī)為核心對(duì)小車進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出通過(guò)自動(dòng)循跡、速度控制以及傳感器測(cè)距等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車功能的小車。該系統(tǒng)通過(guò)超聲波模塊來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量其左右車輛的距離，通過(guò)圖像傳感器功能來(lái)感應(yīng)車庫(kù)線與小車的位置，并利用STM32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的驅(qū)動(dòng)控制，從而完成小車入庫(kù)、出庫(kù)的操作。最后利用CoppeliSim Edu 仿真軟件通過(guò)LUA語(yǔ)言編程進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)主控模塊、紅外避障模塊、超聲波模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。采用 STM32 單片機(jī)作為主控芯片進(jìn)行控制，運(yùn)行速度快，且支持各種主流操作系統(tǒng)。顯示屏使用 IPS 屏幕，響應(yīng)速度快，且其在抖動(dòng)時(shí)可以很好地保證畫面清晰度。電機(jī)利用三極管特性，選擇使用三極管復(fù)合的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以更好地接收 PWM 的信號(hào)控制。具體方案如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取STM32 單片機(jī)為主控核心芯片，總體電路構(gòu)成包括主控部分、紅外避障模塊、超聲波模塊、速度傳感器、藍(lán)牙或WiFi 通訊模塊、圖像處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊等構(gòu)成。其硬件核心電路圖，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件核心電路圖

2.2 超聲波模塊電路設(shè)計(jì)

超聲模塊采用HC-SR04 傳感器，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，其測(cè)距可提供2～400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm[2]。在本設(shè)計(jì)中通過(guò)使用該超聲波傳感器對(duì)小車自動(dòng)泊車進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在側(cè)方位和倒車入庫(kù)的泊車過(guò)程中更完美的泊車路徑規(guī)劃。具體超聲波模塊如圖3 所示。

圖3 超聲波模塊

2.3 舵機(jī)轉(zhuǎn)向電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的舵機(jī)工作電壓為3.0～7.0V，工作電流為200mA。由于舵機(jī)的控制需要20ms 的周期信號(hào)[3]，且轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨高電平占空比的變化而變化，即需要使用單片機(jī)中的定時(shí)器中斷來(lái)控制。而當(dāng)超聲波測(cè)距時(shí)又需要關(guān)閉系統(tǒng)中斷，以提高測(cè)量精度。具體電路如圖4 所示。

圖4 舵機(jī)轉(zhuǎn)向電路

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB6612 模塊實(shí)現(xiàn)，采用四個(gè)電機(jī)作為前進(jìn)主動(dòng)力。通過(guò)調(diào)整其中端口占空比，實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)小車加速、減速、退行和轉(zhuǎn)彎等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.5 選擇藍(lán)牙或無(wú)線WiFi 模塊電路設(shè)計(jì)

WiFi 模塊內(nèi)部集成MCU，能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間串口通信，其工作體積小，穩(wěn)定性強(qiáng)，溫度范圍大，在使用時(shí)只需將TXD 與RXD 端口與單片機(jī)的串行接收、發(fā)送端口相接即可，電源部分選擇接3.3V 作為VCC，使能端口EN 接3.3V 高電平[4]。具體電路如圖6 所示。

圖6 選擇藍(lán)牙或無(wú)線WiFi 模塊電路

2.6 單片機(jī)主控模塊

小車采用 STM32 單片機(jī)作為主控模塊，擁有主流的 Cortex 內(nèi)核，也擁有全面豐富的計(jì)數(shù)文檔和豐富的軟件包作為支持，其具有高性能、低成本以及低功耗的特點(diǎn)。芯片型號(hào)種類多，覆蓋面廣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中主要是利用CoppeliSim Edu 仿真軟件進(jìn)行仿真，并利用LUA 語(yǔ)言編程模擬實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用Lua 函數(shù)或界面可視化來(lái)操作電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃，正逆運(yùn)動(dòng)解算。該軟件能提供Matlab、C++、Python等多樣的編程接口，方便調(diào)用API 接口，支持跨平臺(tái)運(yùn)行，比如matlab、visual等，所以很適合在該項(xiàng)目中驗(yàn)證算法邏輯的可行性。

3.1 側(cè)方停車程序算法流程圖

根據(jù)停車的不同場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)收集的環(huán)境信息進(jìn)行不同的處理，并根據(jù)收集到的信息特點(diǎn)作出不同的控制電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)小車的側(cè)方泊車運(yùn)行控制。具體算法邏輯如圖7所示。

圖7 側(cè)方停車算法流程圖

3.2 倒車入庫(kù)算法流程圖

現(xiàn)實(shí)中停車場(chǎng)都有較為規(guī)范的停車線規(guī)劃，庫(kù)內(nèi)車輛擺放較為整齊，測(cè)試環(huán)境也更為簡(jiǎn)單。倒車設(shè)計(jì)通過(guò)循跡模塊和障礙物探測(cè)，綜合確定停車空間，進(jìn)而規(guī)劃停車入庫(kù)路徑。

具體算法流程圖如圖8 所示。

圖8 倒車入庫(kù)算法流程圖

3.3 提高路徑規(guī)劃的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用可視圖法來(lái)提高整體的路徑規(guī)劃。通過(guò)把小車看成一個(gè)點(diǎn)，在二維平面內(nèi)通過(guò)組合連接庫(kù)位點(diǎn)、小車和障礙物的各個(gè)頂點(diǎn)，保證小車和障礙物、庫(kù)位點(diǎn)和障礙物以及各障礙物每個(gè)頂點(diǎn)之間的連線，均不能穿越其障礙物，如此可以將直線看作是可視的，即形成可視圖?？梢晥D法通過(guò)在環(huán)境模型中提取有用障礙物的信息，并在此基礎(chǔ)上建立障礙物與子路徑相對(duì)位置的輔助頂點(diǎn)，生成可視邊的最短組合作為最優(yōu)或較優(yōu)路徑。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該方法對(duì)解決無(wú)頂點(diǎn)障礙物全局路徑規(guī)劃問(wèn)題具有較高的可行性和有效性，相較于固定四邊形包絡(luò)障礙物的可視圖法具有更優(yōu)的效果[5]。通過(guò)構(gòu)造的可視圖，可知任意兩直線的頂點(diǎn)都是可見的，所以從起點(diǎn)沿著這些直線到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的所有路徑都是運(yùn)動(dòng)物體的無(wú)碰路徑。此外，姚智龍等人的改進(jìn)Bi-RRT*算法[6]也能夠滿足避障要求和運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，而且規(guī)劃時(shí)間和路徑質(zhì)量也具有優(yōu)越性。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

基于智能汽車無(wú)人駕駛需求，設(shè)計(jì)具有自動(dòng)泊車功能的電動(dòng)車并實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，可在圖9、圖10 所示的場(chǎng)地上，分別獨(dú)立完成“倒車入庫(kù)/出庫(kù)”或“側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)”的單向操作，也可連續(xù)完成這兩項(xiàng)入庫(kù)/出庫(kù)的操作，并將測(cè)試結(jié)果記錄于表1、表2、表3 中。

圖9 側(cè)方位停車測(cè)試泊車場(chǎng)地示意與仿真圖

圖10 倒車入庫(kù)測(cè)試泊車場(chǎng)地示意與仿真圖

4.1 單向倒車入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試

如圖 10 所示，擺放在“發(fā)車區(qū) 1”內(nèi)的電動(dòng)車，在一鍵啟動(dòng)后，電動(dòng)小車開始以“右側(cè)垂直泊車方式”自動(dòng)倒車進(jìn)入圖中“庫(kù) 2 ”內(nèi)居中位置停車（詳見圖10庫(kù)區(qū)abcd，此時(shí)庫(kù) 1、庫(kù) 3 內(nèi)均停有車輛），倒車入庫(kù)時(shí)間越短越好。電動(dòng)車在庫(kù)內(nèi)停車到位 5s 后，沿車頭方向右轉(zhuǎn)出庫(kù)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 單向倒車入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 單向側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試

如圖 9 所示，一鍵啟動(dòng)擺放在“發(fā)車區(qū) 2”內(nèi)的電動(dòng)車，電動(dòng)車以“右側(cè)平行泊車方式”自動(dòng)泊入庫(kù) 5 內(nèi)居中位置停車（詳見圖9 庫(kù)區(qū) abcd，此時(shí)庫(kù) 4、庫(kù) 6 內(nèi)均停有車輛），側(cè)方入庫(kù)時(shí)間越短越好。電動(dòng)車在庫(kù)內(nèi)停車到位 5s后，沿車頭方向出庫(kù)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 單向側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 連續(xù)倒車與側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試

該測(cè)試場(chǎng)地如圖11 所示，此刻泊車場(chǎng)地中的庫(kù)1、3、4、6 內(nèi)均居中停有車輛。電動(dòng)車自圖11 中“發(fā)車區(qū)1”內(nèi)一鍵啟動(dòng)泊車，按4.1、4.2 要求，連續(xù)完成自動(dòng)道岔及側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

圖11 續(xù)倒車與側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試場(chǎng)地示意與仿真圖

表3 連續(xù)倒車與側(cè)方入庫(kù)/出庫(kù)測(cè)試數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)分別對(duì)三次情況各進(jìn)行三次測(cè)試，得出小車在單向倒車、側(cè)方入庫(kù)以及連續(xù)倒車與側(cè)方入庫(kù)時(shí)間均為15s 左右，在單向倒車、側(cè)方出庫(kù)以及連續(xù)倒車與側(cè)方出庫(kù)時(shí)間均為25s 左右。通過(guò)測(cè)試我們可以得出該系統(tǒng)的各模塊電路均能正常工作，小車的入庫(kù)/出庫(kù)時(shí)間以及數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)汽車數(shù)量逐年增加，車輛停放空間也在不斷縮小，將車輛安全地泊入車位變得更加困難。本系統(tǒng)正是基于這樣的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，目的就是解決車輛在較狹窄空間內(nèi)的泊車?yán)щy問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)泊車系統(tǒng)從而解決此問(wèn)題[7]。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的智能小車自動(dòng)泊車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其主控芯片采用的是STM32 單片機(jī)，利用CoppeliSim Edu 仿真，能夠完成自動(dòng)循跡、速度控制以及傳感器測(cè)距，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)、控制原理、路徑規(guī)劃方案以及軟件硬件的設(shè)計(jì)研究與介紹，較好實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)景下小車在側(cè)方位以及倒車的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)入庫(kù)出庫(kù)的基本功能。該項(xiàng)目為發(fā)展智能小車的自動(dòng)泊車技術(shù)提出了可行性的方案，對(duì)未來(lái)小車智能泊車的發(fā)展提供了思路參考。下一步仍需在路線規(guī)劃以及跟蹤方面不斷優(yōu)化完善，強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新，提升自動(dòng)化水平，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展。