自动泊车实验系统设计与验证

摘 要：为增进学生对无人车系统的理解，设计一款基于多传感器融合的自动泊车系统。该系统主要由控制装置、电动小车等部分组成，控制装置采用无线通讯技术，控制电动小车驶入指定空车位，并具有自动显示、语音播报计时计费功能。电动小车采用PID算法、超声波等技术，实时调整小车的运动方向和速度，精确进出停车场地；小车到达设定空车位时，能及时停车，并发出声光提示信号，并能实时检测和显示在泊车过程中碰撞隔板的次数。通过调试与测试，本系统性能稳定、数据精确。

关键词：自动泊车；单片机；超声波；PID

Abstract：An automatic parking experiment system is designed for enhancing students' understanding of the driverless vehicle system.The system is mainly composed of a control device，an electric trolley，etc.The control device uses wireless communication technology.Control the electric car into the designated empty parking space，and has an automatic display，voice broadcast timekeeping function.The electric car adopts PID algorithm，ultrasonic and other technologies to adjust the movement direction and speed of the car in real time and accurately enter and exit the parking lot.When the car arrives at the set empty parking space，it can stop in time and send a sound and light prompt signal，which can be detected and displayed in real time.The number of collisions between partitions during parking.Through debugging and testing，the system has stable performance and accurate data.

Key words：Automatic parking； Microcontroller； Ultrasound； PID

隨着人工智能技术的发展，无人车系统已经慢慢走近人们的生活，为了加强大学生对无人驾驶系统的理解和培养学生对新兴科学技术的兴趣爱好，本论文设计一套基于多传感器融合的自动泊车系统，设计了多传感器的智能车库、无人驾驶的智能小车系统，实现无人小车的自动入库。

1 系统方案论证

设计一套带智能化车库的自动泊车系统，要求小车能自动驶入指定的停车位，停车后能自动驶出，并实时记录小车与车库碰撞次数、停车时间、停车费用的信息，小车采用电机玩具小车模型代替真实汽车，该系统结构示意图如图1所示，由6个智能化车库、电动小车、控制装置等部分组成，下面分别论证几个模块的选择。

1.1 单片机最小系统方案

采用增强型8051单片机。IAP15W4K58S4单片机采用增强型的8051内核，速度比普通8051单片机快8～12倍， SRAM空间大小为4K（4096）字节；程序空间大小为58K字节，具有4组高速异步串行通信端口UART、CCP/PWM/PCA、增强型PWM等外设功能，工作频率可达到30MHz。故满足本系统控制要求，所以选择IAP15W4K58S4单片机作为单片机最小系统的控制器件。

1.2 车模选型

采用后轮单驱车模。驱动方式与多数真实汽车的驱动方式相同，具有转向系统、行驶系统、动力传动系统和传感器支架，以及悬挂、差速器等功能，故该车模更能反映实际需求。

1.3 直流电机驱动模块的论证与选择

采用TB6612电机驱动模块。TB6612芯片每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2A，相对于传统的L298N效率上提高很多，体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热。

1.4 测距传感器选型

采用超声波模块测距。超声波测距方案简单，对硬件要求不高，性能稳定频率高，应用范围广泛，测量距离线性度较好。

2 理论分析与计算

2.1 自动泊车原理分析

6个车库的自动手泊车过程主要采用超声波、PID算法、无线通信等技术，可以分为起动、入库调整、入库、出库调整、驶出停车场等5个阶段。小车采用前面和侧面的超声波传感器测量的小车与隔板之间的距离，运用PID算法控制小车的方向，依据小车的码盘控制小车前进或后退。并且小车结合经验值和超声波防碰撞技术，控制小车正确前进或者后退。

超声波测距计算公式为：

测试距离=（超声波模块输出高电平时间×声速（340m/s））/2

2.2 PID算法控制小车方向分析

小车采用侧面的超声波传感器测量的小车与隔板之间的距离x（k），通过PID算法，可以控制小车的方向，到达小车预定位置。本设计采用了位置型PID控制算法，具体算法如下：

算法中，Out（k）为输出的控制信号，S（k）为误差积累，d（k）为误差变化趋势，Kp为比例常数，Ki为积分常数，Kd为微分常数。

2.3 电动小车的设计

小车架长28.75cm，宽16.6cm，高7.0cm，底盘采用2.5mm厚的黑色玻纤板，具有较强的弹性和刚性。前轮调整方式简单，全车滚珠轴承。前后轮轴高度可调（离地间隙0.75cm/165cm），双滚珠差速。轮胎直径6.4cm，前轮宽2.7cm，后轮宽3.7cm，优质高性能发泡橡胶材料，坚固耐撞，车模见附录1。

2.4 计时、计费功能的实现

本系统采用单片机内部定时器来计小车的停车时间，计费按每30秒5元计算（未满30秒按5元收费），则charge1=（min×60+sec）/30；若有余数，则charge=5×charge1+5；若无余数，则charge=5×charge1；charge为停车费。

2.5 碰撞检测功能的实现

小车四周装有4个碰撞开关，一旦发生碰撞，即刻反馈至小车系统，进行计数，并在OLED上显示碰撞次数。

3 电路与程序设计

3.1 电路设计

3.1.1控制系統设计

控制系统由控制装置和小车系统组成，其中控制系统以控制装置MCU为控制中心，控制显示模块、语音播放模块、红外检测模块、无线发射模块等模块；小车系统以小车MCU为控制中心，控制超声波模块，电机模块，碰撞模块等模块，控制系统总体框架如图2所示。

3.1.2单片机最小系统

采用STC公司的IAP15W4K58S4单片机，该芯片具有专门的高精度PWM、5个16位定时器/计数器等丰富的片内资源，而且采用了基于Flash的在线系统编程（ISP）技术，不需要外部晶振。单片机最小系统控制电路见附录2。

3.1.3电机驱动电路

直流电机采用的是RS-540空芯杯马达，转速20000r，单片机输出PWM控制TB6612模块，驱动该电机，直流电机驱动电路如图3所示。舵机有4根输入线，两根分别为电源和地线，一根为控制线，如图3所示；舵机的控制信号是周期为20ms的PWM信号，其中脉冲宽度从0.5～2.5ms，相对应舵盘的位置为0～180度。单片机输出PWM信号控制舵机转角，从而实现小车转向。

3.1.4超声波测距模块

采用超声波模块HC-SR04进行测距，如图5所示。共使用了6个超声波模块，实现小车前后左右障碍物距离的测量，从而有效地控制小车的动作。

3.1.5语音模块

本系统创新点是采用语音播报功能，实现播报选定的停车位、停车时间、停车费等功能。采用了SYN7318中文语音交互模块，如图6所示。该模块集成了语音识别、语音合成和语音唤醒功能。

3.1.6电源管理电路

本系统采用12V电池供电，通过降电压电路模块，输出5V、3.3V电源，为各模块电路供电，如图7和图8所示。

3.2 程序设计

本系统控制装置的主程序流程如图9所示，小车的主程序流程如图10所示。小车程序中采用了RTX51操作系统，创建了时间基准、小车控制、超声波测量等多个任务，有效地控制小车进出停车场。

4 测试方案与测试结果

4.1 基本部分功能测试

（1）基本功能一测试：测试30次以上，均能点亮对应空车位的LED灯。

（2）基本功能二、三测试：测试如表1。

4.2 发挥部分功能测试

（1）发挥功能一测试：人为碰撞小车30次以上，均能在OLED上显示对应的碰撞次数。

（2）发挥功能二、三测试：测试数据如表2。

（3）发挥其它功能测试：本系统具有语音播报功能，属于创新功能。

5 结论

本系统采用超声波、PID算法、无线通信等技术，小车具有及时调整转弯角度、车速、前后位置移动等功能，能自动驶入和驶出停车场。通过测试，各项指标均达到基本部分和发挥部分要求。

参考文献：

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作者简介：张勰（1975-），女，博士，中级，研究方向：嵌入式系统与电工电子技术。