袁子陽(yáng)，熊福力

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，西安 710055)

0 引言

在我國(guó)交通事業(yè)逐漸興起的背景下，人們對(duì)汽車的功能需求逐漸提高，如何促進(jìn)自動(dòng)泊車系統(tǒng)的高效發(fā)展，促進(jìn)其向智能化方向進(jìn)行推進(jìn)，變得尤為重要[1]。一方面，由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平與汽車數(shù)量增長(zhǎng)速度之間不匹配，汽車數(shù)量的爆炸性增長(zhǎng)使得公路、街道、停車場(chǎng)變得擁擠不堪；另一方面，越來(lái)越多的新手司機(jī)上路，加劇了這一狀況，增加了交通事故發(fā)生的概率[2]。復(fù)雜的停車環(huán)境和狹小的停車泊位，為新手駕駛員的安全停車帶來(lái)了困擾，增加了停車過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，而自動(dòng)泊車系統(tǒng)在汽車中的實(shí)際應(yīng)用很好地解決了這一難題[3]。

自動(dòng)泊車系統(tǒng)是一種通過(guò)探測(cè)車輛周圍環(huán)境信息來(lái)找到合適的泊車位，從而控制車輛的轉(zhuǎn)向、速度，使得車輛能夠自主駛?cè)氩窜囄坏南到y(tǒng)。相比于人工泊車事故率高、傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)智能度低，自動(dòng)泊車系統(tǒng)提高了車輛的智能化水平和安全性，進(jìn)一步降低了新手司機(jī)駕駛車輛的難度，也為將來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛打下基礎(chǔ)[4]。

國(guó)外汽車行業(yè)發(fā)展早，技術(shù)成熟，對(duì)自動(dòng)泊車的研究開(kāi)展的較早[5]。Cai等人[6]提出了一種在狹窄垂直停車位中停車的路徑規(guī)劃方法，根據(jù)環(huán)境感知空間和停車位大小。Shaaban等人[7]使用灰度圖像識(shí)別停車位，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控停車位是否可用從而引導(dǎo)司機(jī)將車停入車位。Hongbo等人[8]提出了一種基于軌跡規(guī)劃的自動(dòng)泊車方案，對(duì)車輛的力學(xué)模型進(jìn)行分析，建立車輛轉(zhuǎn)向模型和泊車模型。Petrov等人[9]為實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的快速控制，提出了兩種飽和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同大小的車位泊車操作。許多外國(guó)車企，如大眾、福特和別克等多種車型都紛紛搭配了自動(dòng)泊車系統(tǒng)，且技術(shù)愈發(fā)成熟[10]。

在國(guó)內(nèi)，朱鵬飛等人[11]提出了一種基于多傳感器融合的自動(dòng)泊車框架，運(yùn)用PreScan和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真，對(duì)建立的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行車位檢測(cè)從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車。邢玲玲等人[12]通過(guò)程序控制硬件模塊對(duì)周圍環(huán)境信息的采集、計(jì)算，模擬出泊車路線,最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)。葉林銓等人[13]結(jié)合了車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和避障的約束，建立最優(yōu)控制模型，采用了偽譜法來(lái)解決泊車過(guò)程中時(shí)間最優(yōu)的控制問(wèn)題。李紅等人[14]以汽車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，研究了自動(dòng)泊車的自適應(yīng)控制，提出以實(shí)時(shí)坐標(biāo)作為車身航向角補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。在Matlab下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，證明了其可行性。

學(xué)者對(duì)自動(dòng)泊車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)了較多研究，但大多數(shù)研究都基于仿真實(shí)驗(yàn)，且與實(shí)際車輛泊車過(guò)程存在一定偏差，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)與LabVIEW的自動(dòng)泊車系統(tǒng)。采用與實(shí)際車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似的汽車模型作為研究對(duì)象，利用超聲波傳感器以及霍爾編碼器測(cè)量泊車區(qū)域大小信息，依據(jù)車輛大小以及車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)模搜索符合泊車條件的車位，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序指令控制車輛自動(dòng)泊車入位，并將車輛狀態(tài)信息通過(guò)WIFI傳輸至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)界面對(duì)泊車過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，確保車輛在安全的前提下完成整個(gè)自動(dòng)泊車過(guò)程。

1 自動(dòng)泊車系統(tǒng)方案

自動(dòng)泊車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由兩大部分組成，即下位機(jī)(汽車模型)部分和上位機(jī)(PC機(jī))部分，兩部分之間采用WIFI進(jìn)行無(wú)線通信。下位機(jī)部分主要包括一些控制模塊如電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)還包括數(shù)據(jù)采集模塊如超聲波測(cè)距模塊、紅外避障模塊以及測(cè)速模塊。此外還包括與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線WIFI通信模塊。上位機(jī)部分主要包括PC機(jī)，通過(guò)LabVIEW對(duì)下位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)車位輪廓顯示、倒車軌跡繪制、障礙物報(bào)警以及車速實(shí)時(shí)顯示功能。

圖1 自動(dòng)泊車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的四輪汽車模型如圖2所示。通過(guò)舵機(jī)控制車輛前輪轉(zhuǎn)向，利用直流減速電機(jī)提供后輪驅(qū)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶霍爾編碼器，可以用來(lái)測(cè)量車輛行駛距離以及車速。車輛側(cè)面安裝的超聲波傳感器用來(lái)測(cè)量車輛與側(cè)方障礙物之間的距離，紅外傳感器用來(lái)避免車輛與前后方物體發(fā)生碰撞，無(wú)線WIFI模塊用來(lái)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

圖2 汽車模型

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件選型及總體電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)[15]作為汽車模型的主控芯片，其具有性價(jià)比高、體積小、控制能力強(qiáng)、低功耗以及易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器采用RCWL-1601，其測(cè)量周期為50 ms，相較于HC-SR04更短，同時(shí)對(duì)于棉質(zhì)及不規(guī)則物體的測(cè)量精度也優(yōu)于HC-SR04[16]。由于超聲波傳感器在測(cè)距的過(guò)程中需要關(guān)閉單片機(jī)中的系統(tǒng)中斷，以減小測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離之間的誤差。而在利用霍爾編碼器測(cè)量車輛行駛距離時(shí)，需要利用單片機(jī)的外部中斷，若關(guān)閉中斷，則會(huì)丟失關(guān)閉中斷期間霍爾編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，進(jìn)而影響到自動(dòng)泊車過(guò)程。針對(duì)該問(wèn)題，本系統(tǒng)所采用的解決方案為：使用第二個(gè)單片機(jī)作為從單片機(jī)，專門測(cè)量霍爾編碼器所產(chǎn)生的外部中斷信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)17根信號(hào)線發(fā)送至主單片機(jī)。電機(jī)選擇520編碼器直流減速電機(jī)，其具有壽命長(zhǎng)，動(dòng)力強(qiáng)勁，力矩大等優(yōu)點(diǎn)[17]。同時(shí)電機(jī)自帶AB雙向霍爾編碼器，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼器輸出390個(gè)脈沖，方便測(cè)量車速與車輛行駛距離。舵機(jī)所采用的型號(hào)為MG995，其工作扭矩為13 kg/cm，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°，可以實(shí)現(xiàn)汽車前輪的轉(zhuǎn)向。無(wú)線WIFI通信模塊采用ESP8266，其具有串口透?jìng)鞴δ?，傳輸可靠性好，最大傳輸速率?60 800 bps。紅外檢測(cè)模塊通過(guò)紅外線的發(fā)射與接收來(lái)檢測(cè)障礙物，其測(cè)量距離為2～30 cm，可通過(guò)電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體硬件電路圖

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的電機(jī)為520編碼器減速電機(jī)，其額定電壓為12 V，因此電源使用12 V充電電池組，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N，其接口說(shuō)明如表1所示。

表1 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口說(shuō)明

若使用該模塊分別控制兩個(gè)電機(jī)，則需要單獨(dú)調(diào)速以使它們的轉(zhuǎn)速相同，因此本系統(tǒng)將兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)，以使它們的電壓相同，進(jìn)而轉(zhuǎn)速相同，使用L298N的一對(duì)輸出來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)。L298N控制直流電機(jī)狀態(tài)如表2所示。

表2 L298N控制電機(jī)狀態(tài)表

2.2.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的舵機(jī)型號(hào)為MG995，其工作電壓為3.0～7.0 V，工作電流為200 mA，而單片機(jī)輸出電流為幾十毫安，無(wú)法驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，解決方案是使用一個(gè)降壓模塊給舵機(jī)單獨(dú)供電。此外，由于舵機(jī)的控制需要20 ms的周期信號(hào)[18]，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。解決方案是通過(guò)一個(gè)繼電器來(lái)控制舵機(jī)的電源，當(dāng)需要控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，首先打開(kāi)繼電器，然后再控制舵機(jī)，否則關(guān)閉繼電器。5 V繼電器模塊接口說(shuō)明如表3所示。

表3 5 V繼電器模塊接口說(shuō)明

MG995舵機(jī)的控制需要一個(gè)20 ms的周期信號(hào)，其中高電平范圍為0.5～2.5 ms，總間隔為2 ms。在這20 ms內(nèi)，高電平的占空比決定了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在20 ms內(nèi)，若高電平為1.5 ms，舵機(jī)將向90°的方向轉(zhuǎn)動(dòng)(通常稱為中立位置，對(duì)于180°舵機(jī)來(lái)說(shuō)，就是90°位置)；若高電平小于1.5 ms，舵機(jī)將向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)；若高電平大于1.5 ms，舵機(jī)將向180°方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總體流程如圖4所示，首先單片機(jī)上電后系統(tǒng)初始化。初始化完成之后電腦端連接系統(tǒng)中WIFI模塊所發(fā)出的WIFI信號(hào)，連接成功之后運(yùn)行上位機(jī)程序，與下位機(jī)建立連接。當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送自動(dòng)泊車命令后，車輛開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)泊車過(guò)程，同時(shí)每隔一段時(shí)間發(fā)送車速數(shù)據(jù)至上位機(jī)進(jìn)行顯示。自動(dòng)泊車過(guò)程開(kāi)始時(shí)首先需要搜索合適的停車區(qū)域即車位，當(dāng)搜索到合適的車位之后，系統(tǒng)開(kāi)始控制車輛自動(dòng)泊車入位，與此同時(shí)發(fā)送車位大小數(shù)據(jù)(長(zhǎng)和寬)并每隔一段時(shí)間發(fā)送車輛相對(duì)車位的位置數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)繪制車輛運(yùn)動(dòng)軌跡。在自動(dòng)泊車過(guò)程中若車輛前后方有障礙物距離過(guò)近，則車輛停止并將提示信息發(fā)送至上位機(jī)，待障礙物消失后繼續(xù)完成自動(dòng)泊車過(guò)程。

圖4 系統(tǒng)軟件總體流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集

3.2.1 超聲波傳感器測(cè)距

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離[19]。RCWL-1601超聲波傳感器工作原理如下：

1)給引腳Trig輸入一個(gè)長(zhǎng)為10～20 μs的高電平方波；

2)引腳Echo端的電平會(huì)由0變?yōu)?，此時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)；

3)當(dāng)超聲波返回被模塊接收到時(shí)，回波引腳端的電平會(huì)由1變?yōu)?；此時(shí)停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，定時(shí)器記下的這個(gè)時(shí)間即為超聲波由發(fā)射到返回的總時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果除以2即超聲波單程傳播時(shí)間；

4)根據(jù)聲音傳播速度為340 m/s，即可計(jì)算出所測(cè)的距離。

3.2.2 車輛行駛距離及車速測(cè)量

本系統(tǒng)所采用的直流減速電機(jī)自帶霍爾編碼器，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼器輸出390個(gè)脈沖。當(dāng)需要測(cè)量車輛水平位移距離時(shí)，主單片機(jī)將與從單片機(jī)所連接的一根數(shù)據(jù)線先置為低電平，以便重新開(kāi)始測(cè)量。之后延遲2 ms作為從單片機(jī)反應(yīng)時(shí)間。接著再將數(shù)據(jù)線置為高電平，再延遲2 ms，此時(shí)便可以計(jì)算車輛水平位移距離。當(dāng)從單片機(jī)檢測(cè)到高電平，便將外部中斷計(jì)數(shù)器清零，然后重新開(kāi)始計(jì)數(shù)外部中斷，車輛位移距離等于外部中斷數(shù)除以390再乘以車輪的周長(zhǎng)，從單片機(jī)將位移距離值通過(guò)8位信號(hào)線實(shí)時(shí)發(fā)送至主單片機(jī)。

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

系統(tǒng)初始化完成并與上位機(jī)建立連接之后，主單片機(jī)每隔100 ms向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，包括車速、泊車時(shí)車輛狀態(tài)、搜索的車位大小以及其他相關(guān)信息，之后上位機(jī)向單片機(jī)返回一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，具體過(guò)程如下：

第一步，單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。在單片機(jī)通過(guò)WIFI向電腦發(fā)送數(shù)據(jù)之前，每次需要發(fā)送一條AT指令即：“AT+CIPSEND=0,12 ”，12表示一次性發(fā)送的字節(jié)數(shù)，接著再發(fā)送真正有用的數(shù)據(jù)；

第二步，上位機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收的是字符串，通過(guò)LabVIEW中的字符串轉(zhuǎn)無(wú)符號(hào)字節(jié)數(shù)組VI將其轉(zhuǎn)換為數(shù)組，并通過(guò)數(shù)組索引VI，將每個(gè)數(shù)據(jù)索引出來(lái)再進(jìn)行相應(yīng)處理；

第三步，上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)接收到單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理之后，上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，不同的值代表了上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送的不同命令；

第四步，單片機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。由于單片機(jī)通過(guò)WIFI接收到的數(shù)據(jù)格式為：“+IPD,0,1:0”，其中0代表客戶的索引，1代表收到數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，而冒號(hào)后才是收到的有效數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)其有效數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

通過(guò)以上4步便完成了單片機(jī)(下位機(jī))與上位機(jī)之間一次完整的相互通信。

3.4 自動(dòng)泊車過(guò)程設(shè)計(jì)

3.4.1 最小泊車區(qū)域分析

如圖5(a)所示，當(dāng)車輛從A點(diǎn)開(kāi)始拐彎并倒車，其右后車輪運(yùn)動(dòng)軌跡為半徑為R的圓的一部分，圓心在后輪車軸延長(zhǎng)線上。前輪轉(zhuǎn)彎幅度越大，轉(zhuǎn)彎半徑R就越小。當(dāng)車輛到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡為圓的四分之一，此時(shí)車身恰好與初始位置車身垂直。

最小泊車區(qū)域是指滿足自動(dòng)泊車所需的最小區(qū)域，只有存在此區(qū)域，才能完成自動(dòng)泊車過(guò)程。其大小與車輛大小以及車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)。如圖5(b)所示，當(dāng)汽車從O處開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)泊車時(shí)，圖中灰色區(qū)域(將其分為S1和S2兩個(gè)區(qū)域)為滿足停車條件的最小泊車區(qū)域，只有存在大于等于該區(qū)域面積且形狀類似的區(qū)域才能完成自動(dòng)泊車過(guò)程。

圖5(a)車輛倒車軌跡 圖5(b) 車輛泊車軌跡

為方便研究，依據(jù)圖6定義最小泊車區(qū)域相關(guān)參數(shù)如表4。

圖6 最小泊車區(qū)域參數(shù)分析

表4 最小泊車區(qū)域相關(guān)參數(shù)

最小泊車區(qū)域相關(guān)參數(shù)與汽車本身的屬性有關(guān)，對(duì)于同一輛車，這些參數(shù)固定不變。本設(shè)計(jì)所采用的汽車模型與實(shí)際車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似，經(jīng)過(guò)測(cè)量，車長(zhǎng)l為21 cm，車寬為w為18 cm，最小轉(zhuǎn)彎半徑R為24 cm，安全距離設(shè)定s為5 cm，因此其最小泊車區(qū)域各參數(shù)計(jì)算如下(單位：cm)：

L=l+R+s=21+24+5=50

W=w+s+s=18+5+5=28

V=R=24

H=R+w+s=24+18+5=47

D=2×π×R/4=2×3.14×24÷4=37

X=l+s=21+5=26

以上是理論計(jì)算結(jié)果，但部分參數(shù)與實(shí)際情況有所偏差，例如汽車后輪與汽車后邊沿還有一定距離，汽車車輪中心與汽車兩側(cè)邊緣也有一定距離，因此需要通過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)最小泊車區(qū)域相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終參數(shù)V修正為15，參數(shù)L修正為45，參數(shù)H修正為30。

3.4.2 泊車區(qū)域測(cè)量與判斷

當(dāng)上位機(jī)發(fā)送自動(dòng)泊車命令后，將有關(guān)自動(dòng)泊車的變量進(jìn)行初始化，隨后開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)泊車。首先需要搜索符合條件的停車位。將實(shí)際泊車區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域S1和S2依次進(jìn)行測(cè)量和判斷，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的大小都滿足時(shí)，才能進(jìn)行下一步的倒車入庫(kù)操作，否則需要重新搜索滿足條件的車位。

首先測(cè)量并判斷第一個(gè)區(qū)域S1，超聲波模塊安裝在車輛右側(cè)，當(dāng)開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)泊車過(guò)程時(shí)，車輛開(kāi)始前進(jìn)，在單片機(jī)中每隔60 ms測(cè)量一次車輛右側(cè)與右方障礙物的距離。

當(dāng)超聲波測(cè)量的距離大于L，即汽車右側(cè)與車庫(kù)底部應(yīng)保持的最小距離時(shí)，表明到達(dá)了車位邊緣，此時(shí)開(kāi)始記錄車輛水平位移，并且實(shí)時(shí)判斷超聲波測(cè)量距離是否大于L且車輛水平位移小于W。當(dāng)其中一個(gè)值不滿足條件時(shí)，即超聲波測(cè)量距離小于L或汽車水平位移大于W，此時(shí)判斷超聲波測(cè)量距離是否大于L并且汽車水平位移大于W，即S1區(qū)域是否滿足要求，若滿足要求則進(jìn)行下一步測(cè)量與判斷，否則重新測(cè)量下一個(gè)車位的第一個(gè)邊緣。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)區(qū)域S1滿足時(shí)，同理，進(jìn)行下一個(gè)區(qū)域S2的測(cè)量與判斷。此時(shí)實(shí)時(shí)判斷超聲波測(cè)量距離是否大于V并且車輛水平位移小于H，當(dāng)其中一個(gè)值超出設(shè)定值時(shí)，即當(dāng)超聲波測(cè)量距離小于V或汽車水平位移大于H，此時(shí)判斷超聲波測(cè)量距離是否大于V并且汽車水平位移大于H，若成立，則表明區(qū)域S2滿足要求，此時(shí)便完成了車庫(kù)測(cè)量與判斷，并且車輛已行駛到設(shè)定位置并準(zhǔn)備下一步的倒車入庫(kù)。否則重新開(kāi)始測(cè)量并判斷區(qū)域S1與S2，其流程如圖7所示。

圖7 泊車區(qū)域測(cè)量與判斷

3.4.3 泊車入位

當(dāng)搜索到符合條件的停車區(qū)域時(shí)，車輛已行駛到指定位置，接下來(lái)便執(zhí)行泊車入位。首先打開(kāi)繼電器，然后前輪轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，開(kāi)始倒車。與此同時(shí)開(kāi)始記錄車輛右后輪轉(zhuǎn)彎弧長(zhǎng)。當(dāng)其長(zhǎng)度為D時(shí)停車，接著前輪回正并開(kāi)始向后倒車，倒車距離為X-s。至此，便完成了自動(dòng)泊車過(guò)程。

3.4.4 障礙物檢測(cè)與響應(yīng)

車輛前后方的障礙物通過(guò)紅外避障模塊來(lái)檢測(cè)，該模塊測(cè)量速度快，測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)性高，可以有效避免車輛與周圍物體發(fā)生碰撞。當(dāng)車輛前進(jìn)時(shí)，若前方有障礙物過(guò)近時(shí)，車輛會(huì)自動(dòng)停止，直到障礙物消失后繼續(xù)完成自動(dòng)泊車。同理，當(dāng)車輛倒車時(shí)，若后方有障礙物過(guò)近時(shí)，車輛也會(huì)自動(dòng)停止，直到障礙物消失后繼續(xù)完成自動(dòng)泊車。系統(tǒng)每20 ms檢測(cè)一次車輛前后方的障礙物信息。

3.5 車位及車輛倒車軌跡顯示

在搜索到滿足最小泊車區(qū)域的停車位后，主單片機(jī)向電腦發(fā)送車位大小以及車輛與車位的距離，包括車位長(zhǎng)和寬以及車輛與車位的水平距離與垂直距離。接著通過(guò)LabVIEW[20]圖形控件顯示車位與車輛，其效果如圖8(a)所示。

圖8(a)中,矩形左上角為坐標(biāo)起點(diǎn)(0, 0)，向下為y軸正方向，向右為x軸正方向。設(shè)O點(diǎn)的坐標(biāo)為(x0，y0)，則ABCDE五個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算如下(其中AB=H-W+l/2)：

A：(x0-l/2,y0-V)

B：(x0-l/2+AB,y0-V)

C：(x0-l/2+AB,y0-V-X)

D：(x0-l/2+AB+W,y0-V-X)

E：(x0-l/2+AB+W,y0-V)

F：(x0-l/2+AB+W+AB,y0-V)

完成車位顯示接下來(lái)是車輛倒車過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，其在LabVIEW中的顯示效果如圖8(b)所示。通過(guò)圖9車輛坐標(biāo)計(jì)算示意圖對(duì)abcd四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算。

圖8 車輛位置顯示示意圖

圖9 車輛坐標(biāo)計(jì)算示意圖

在圖9中，設(shè)O點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0)，則θ=α÷(2×3.14×R)×360，α為汽車右后輪轉(zhuǎn)彎弧長(zhǎng)，通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，abcd四個(gè)點(diǎn)的x軸和y軸絕對(duì)坐標(biāo)計(jì)算如下：

ax=x0+R×sin(θ)-l×cos(θ)

ay=y0-R+R×cos(θ)+l×sin(θ)

bx=ax+w×sin(θ)

by=ay+w×cos(θ)

cx=bx+l×cos(θ)

cy=by-l×sin(θ)

dx=cx-w×sin(θ)

dy=cy-w×cos(θ)

將以上公式通過(guò)LabVIEW進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)車輛位置坐標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算，LabVIEW車輛位置坐標(biāo)計(jì)算程序如圖10所示。

圖10 LabVIEW車輛位置坐標(biāo)計(jì)算程序

在LabVIEW中繪制車輛的同時(shí)還需要繪制車輛倒車軌跡，其效果如圖11(a)所示。

圖11(a)中L1和L2的繪制方式如下：

圖11 倒車軌跡顯示示意圖

根據(jù)LabVIEW中繪制弧VI的使用方法，對(duì)于L1的顯示，需要計(jì)算圖11(b)中A點(diǎn)橫坐標(biāo)、B點(diǎn)縱坐標(biāo)、C點(diǎn)橫坐標(biāo)以及D點(diǎn)縱坐標(biāo)。設(shè)D點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0)，則A點(diǎn)橫坐標(biāo)為(x0-R)，B點(diǎn)縱坐標(biāo)為(y0-2×R)，C點(diǎn)橫坐標(biāo)為(x0+R)，D點(diǎn)縱坐標(biāo)為y0，且弧L1的起始角為90°，大小為90°，根據(jù)以上信息便可繪制出指定圓弧，同時(shí)還可以設(shè)置線條的顏色和類型等。弧L2的繪制方法與L1相同，此處不再敘述。圖12為L(zhǎng)abVIEW總程序。

圖12 LabVIEW總程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照系統(tǒng)硬件電路圖對(duì)實(shí)物進(jìn)行連接并調(diào)試，其目的是排除在接線的過(guò)程中可能發(fā)生的各種錯(cuò)誤，確保硬件連接正確，確保每個(gè)接口都是正確可靠的[21]。接著與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，確保數(shù)據(jù)發(fā)送和接收正常并同步。系統(tǒng)硬件實(shí)物圖見(jiàn)圖13。

圖13 小車實(shí)物圖

在完成對(duì)系統(tǒng)的軟硬件檢查并確保無(wú)誤之后接著進(jìn)行自動(dòng)泊車實(shí)驗(yàn)。用物品模擬車位的環(huán)境，并將小車模型放至車位不遠(yuǎn)處。首先打開(kāi)小車模型的電源開(kāi)關(guān)，接著在電腦上連接小車模型發(fā)出的WIFI信號(hào)，然后打開(kāi)上位機(jī)軟件并運(yùn)行上位機(jī)程序。最后通過(guò)上位機(jī)給小車模型發(fā)送自動(dòng)泊車命令，小車開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)泊車過(guò)程。

首先是泊車區(qū)域的檢測(cè)，當(dāng)泊車區(qū)域不符合要求時(shí)，車輛繼續(xù)前進(jìn)并測(cè)量，當(dāng)找到符合要求的車位時(shí)，在電腦端等比例顯示車位和車輛等相關(guān)信息。當(dāng)車輛倒車入庫(kù)時(shí)，上位機(jī)界面進(jìn)行倒車入庫(kù)動(dòng)作的同步模擬顯示。具體過(guò)程如下：

首先檢測(cè)車位邊緣，超聲波每60 ms測(cè)量一次距離并判斷。當(dāng)檢測(cè)到車位邊緣時(shí)，開(kāi)始測(cè)量車位(即區(qū)域S1)大小，包括車位長(zhǎng)和寬。當(dāng)車位大小滿足要求時(shí)，繼續(xù)測(cè)量區(qū)域S2并判斷，否則重新開(kāi)始測(cè)量S1(見(jiàn)圖14(a)、(b))。

當(dāng)搜索到合適車位時(shí)，停止超聲波測(cè)距，此時(shí)車輛已行駛到指定位置，并準(zhǔn)備倒車(見(jiàn)圖14(c))。接著舵機(jī)(即前輪)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)并開(kāi)始倒車。此后上位機(jī)進(jìn)行倒車過(guò)程的同步模擬顯示，車庫(kù)大小、車輛大小、倒車軌跡以及車輛與車庫(kù)的位置關(guān)系都與實(shí)物成等比例(見(jiàn)圖14(d))。

當(dāng)?shù)管嚲嚯x達(dá)到設(shè)定值時(shí)，車輛已基本與車位平行，此時(shí)前輪回正，并繼續(xù)倒車。倒車距離根據(jù)車輛與車位底部的垂直距離決定(見(jiàn)圖14(e)、(f))。

圖14 自動(dòng)泊車過(guò)程

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可用看出，本設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)出符合泊車條件的停車位，控制小車完成自動(dòng)停車，并通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，最終完成整個(gè)自動(dòng)泊車過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)汽車數(shù)量逐年劇增，車輛停放空間在不斷縮小，將車輛安全的泊入車位也變得更加困難。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。本設(shè)計(jì)以汽車模型作為研究對(duì)象，通過(guò)在汽車模型上面安裝超聲波測(cè)距傳感器，電機(jī)編碼器，避障傳感器等，來(lái)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)研究車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而制定相應(yīng)的自動(dòng)泊車方案。

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用的是51單片機(jī)作為主控芯片，其單片機(jī)性能存在一定的不足之處，所采用的超聲波傳感器測(cè)量結(jié)果存在一定誤差與抖動(dòng)。未來(lái)將采用更高級(jí)的主控芯片如STM32系列，同時(shí)提高傳感器精度，不斷完善系統(tǒng)，提高自動(dòng)泊車系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。