王 萍

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海200092)

1 自動(dòng)泊車技術(shù)發(fā)展前景良好

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為日常生活中不可缺少的一部分，但是，與此同時(shí)停車問題也成為困擾很多駕駛員的一個(gè)難題．一方面，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的帶動(dòng)下，越來越多的汽車進(jìn)入千家萬戶，這樣導(dǎo)致公路旁邊、街道兩旁、停車場(chǎng)以及居民小區(qū)等擁擠不堪，泊車空間越來越少;另一方面，越來越多的讓人學(xué)習(xí)開車，導(dǎo)致缺乏駕駛經(jīng)驗(yàn)的新手逐年增加，這樣在泊車時(shí)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致各種問題．

研究表明，在泊汽車時(shí)主要有三個(gè)方面的困難點(diǎn):一是有限的視野阻礙駕車者看清楚后方的情況，僅能通過后視鏡來觀察車尾部情況．但是后視鏡的位置和當(dāng)天的天氣狀況將會(huì)影響其發(fā)揮作用;二是通過后視鏡來觀察車尾情況，需要推理反向視角的變化，又需要常常扭頭觀察真實(shí)情況，同時(shí)還需要控制方向盤、油門和剎車等，而經(jīng)驗(yàn)較少的駕駛員對(duì)一系列的操作較為生疏，容易造成操作失誤;三是當(dāng)駕駛員遇到不熟悉的環(huán)境或者車位狹窄的情況時(shí)，泊車比較困難，尤其對(duì)于駕車新手，缺乏經(jīng)驗(yàn)技巧，或者對(duì)車型部件的靈敏度不熟悉，往往難以將汽車進(jìn)行快速準(zhǔn)確的泊位．

汽車成為當(dāng)今社會(huì)非常重要的交通工具，在人們的生活和工作中發(fā)揮著越來越重要的作用．汽車制造商意識(shí)到消費(fèi)者的需求，非常關(guān)注汽車電子的發(fā)展，并大力研究應(yīng)用車載智能感應(yīng)設(shè)備和半自動(dòng)、自動(dòng)電子控制設(shè)備．各大汽車制造商看好自動(dòng)泊車技術(shù)的應(yīng)用前景和市場(chǎng)意義，目前市場(chǎng)上裝備自動(dòng)泊車系統(tǒng)的產(chǎn)品包括:雷克薩斯的LS460、雪鐵龍的大C4畢加索、奔馳B200、沃爾沃的S60、大眾CC、途觀和新帕薩特等．

2 平行泊車過程分析

根據(jù)實(shí)際駕駛經(jīng)驗(yàn)，將平行自動(dòng)泊車過程簡(jiǎn)化如下:

(1)尋找車位和起始位

尋找一個(gè)合適的泊車位，其條件是空間要比車身長(zhǎng)度前后各長(zhǎng)出1m左右，這樣才能保證車輛可以在車位中調(diào)整位置．找到車位后，首先要調(diào)整車身與臨近障礙物的距離(根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)，一般控制在0．5～0．8m左右)，然后沿著停車位方向，使車身與停車位基本平行，即車身方向與X軸方向的夾角為0，而后前進(jìn)使得車身尾部與前方障礙物(一般為已經(jīng)停放好的車輛)基本平行，停車如圖1所示．

圖1 尋找車位和起始位

(2)掛檔倒車，朝車位方向打方向

掛倒車檔，開始倒車，朝停車位方向打方向盤，(車位在車身右邊情況時(shí)順時(shí)針打方向盤，車位在車身左邊情況時(shí)逆時(shí)針打方向盤)，低速將車往停車位方向倒入．此時(shí)車身與X軸向的夾角將逐漸加大，當(dāng)加大到大約45°時(shí)．

圖2 掛檔倒車，朝車位方向打方向

(3)朝停車位相反的方向打方向盤，倒車入庫(kù)

將車身與X軸的方向(停車位方向)成大約45°夾角時(shí)，朝著相反方向打方向盤(當(dāng)車位在車身右邊時(shí)逆時(shí)鐘打方向盤，當(dāng)車位在車身左邊時(shí)順時(shí)鐘打方向盤)，繼續(xù)往車位方向倒車，使車身與X軸方向的夾角逐漸減?。?dāng)車身回正，車輛就能進(jìn)入停車位．

圖3 朝車位反方向打方向，倒車入庫(kù)

(4)調(diào)整車位

完成了以上三個(gè)步驟以后，有時(shí)可能車身有些斜，可根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行微調(diào)，將車輛在車庫(kù)內(nèi)調(diào)正位置．

圖4 調(diào)整車位

以上對(duì)實(shí)際平行泊車過程進(jìn)行了分析，先總結(jié)如下:主要分四步，第一步驟和第四步較簡(jiǎn)單，駕駛員很容易完成;而第二和第三兩步較復(fù)雜，因?yàn)樾枰刂栖囕v的轉(zhuǎn)角大小和轉(zhuǎn)向時(shí)間．通過分析車輛低速情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可知，平行泊車過程中第二和第三步的路徑軌跡是S形軌跡．由于這段參考路徑是S形路徑，現(xiàn)在很多相關(guān)的研究會(huì)把整條路徑由兩段相切的圓弧組成．其數(shù)學(xué)建模主要的難點(diǎn)有兩點(diǎn):一是兩段圓弧半徑的選取，二是兩段圓弧相切的切點(diǎn)位置確定．

圖5 平行泊車S形路徑

圖6 S形參考路徑兩個(gè)階段

3 基于模糊控制理論的平行泊車分析

模糊控制系統(tǒng)定義為:以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成核心是智能化的模糊控制器．因?yàn)槟：壿嬁刂频姆椒ㄓ性S多優(yōu)越性，比如:可以模擬人類的思考方式、控制簡(jiǎn)單、易于理解等．近幾年，汽車行業(yè)運(yùn)用模糊邏輯控制已經(jīng)逐漸成為一種產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)，各大型汽車廠商對(duì)模糊控制的應(yīng)用表現(xiàn)出濃厚的興趣，并進(jìn)行了廣泛深入的研究和開發(fā)，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速器控制、四驅(qū)控制、ESP控制、反鎖剎車控制和有源車身彈性緩沖系統(tǒng)等．

圖7 S形參考路徑第一階段示意圖

圖8 第一階段模糊控制器設(shè)計(jì)圖

圖9 S形參考路徑第二階段示意圖

為了便于研究，在這里我先把S形參考路徑分為兩段不等半徑的圓弧組成，稱為S形參考路徑的兩個(gè)階段．

第一階段是指從初始位置So倒車到圖上點(diǎn)C位置(基本近似兩個(gè)圓弧的切點(diǎn));第二階段是指從C位置倒車到圖中點(diǎn)D位置．接下來，我們要用模糊控制理論對(duì)S形路徑的兩個(gè)階段模糊控制器進(jìn)行分析．

圖10 第二階段模糊控制器設(shè)計(jì)圖

3．1 S形路徑中對(duì)第一階段模糊控制器的分析

因?yàn)椴窜囁俣刃∮诨虻扔?km/h，假設(shè)無打滑現(xiàn)象．所以第一階段模糊控制器的輸入變量是車輛的偏向角α(這里假設(shè):取逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù))和由導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量車輛行駛的距離Li．在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，我們還假定車輛是勻速行駛的，所以輸出變量只有車輛的方向盤轉(zhuǎn)角θ，同樣取逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)，則θ的取值范圍是[－540，540]，但考慮到在第一階段的時(shí)候，車輛一直向右轉(zhuǎn)向，所以轉(zhuǎn)角取值為負(fù)數(shù)，范圍為[－540，0]，如圖7所示．

第一階段模糊控制器的輸入變量是車輛的偏向角α和車輛行駛的距離Li，其中α比較好取值，但是Li就要進(jìn)行預(yù)處理．假設(shè)在第一階段中，標(biāo)準(zhǔn)的行駛距離為L(zhǎng)c，用Lc來為行駛距離Li進(jìn)行判斷．假設(shè)車輛從始發(fā)點(diǎn)So行駛到切點(diǎn)－C點(diǎn)，并設(shè)汽車行駛過程中的當(dāng)前點(diǎn)為Si，用傳感器測(cè)量得知汽車在當(dāng)前點(diǎn)Si時(shí)，行駛的距離為L(zhǎng)i，當(dāng)前偏向角為α．由于標(biāo)準(zhǔn)的行駛距離為L(zhǎng)c，對(duì)由傳感器測(cè)量得到的輸入變量Li進(jìn)行預(yù)處理，使處理結(jié)果映射到有限的區(qū)域內(nèi)，處理結(jié)果為Di，預(yù)處理函數(shù)為:

對(duì)Li預(yù)處理后的輸入值Di取值范圍為[0，l]，車身偏向角α取值范圍為[45，90]．

總結(jié):在第一階段，模糊控制器的輸入變量為Di(傳感器測(cè)量的距離經(jīng)過預(yù)處理后的結(jié)果)，其論域?yàn)閇0，l]，車身偏向角 α，論域?yàn)閇45，90]，模糊控制器的輸出變量為車輛方向盤的轉(zhuǎn)角θ，其論域?yàn)閇－540，0]．第一階段模糊控制分析如下:

模糊控制規(guī)則是當(dāng)車輛的偏向角α和預(yù)處理結(jié)果Di都是大時(shí)，這種情況不存在，不做研究;

當(dāng)車輛的偏向角α大而預(yù)處理結(jié)果Di小時(shí)，根據(jù)實(shí)際的倒車經(jīng)驗(yàn)，這是一第一階段開始不久的情況，需要繼續(xù)增大角度轉(zhuǎn)彎行駛;

當(dāng)車輛的偏向角α小而預(yù)處理結(jié)果Di大時(shí)，結(jié)合實(shí)際的倒車經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)接近C點(diǎn)時(shí)，要減小轉(zhuǎn)彎弧度，準(zhǔn)備向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)向;

當(dāng)車輛的偏向角α和預(yù)處理結(jié)果Di都小時(shí)，此時(shí)將到達(dá)C點(diǎn)，要減小轉(zhuǎn)彎弧度，準(zhǔn)備向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)向．

第一階段模糊控制設(shè)計(jì)如圖8所示．

圖11 平行泊車流程圖

3．2 S形路徑中對(duì)第二階段模糊控制器的分析

在第二個(gè)階段的模糊控制器的輸入變量與第一階段類似，由車輛的車偏向角α(取逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù))，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量車輛行駛的距離Li，由于泊車過程中，車輛速度很慢，因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，假定車輛是勻速行駛的，所以輸出變量只有車輛的方向盤轉(zhuǎn)角θ，θ的取值范圍是[－540，540](取逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù))，但因?yàn)樵诘诙A段，車輛一直向左轉(zhuǎn)，所轉(zhuǎn)角取值為正值，范圍為[0，540]，如圖9 所示．

首先也要和第一階段一樣，對(duì)輸入變量Li進(jìn)行預(yù)處理，車輛從始發(fā)點(diǎn)到切點(diǎn)C，然后行駛到終點(diǎn)位置D點(diǎn)，設(shè)車輛行駛過程中當(dāng)前位置為Ci，通過傳感器測(cè)量得知車輛在當(dāng)前點(diǎn)Ci時(shí)的行駛距離為L(zhǎng)i，車輛的偏向角為α．假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)行駛距離為L(zhǎng)D，然后對(duì)輸入變量Li(傳感器測(cè)量得到的距離)進(jìn)行預(yù)處理，使處理結(jié)果映射到有限的區(qū)域，假設(shè)預(yù)處理結(jié)果為Di，預(yù)處理函數(shù)為:

預(yù)處理后輸入Di取值范圍為[0，1]，α取值范圍為[45，90]．

經(jīng)過預(yù)處理后，第一階段模糊控制器的輸入變量為Di(傳感器測(cè)量結(jié)果經(jīng)過預(yù)處理后的量)，其論域?yàn)閇0，1]，車身偏向角為 α，其論域?yàn)閇45，90]，輸出變量為方向盤的轉(zhuǎn)角 θ，其論域?yàn)閇0，540]．第二階段模糊控制分析如下:

當(dāng)車輛的偏向角α和預(yù)處理處理結(jié)果Di都大時(shí)，意味著車輛快到目標(biāo)位置了，此時(shí)要回正方向盤，所以要輸出較小的轉(zhuǎn)向角;

當(dāng)車輛的偏向角α大而預(yù)處理結(jié)果Di小時(shí)，這說明車輛開始運(yùn)動(dòng)不久的情況，因此要繼續(xù)大角度轉(zhuǎn)彎行駛;

當(dāng)車輛的偏向角α小而預(yù)處理處理結(jié)果Di大時(shí)，此時(shí)情況不存在;

當(dāng)車輛的偏向角α和預(yù)處理處理結(jié)果Di都小時(shí)，這是剛開始運(yùn)動(dòng)不久的情況，所以還是要繼續(xù)增大轉(zhuǎn)向角行駛車輛．

第二階段模糊控制器設(shè)計(jì)如圖10所示．

3．3 基于模糊控制理論的平行泊車系統(tǒng)流程圖

平行泊車流程圖如圖9，整個(gè)系統(tǒng)從“START”開始，駕駛員先啟動(dòng)自動(dòng)泊車系統(tǒng)，車輛在車位附近緩慢行駛，此時(shí)裝備在車頭和車尾的自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)開始工作，搜索車位．車位搜索的情況分三種，車位的前方和后方都有車輛或障礙物，只有車位前方有車輛或障礙物和只有車位后方有車輛或障礙物．如果找到合適的車位，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向泊車過程;如果沒找到合適的車位，程序返回，繼續(xù)開始找車位．

現(xiàn)在我們假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)找到合適的停車位置了，車輛停止在某個(gè)初始點(diǎn)，開始準(zhǔn)備泊車．前面的內(nèi)容已經(jīng)分析過，在這里我們把車輛泊車時(shí)的路徑分為兩個(gè)階段，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候我們也把兩段路徑分開來研究，一是為了方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和程序的編寫，二是如果在泊車過程中遇到障礙物等情況，車輛泊車終止，我們而可以從中間過程開始，不用回到原點(diǎn)重新開始．所以可以看到在這個(gè)流程圖里面，先進(jìn)行S形路徑第一階段的路線，如果途中遇到障礙物而導(dǎo)致泊車停止，系統(tǒng)返回第一階段開始時(shí)的程序，只是重新開始S形路徑第一階段的泊車過程．如果第一階段泊車完成，那么程序繼續(xù)第二階段的泊車過程．第二階段也是和第一階段一樣的，如果在泊車過程中遇到障礙物而導(dǎo)致泊車停止，系統(tǒng)返回第二階段開始時(shí)的程序，直到第二階段的結(jié)束．如果此時(shí)車輛已經(jīng)很適合地在車位里面，整個(gè)泊車過程結(jié)束．如果此時(shí)車輛還有一些歪斜等情況，駕駛員可以在車位里面進(jìn)行微調(diào)，直到車輛成功進(jìn)入車位．

4 總結(jié)

本文主要研究了在底速泊車情況下，分析平行泊車的幾個(gè)步驟，簡(jiǎn)化車輛模型和泊車步驟，抽象出泊車過程中相關(guān)參數(shù)，研究模糊控制理論，并把模糊控制應(yīng)用到平行自動(dòng)泊車系統(tǒng)中，為泊車過程中每個(gè)步驟設(shè)計(jì)輸入量、輸出量以及模糊控制規(guī)則，并設(shè)計(jì)平行泊車工作流程圖。自動(dòng)泊車技術(shù)是現(xiàn)代車輛智能化的研究熱點(diǎn)之一，一些相關(guān)的汽車消費(fèi)者研究表明，中國(guó)消費(fèi)者對(duì)自動(dòng)泊車系統(tǒng)的認(rèn)知度很高，自動(dòng)泊車系統(tǒng)在中國(guó)汽車市場(chǎng)有很好的應(yīng)用前景，很多汽車廠家在做產(chǎn)品規(guī)劃工作時(shí)都考慮了自動(dòng)泊車裝備的應(yīng)用，希望相關(guān)的研究繼續(xù)深入．

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