陶然1，陈民广2，陈俊杰3
广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510700
摘要：本文讨论了以STM32F4为控制平台的停车场自动泊车系统的基本总体构架，以及通过运动控制系统、防碰撞系统和定位导航系统的设计，实现AGV的自动泊车。经实验证明，该系统能够准确识别车位，实时为自动泊车系统提供外部环境参数，准确高效率实现自动泊车。
关键字：STM32F4；自动泊车系统；运动控制；超声波；防碰撞；PID；UWB；二维码
0.引言
随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势，从分布情况来看，全国有近百个城市的汽车保有量超过百万辆；而另一方面，城市行驶道路和停车场已经早已不能满足当前持续上升的汽车数量的要求。
进入“十四五”时期，物联网，计算机和自动化控制等技术得到了迅速发展，自动泊车系统(以下简称“AGV”)就是信息技术与自动控制技术交叉的产物，面对当前停车难的严峻现实，近几年AGV在停车场中的应用已经成为当前无人泊车的研究热点之一。
目前自动泊车系统的设计大多是基于DSP、FPGA等的控制处理平台，系统设计复杂，价格昂贵。由于STM32较于DSP、FPGA系统设计简单，价格低廉。故而本文以停车场自动泊车系统为应用背景完成基于STM32F4控制平台的自动泊车系统的设计与应用。
1.自动泊车系统基本框架
自动泊车系统结构主要包括外部系统和内部系统两部分，外部系统包括APP小程序、oa系统、ERP系统和计费系统；内部系统则由AGV、服务器和终端三者构成，并在停车场增设超宽带，入口闸机等设备。如图1所示。AGV包括电气系统单元，机械系统单元、动力系统单元和控制系统单元；服务器系统包括调度系统单元、系统管理单元和外部接口单元；终端应用系统包括终端操作应用单元。
图1自动泊车系统结构
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2.硬件系统组成
硬件总体结构框图如图2所示。自动泊车系统的整体框架是以STM32F4为主控芯片，是整个系统的核心，AGV车在空闲车位接收到信息，STM32F4开始控制电机运转，采用双极式H型PWM脉宽调制技术，提高系统的静动态性能；同时，包括工业控制计算机、伺服电机驱动板、超声波避障雷达、深度相机、超宽带主动标签和九轴传感器实时检测和定位AGV车的运行状态，并作出相应的实时调整，以便AGV车可以托举家用车顺利进入停车位。具体的是将电机系统，各个传感器的信号处理，AGV的定位算法，电子地图以及无线通讯等功能整合在一起，是通过无线通信装置接收服务器端的任务，完成AGV的运动方向和运动速度的自主行走，同时通过无线通信装置向服务器报告自身的各个状态；将AGV控制系统实现的功能模块化，分为主控制装置，定位导航装置，行走&升举电机驱动控制装置，电源管理装置，避障装置，安全控制装置，照明控制装置，无线通信装置，遥操装置。
图2硬件总体结构框图
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3.STM32F407ZET6主控芯片介绍
STM32F407zet6属于增强型的32位ARM微控制器，该芯片是意法半导体(ST)公司出品，其内核是Cortex-M4，最高工作频率为168MHz，片内Flash的大小为1Mb；芯片集成定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART等多种外设，其中定时器17个，ADC3个，15个通信接口。此款单片机完全能够满足本项目的需求，同时，该单片机较市场上同类型的单片机具有价格低廉，性能高效强悍，方便开发的特点。总体框架如图3所示。
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图3总体框图
4.运动控制系统
AGV采用四电机驱动，每个电机驱动一个轮组，每个轮组并联两个“麦克纳姆轮”。将麦克纳姆轮用于自动泊车AGV，优势在于全向移动性强，能最大限度地缩减过道的宽度，使停车场能布置更多车位。AGV通过调整四电机正反转组合，可以实现正移动、侧移动的切换，进入停车区及进行停车均无需转弯。因此可大大缩减过道宽度。
麦克纳姆轮采用直流伺服系统进行控制，该系统由电流控制单元和速度控制单元组成，形成电流和速度双闭环控制系统，电流环位于速度环的内部，系统结构组成如图4所示，速度控制器根据期望转速与电机的实时反馈信号条件电流信号的输出，电流信号依次经过PWM和功率放大作用到电机上，控制电机转动。伺服系统的速度控制器和电流控制器均采用PID算法进行调节，在实际应用过程中需要根据实际情况对其参数进行调节。
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图4传递函数框图
5.防碰撞系统
AGV的防碰撞系统由急停开关、超声波传感器和布置在车身周围共6个超声测距探头组成。超声波传感器主要用来扫描周围环境，对障碍物进行探测。超声波主机通过CAN与STM32F4单片机板连接，占用一个CAN接口，该设备不断发出固定频率的超声波信号，当超声波与周围障碍物接触时，超声波会受到阻碍，其波长发生变化，该信息会被超声波主机所监测到，同时记录障碍物的距离和相对大小，误差在2cm到3cm之间。
6.定位导航系统
停车场内采用超宽带协同定位+二维码定位组合导航模式，停车场入口处，为实现室内外的世界坐标系的同步，采用UWB定位，并将车辆导航到地面有二维码的位置，从而将车辆引导到车位位置，如图5所示；并采用卡尔曼滤波算法对UWB异常定位数据进行过滤，通过视觉识别二维码的方式局部矫正车身姿态，实现高精度的定位。
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图5一体化定位系统图
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7.小结
停车场自动泊车系统是一个不断发展和创新的技术，本文提出基于STM32F4控制平台的自动泊车系统，对其原理，结构及其硬件设计做了充分介绍，实现方法简单，易于操作，实现了在停车场内AGV车入库出库的基本功能，为智能停车场，智慧城市的发展迈出了实质性的一步。
参考文献：
[1] 谭浩强.C程序设计[M].4版.清华大学出版社
[2] 蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机，2010，23(03):97-98
作者简介：
陶然，男，安徽芜湖市人，硕士，工程师。主要从事电力电子与电力传动方向研究
陈民广，男，广西河池人，本科，助理工程师。主要从事嵌入式软件方向研究
陈俊杰，男，广东江门人，本科，助理工程师。主要从事ROS方向研究