于棟，沈崢楠

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

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自動泊車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用分析

于棟，沈崢楠

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

摘 要：針對城市泊車位越來越狹小、泊車環(huán)境變得更復(fù)雜的問題，總結(jié)了國內(nèi)外自動泊車系統(tǒng)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點闡述了泊車過程中的車位檢測、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤。進(jìn)而歸納出目前自泊車系統(tǒng)存在的問題及未來發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：車位檢測；路徑規(guī)劃；自動控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.035

沈崢楠，就讀于江蘇大學(xué)汽車工程研究院，碩士生，主要研究方向為智能汽車。

項目支撐：江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目—智能泊車與EPS集成控制關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)。項目號：BY2012173

CLC NO.: U471.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-103-03

前言

自動泊車系統(tǒng)作為汽車智能化發(fā)展的一個重要研究方向，是目前國內(nèi)外汽車整車廠及汽車零部件供應(yīng)商爭相開發(fā)的技術(shù)。隨著城市人口密度、汽車車身尺寸進(jìn)一步增大，以及汽車保有量的持續(xù)增加，使得城市泊車位相對更為狹小，泊車環(huán)境更為復(fù)雜[1]。自動泊車系統(tǒng)的出現(xiàn)有助于降低停車帶來的風(fēng)險，當(dāng)啟動泊車系統(tǒng)后，駕駛員將汽車從車位一側(cè)低速駛過，系統(tǒng)會自動尋找有效車位；在車位尋找完成后提示駕駛員在指定地點停車并倒車進(jìn)入車位，系統(tǒng)在征得駕駛員同意的情況下，控制方向盤的轉(zhuǎn)動改變汽車行駛方向?qū)崿F(xiàn)自動泊車入位[2-3]。自動泊車技術(shù)的出現(xiàn)大大緩解了駕駛員泊車時的緊張程度，降低泊車難度，提高駕駛的舒適性，提高了泊車過程中的安全性。

本文對通過車位檢測、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤三個部分，對自動泊車系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧。最后提出當(dāng)前自動泊車系統(tǒng)存在的問題，并對今后的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了展望。

1、自動泊車系統(tǒng)車位檢測技術(shù)

目前，自動泊車系統(tǒng)車位檢測通常有兩種實現(xiàn)方式，一種只采用超聲波傳感器，另一種采用超聲波傳感器和圖像傳感器。

基于超聲波傳感器的檢測方法是自動泊車應(yīng)用中最為廣泛的方法。當(dāng)汽車經(jīng)過停車位時，超聲波傳感器自動檢測本車與周圍車輛的距離信息，同時根據(jù)里程計算可知檢測車位的長度是否滿足停車要求。臺灣Run Ray-Shine等通過對超聲波探頭多次探測的車位長度與實際長度進(jìn)行對比，對車位探測長度做了修正補(bǔ)償，提高了探測車位長度的準(zhǔn)確性[4]；韓國Park等利用多個不同精度的超聲波傳感器，在不同車位環(huán)境下進(jìn)行檢測并獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)果證明采用對角兩個超聲波傳感器可更快速精確獲取車位信息[5]。

隨著圖像處理技術(shù)和模式識別技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺開始被應(yīng)用于自動泊車系統(tǒng)的庫位檢測。該自動泊車系統(tǒng)在探測車位時，超聲波傳感器和圖像傳感器同時工作，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)融合，來判斷車位是否滿足停車要求。超聲波傳感器和圖像傳感器的結(jié)合，有利于提高了車位識別的準(zhǔn)確性和多樣性，符合汽車智能化發(fā)展的趨勢。英國劍橋大學(xué)Ozkul等研究了基于視覺信息的泊車系統(tǒng)，車上的中央處理器從兩個攝像頭的圖像中提取重要的輸入信息[6]；上海交通大學(xué)的甘志梅采用雙目視覺和陀螺儀，感知周圍的三維信息，探測車位和障礙物，并估測車輛自身位置[7]。文獻(xiàn)[8-10]通過里程計和連續(xù)抓拍的圖像給司機(jī)提供一張3D虛擬圖像，協(xié)助司機(jī)尋找目標(biāo)停車位。

2、自動泊車系統(tǒng)路徑規(guī)劃技術(shù)

路徑規(guī)劃指的是，中央處理器根據(jù)汽車與目標(biāo)停車位的相對位置信息，對后續(xù)泊車過程的運動路線進(jìn)行分析，規(guī)劃計算出最佳的泊車路徑。國內(nèi)外關(guān)于泊車路徑的研究較多，常見的泊車路徑可分為平行式和垂直式。

圖1為平行泊車路徑規(guī)劃示意圖，目標(biāo)停車位前后方已停有車輛,其中L1和L2分別為車位的寬度和長度，d為車身縱向中軸線與路邊車輛的距離，三段泊車路徑分別為圓弧、P1 2P段直線和圓弧。圓弧與圖中虛線相切，圓弧和的半徑R1不能小于汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin。此外，為了解決圓弧過渡不圓滑的缺陷，文獻(xiàn)[11]在兩段式圓弧泊車路徑的基礎(chǔ)上，利用貝塞爾曲線對規(guī)劃路徑中曲線的接合處做了平滑處理。文獻(xiàn)[12]采用三段式路徑規(guī)劃方法，并利用移動式小車做模擬試驗。文獻(xiàn)[13]同樣釆用類似三段式路徑規(guī)劃方法，但在點之后增加了一段直線倒車階段。三段式路徑規(guī)劃中間多了一段直線段，將轉(zhuǎn)向輪的突變分為兩次進(jìn)行，較好的緩解了兩段圓弧直接對接時轉(zhuǎn)向輪突變的問題。

圖1　兩段式泊車路徑規(guī)劃

圖2為垂直泊車路徑規(guī)劃示意圖，在垂直泊車過程中需要完成車身方向角90度的改變，并需要注意左右兩側(cè)的停車間隙，方便乘客上下車。具體泊車路徑需要完成向前后向的三步行駛，主要包括：左打向前行駛，即弧線右打向后行駛，即弧線直行倒車，即線段P3P0。

圖2　三段式泊車路徑規(guī)劃

4、自動泊車系統(tǒng)路徑跟蹤技術(shù)

自動泊車系統(tǒng)中的路徑跟蹤，是指中央處理器控制汽車轉(zhuǎn)向角和車速，引導(dǎo)汽車按照事先規(guī)劃好的路徑泊車。通常情況下，汽車泊車方式主要采取倒車行為，倒車過程為一個低速行駛的過程，速度一般不超過10km/h。因而在車輛緩慢行駛的過程中，可以默認(rèn)為沒有側(cè)向力，車輪滾動時沒有側(cè)向滑動。一般汽車均采用四個車輪，其動力學(xué)模型可以轉(zhuǎn)化為非完整鏈?zhǔn)较到y(tǒng)[14]，基于非完整鏈?zhǔn)较到y(tǒng)可以設(shè)計相應(yīng)的控制算法。但自動泊車過程具有非線性、時變、多變量等特點，很難建立起非完整鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的準(zhǔn)確模型，即使模型建立起來，相應(yīng)的控制算法也非常復(fù)雜，計算量很大，因此在實際應(yīng)用中，這種方法很難推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)[15]提出了一種非線性運動控制器，并利用李亞普諾夫直接法證明該控制器具有較好的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[16]以汽車坐標(biāo)位置誤差和車身角誤差為輸出，以前輪轉(zhuǎn)角為輸入，設(shè)計了一種模糊控制器。文獻(xiàn)[17]以前輪轉(zhuǎn)角為控制器輸出，以速度誤差為控制器輸入，設(shè)計了Fuzzy-PID控制器。文獻(xiàn)[18]以汽車后軸中心位置、車身姿態(tài)方向、車速和軌跡曲率作為輸入，以行進(jìn)方向、車速以及目標(biāo)曲率大小為輸出，并將該模糊控制器在實驗車上做了試驗。文獻(xiàn)[19]根據(jù)圖像傳感器采集的圖像信息，設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和模糊神經(jīng)混合控制器，控制前輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)自動泊車。由于市場上的汽車種類繁多，且尺寸大小各不相同，性能也各不相同，對于每一種車型，控制器的參數(shù)都需要重新標(biāo)定，設(shè)計的模糊控制規(guī)則也不盡相同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制要重新訓(xùn)練，且計算量大。因此，許多控制器的可移植性較差。

5、總結(jié)

目前市場上應(yīng)用的自動泊車系統(tǒng)智能化水平仍然較低,在車位識別方面，主流應(yīng)用的超聲波雷達(dá)傳感器測距精度低，且無法識別障礙物類型；在路徑規(guī)劃方面，以平行車位和垂直車位規(guī)劃為主，并未涉及斜車位、圓弧車位等多場景的路徑規(guī)劃；在路徑跟蹤方面，實際工程化的控制器較為簡單，復(fù)雜的跟蹤算法移植性較差。

汽車智能化、電動化、輕量化是汽車未來發(fā)展的總體趨勢。智能汽車在安全性、舒適性、環(huán)保性等方面的諸多優(yōu)勢，使其成為汽車行業(yè)研究的熱點[20]。自動泊車系統(tǒng)作為汽車智能系統(tǒng)的子部分，其未來的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下2個方面：

（1）采用多傳感器信息融合技術(shù)。目前主流應(yīng)用的自動泊車系統(tǒng)采用單一的超聲波雷達(dá)傳感器，如大眾帕薩特、日產(chǎn)天籟等，只有少量產(chǎn)品如雷克薩斯 LS460L結(jié)合了機(jī)器視覺識別車位線。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多傳感器信息融合技術(shù)在汽車上的應(yīng)用會越來越廣泛。利用超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等多傳感器的信息融合，自動選取最適合的泊車方式，不僅可以實現(xiàn)平行位、垂直位泊車，還可實現(xiàn)斜車位、圓弧位泊車，既增加了環(huán)境感知的準(zhǔn)確性和車位場景識別的多樣性，又提高了駕駛員操作的便利性和安全性。

（2）應(yīng)用無線通信技術(shù)。手持式智能裝備，如智能手機(jī)和智能手表，目前已經(jīng)越來越普及，如何實現(xiàn)手持式智能裝備與汽車之間的互聯(lián)是當(dāng)前研究的一個熱點。駕駛員利用3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)，通過智能手機(jī)（智能手表）向汽車發(fā)送泊車指令，讓汽車自動駛?cè)牖蝰偝鲕囄?，并非不可實現(xiàn)。如法雷奧最新研發(fā)的Valet Park4U系統(tǒng)，駕駛者可以將車輛停在停車場入口，通過智能手機(jī)遠(yuǎn)程啟動Valet Park4U的自動停車功能，車輛就能夠自動尋找合適的停車位，并停車入庫。

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新能源汽車

The Overview and Application Development of the Automatic Parking System

Yu Dong, Shen Zhengnan
( 1.Zhenjiang Branch of Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute in Jiangsu Province, Jiangsu Zhenjiang 212009; 2.Automotive Engineering Research Institute, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212000 )

Abstract:With the consideration of issues that the parking space is increasingly narrow in cities and parking environment becomes more complex,summarize the study and application of automatic parking system at home and abroad,focus on space detection, path planning, path tracking in the process of parking.And then sum up the current problems and the future trend of the Automatic Parking System.

Keywords:Space detection; Path planning; Path tracking

作者簡介：于棟，就職于江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院，主要從事特種車輛安全檢測技術(shù)工作。

中圖分類號：U471.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-103-03