停車場(chǎng)智能泊車綜合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 曈，倪晉平，馬元鋒，姬博文,，陳 丁

(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測(cè)試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；2.西安北方光電科技防務(wù)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(chǎng)沒有過(guò)多的智能化控制，基本需要有人看管，隨著大型停車場(chǎng)越來(lái)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(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題.目前，智能化停車場(chǎng)[3]雖在不斷應(yīng)用和改進(jìn)，但依舊存在各種問(wèn)題，不能滿足用戶的需求.

近年來(lái)，各項(xiàng)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(shè)計(jì)可以完成車輛的自動(dòng)存放操作[4].陳仲堂基于原車系統(tǒng)采用單片機(jī)設(shè)計(jì)了泊車的測(cè)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(yàn)階段[5].齊學(xué)紅等設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以完成自動(dòng)泊車和自動(dòng)計(jì)費(fèi)功能[6].曾維鵬等采用無(wú)線通訊將小車和停車場(chǎng)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(jī)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(wú)法做到將小車與停車場(chǎng)完整配合，完成一系列自主停放過(guò)程.

本文將智能小車運(yùn)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(kù)的繁瑣過(guò)程.采用STC12C5A60單片機(jī)控制電路，使得機(jī)器人和停車場(chǎng)單元相互配合，集行駛、 檢測(cè)、 通訊等功能于一體.采用智能車位檢測(cè)和IC卡識(shí)別，存車時(shí)，用戶將車輛停至停車場(chǎng)入口平臺(tái)，領(lǐng)取停車卡，取車時(shí)，刷卡后等待車輛由機(jī)器人送至取車處.操作簡(jiǎn)便，效率較高，實(shí)現(xiàn)了智能化的自主停取車輛、 無(wú)人看守設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 智能泊車機(jī)器人控制系統(tǒng)

智能泊車機(jī)器人是設(shè)計(jì)方案中的核心單元，其控制系統(tǒng)主控芯片選擇單片機(jī)STC12C5A60S2[8]，該單片機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立串口，是新一代高速、 低功耗、 具有超強(qiáng)抗干擾和強(qiáng)抗靜電的8051單片機(jī)，采用其48引腳的芯片可以滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)功能的要求.除了單片機(jī)最小系統(tǒng)外，硬件電路的設(shè)計(jì)還包括電源模塊、 舵機(jī)模塊[9]、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 無(wú)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(jī)主控系統(tǒng)提供5 V直流電，開始工作時(shí)，停車場(chǎng)系統(tǒng)檢測(cè)空車位信息通過(guò)無(wú)線通訊模塊傳遞至小車，小車啟動(dòng)開始工作，到達(dá)停車平臺(tái)下方時(shí)，由信號(hào)控制舵機(jī)模塊完成對(duì)停車平臺(tái)升降的操控.小車運(yùn)行過(guò)程中，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制小車速度，使小車在循跡模塊的主導(dǎo)下，平穩(wěn)地完成將車輛送至車位或取出送達(dá)用戶處這一過(guò)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(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

停車場(chǎng)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(cè)模塊、 無(wú)線通訊模塊以及停車場(chǎng)主控模塊.為了方便設(shè)計(jì)，停車場(chǎng)的主控芯片同樣選擇單片機(jī)STC12C5A60S2.停車場(chǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示.當(dāng)用戶將車輛開至停車場(chǎng)入口平臺(tái)時(shí)，在射頻模塊的控制下取卡，入口閘機(jī)開啟[13]，車輛開入停車平臺(tái)，空車位檢測(cè)模塊開始檢測(cè)空車位信息并利用無(wú)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(shí)，刷卡顯示車輛信息，信號(hào)傳遞至智能小車，將用戶車輛從存放車位取出送至停車場(chǎng)出口，交還車主.

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

基于本文設(shè)計(jì)的智能泊車小車的研究，在停車場(chǎng)控制部分，只是簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)了停車場(chǎng)的出入口，智能小車的通訊以及信息顯示等部分.停車場(chǎng)的工作流程圖如圖 3 所示.

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

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能泊車機(jī)器人

2.1.1 底盤選擇

本設(shè)計(jì)采用履帶式路虎5底盤(如圖 4 所示)作為智能泊車機(jī)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(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、 運(yùn)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(fù)載強(qiáng)，不受地形限制，行車較為穩(wěn)定.該小車底盤齒輪測(cè)速編碼器采用霍爾傳感器，磁圈轉(zhuǎn)一圈可感應(yīng)8次，方便控制小車車速.

2.1.2 舵機(jī)選擇

常用的舵機(jī)有兩種，分別為數(shù)字舵機(jī)(Digital Servo)和模擬舵機(jī)(Analog Servo).本方案采用模擬舵機(jī)，其主要由馬達(dá)、 減速齒輪、 控制電路等組成，在空載時(shí)，沒有動(dòng)力被傳到舵機(jī)馬達(dá).當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，使舵機(jī)移動(dòng)或者舵機(jī)的搖臂受到外力作用時(shí)，舵機(jī)便會(huì)作出反應(yīng)，向舵機(jī)馬達(dá)傳動(dòng)動(dòng)力(電壓).

為了方便對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)采用金屬齒輪模擬舵機(jī)作為停車平臺(tái)的抬起機(jī)構(gòu).該舵機(jī)分別安裝在小車的四角，同時(shí)控制工作以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的抬起和落下.當(dāng)用戶將車停在平臺(tái)上后，小車循線進(jìn)入停車平臺(tái)下方，控制舵臂抬升將停車平臺(tái)撐起，當(dāng)?shù)竭_(dá)車位時(shí)，控制舵機(jī)使舵臂下降，將停車平臺(tái)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(jī)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(jī)模塊需6 V直流電源供電，無(wú)線通訊模塊需3.3 V電源供電，避繁就簡(jiǎn)且節(jié)省材料，采用一個(gè)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(shè)計(jì)中采用紅外探測(cè)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(guò)程中紅外光不斷地向地面發(fā)射，當(dāng)紅外光碰到白色紙質(zhì)地板時(shí)，會(huì)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(huì)被吸收，則接收管接收不到紅外光.單片機(jī)依據(jù)是否收到反射回來(lái)的紅外光來(lái)確定黑線的位置和小車的行駛路線.由于紅外探測(cè)器的探測(cè)距離有限，當(dāng)小車進(jìn)入循跡模式后，開始連續(xù)掃描連接探測(cè)器的單片機(jī)I/O口，一旦在I/O口中檢測(cè)到信號(hào)，便進(jìn)入判斷處理程序.首先確定哪一個(gè)探測(cè)器探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)或者第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即為小車左半部分壓到黑線，車身會(huì)向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)； 如果是右面第一級(jí)或第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，則小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn).在調(diào)整了方向后，小車會(huì)繼續(xù)向前行進(jìn)，不斷探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作.其電路設(shè)計(jì)如圖 6 所示.

設(shè)計(jì)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(zhǎng)，可靠性高，響應(yīng)速度快，靈敏度高，配合循跡模塊，可大大提高設(shè)計(jì)效率.

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

2.2 停車場(chǎng)監(jiān)控

2.2.1 車位檢測(cè)模塊

在本次設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)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(shí)，預(yù)留了8個(gè)車位信息與主控板對(duì)應(yīng)，車位檢測(cè)的原理圖如圖 7 所示.

圖 7 車位檢測(cè)原理圖Fig.7 The schematic of parking space

空車位的檢測(cè)所使用的RPR220傳感器，是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其塑料透鏡可以提高靈敏度，內(nèi)置的可見光過(guò)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(duì)車位的探測(cè)，使停車場(chǎng)在進(jìn)行車位檢測(cè)時(shí)可以快速地檢測(cè)到車位信息并將信息傳遞給小車.

2.2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)通訊模塊

圖 8 為無(wú)線通訊模塊原理圖.由SPI口接無(wú)線通訊，WIRE外接無(wú)線通訊NRF24L01.NRF24L01無(wú)線收發(fā)器包括： 頻率發(fā)生器、 增強(qiáng)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(dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為0 dBm 時(shí)電流消耗為11.3 mA ，接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低.

圖 8 無(wú)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(jī)模式.在小車行進(jìn)過(guò)程中，無(wú)線模塊可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與停車場(chǎng)控制系統(tǒng)的通訊，以識(shí)別車位，存取車輛.

3 模擬驗(yàn)證試驗(yàn)

為了更加方便地驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)并制作了微小的模擬實(shí)物來(lái)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證.采用如圖 9 所示的模擬車位規(guī)劃.

在無(wú)線通訊下，機(jī)器人開始工作，到達(dá)停車平臺(tái)，將用戶車輛送至系統(tǒng)檢測(cè)到的空車位處.機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程如圖 10, 圖 11 所示.

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可以完整地完成一系列停車、 取車過(guò)程，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(jī)器人前往停車平臺(tái)Fig.10 The schematic of robot goes to parking platform

圖 11 機(jī)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(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)實(shí)情況下停車場(chǎng)停車?yán)щy等問(wèn)題，結(jié)合智能小車提出了一種用于停車場(chǎng)的設(shè)計(jì).智能小車技術(shù)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，本文采用模擬微型實(shí)物進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出的微型實(shí)物可以實(shí)現(xiàn)完整的一系列停車，取車過(guò)程.同時(shí)，該設(shè)計(jì)也是一種新的停車?yán)砟睿粌H為高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)節(jié)約了人力和時(shí)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(lái)了方便.