李社蕾，張 瀟，周望月

(三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022)

基于模糊控制的自動(dòng)泊車軌跡研究及仿真

李社蕾，張 瀟，周望月

(三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022)

平行泊車技術(shù)對(duì)駕駛?cè)藛T來說是眾多駕駛技術(shù)中比較難掌握的一種，因?yàn)樵诓窜嚨倪^程中，一方面駕駛員的視線會(huì)受到一定程度的遮擋，另一方面，在倒車過程中駕駛員既要注意規(guī)避車輛后方的障礙物，同時(shí)又要注意車的左右兩邊不能蹭到障礙物，這對(duì)駕駛員，尤其是那些駕駛技術(shù)并不熟練的駕駛員來說，確實(shí)有一定的難度。研究了輔助平行泊車的路徑規(guī)劃問題，引導(dǎo)車輛從設(shè)定位置，根據(jù)指定的點(diǎn)和線的位置，改變方向盤的轉(zhuǎn)向無碰撞地泊車入位。針對(duì)車輛的平行泊車路徑規(guī)劃問題，借助于駕校教練的泊車經(jīng)驗(yàn)，提出了一種基于模糊控制的三段式的路徑規(guī)劃方法，進(jìn)一步平滑化了泊車路徑。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性，為自動(dòng)泊車路徑的規(guī)劃提供了參考。

平行泊車；模糊控制；路徑規(guī)劃；仿真

0 引 言

對(duì)于駕駛員來說，平行泊車技術(shù)是眾多駕駛技術(shù)中比較難掌握的一種。因?yàn)樵诓窜嚨倪^程中，一方面駕駛員的視線會(huì)受到一定程度的遮擋，另一方面，在倒車過程中駕駛員既要注意規(guī)避車輛后方的障礙物，同時(shí)又要注意車的左右兩邊不能蹭到障礙物，這對(duì)駕駛員，尤其是那些駕駛技術(shù)并不熟練的駕駛員來說，確實(shí)有一定的難度。但對(duì)于從來沒有操作過車的學(xué)員，在駕校根據(jù)教練講授的方法，給出的一些點(diǎn)和線，在點(diǎn)和線的位置做出相應(yīng)的控制，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練之后，只要車速控制好就能實(shí)現(xiàn)正確泊車，并且順利通過駕駛員考試。

借助于駕校教練的泊車經(jīng)驗(yàn)，事先將車停在指定位置，開始泊車。泊車過程分為，方向盤打滿右，回正和方向盤打滿左三個(gè)階段，其間根據(jù)一些點(diǎn)和線的位置來確定方向盤的轉(zhuǎn)向，然后加入模糊控制，實(shí)現(xiàn)平行泊車進(jìn)入車位。

1 汽車動(dòng)力學(xué)模型

汽車的轉(zhuǎn)向是由地面的側(cè)向力提供的向心力，只有當(dāng)四個(gè)輪子的軸線交于一點(diǎn)時(shí)，才能保證各輪純滾動(dòng)而不滑動(dòng)。汽車設(shè)計(jì)時(shí),為了避免汽車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的路面對(duì)汽車行駛的附加阻力和輪胎的過快磨損,要求車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保證在汽車轉(zhuǎn)向時(shí),所有汽車均作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)[1]。此交點(diǎn)O稱為轉(zhuǎn)向中心。方向盤轉(zhuǎn)角確定時(shí)車輛的轉(zhuǎn)彎半徑是不變的，因此只要知道車身的位置和車身的偏角，車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡也就確定了[2]。車身上任意一點(diǎn)的軌跡均為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓,即后輪中心點(diǎn)的運(yùn)行軌跡也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓。

研究車輛行駛過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，建立車輛泊車過程的動(dòng)力學(xué)模型[3-4]，車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

其中，(xr,yr)為后輪軸中心點(diǎn)的坐標(biāo)；v為前軸中心點(diǎn)速度;l為前后輪軸距，即車輛前后輪軸中心點(diǎn)連線之間的距離;w為車身寬度；φ為前輪的Ackerman轉(zhuǎn)向角；θ為車輛中心軸與水平方向的夾角,即車身與x軸方向的夾角。在圖1所示的坐標(biāo)系中，車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用(xr,yr,θ)表示，直接控制輸出量為φ。完成平行泊車時(shí)應(yīng)有φ=0(或接近零度角)[5-8]。

由后軸中心點(diǎn)坐標(biāo)(xr,yr),車輛車身四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)為[9-12]：

(1)

(2)

(3)

(4)

文中選擇一款轎車整車參數(shù)建立了汽車模型,該款車的部分參數(shù)為:車長4.3m,車寬1.735m,軸距2.465m,后懸0.944m,最小轉(zhuǎn)彎半徑5.2m。實(shí)際仿真過程中，取車長4.3m,車寬1.74m,軸距2.5m,后懸0.944m,最小轉(zhuǎn)彎半徑5.2m。

2 入庫過程路徑規(guī)劃

根據(jù)教練的經(jīng)驗(yàn)，平行泊車的步驟如下：

(1)將車停在車位和下一車位的后邊線對(duì)齊，與其外邊線的距離為0.5m左右。

(2)方向盤右打死，行駛到左側(cè)后視鏡看到泊車位的右后角位置；此時(shí)，由圖2可知：

(5)

(6)

其中,車位寬2.5m,車與車位間距0.5m,車寬1.74m,a=車位長(7m)+后懸長(0.944m)=7.944m；R為后軸外半徑。

由式(5)和式(6)可求得θ=36.316 8°。

(3)方向盤回正，行駛到左后車輪接近車位的外邊線。

(4)方向盤左打死，至車身與兩側(cè)邊線平行，回正車輪，停車。

整個(gè)泊車過程如圖2～4所示。

圖2 左側(cè)后視鏡看到泊車位的右后角位置

圖3 行駛到左后輪壓線的位置

3 平行泊車模糊控制器的設(shè)計(jì)

綜合控制精度和響應(yīng)速度兩方面考慮,在保證控制精度的前提下[13-14],選取后輪中心點(diǎn)的坐標(biāo)xr,yr以及θ為模糊控制器的輸入,deta_theta為模糊控制器的輸出量。設(shè)定輸入量x和y的模糊集合數(shù)都為4,S

圖4 方向盤左打死入庫回正

(小)、LB(較大)、B(大)、VB(非常大)；設(shè)定輸入量θ的模糊集合數(shù)為3,N(負(fù))、Z(零)、P(正)；設(shè)定輸出量deta_theta的模糊集合數(shù)為7,NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。x的范圍為[0,800]，y的范圍為[0，400]，θ的范圍為[-45°,45°]，輸出變量deta_theta的范圍為[-45°,45°]。

文中采用的隸屬度函數(shù)如圖5所示。

(a)輸入量y的隸屬度函數(shù)

(b)輸入量θ的隸屬度函數(shù)

(c)輸入量x的隸屬度函數(shù)

(d)輸出量deta_theta的隸屬度函數(shù)

表1是在總結(jié)教練的平行泊車經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的模糊規(guī)則(分析汽車在泊車位右側(cè)的情況)。當(dāng)汽車x和y都為VB，還沒有進(jìn)入停車位，如果θ為零，則保持車身方向不變，繼續(xù)到車，如果θ為負(fù)，則快速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，如果θ為正，則穩(wěn)定方向盤，繼續(xù)倒車；當(dāng)x和y為B時(shí)，如果θ角為正，快速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，如果為θ零，則穩(wěn)定方向盤，繼續(xù)倒車，如果θ角為負(fù)，快速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤；當(dāng)x和y為LB，如果θ為零，快速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，如果θ為正，快速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，如果θ為負(fù)，則穩(wěn)定方向盤，繼續(xù)倒車；當(dāng)x和y為S時(shí)，如果θ為正，快速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，如果θ為負(fù)，則快速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，如果θ為零，回正車輪停車，泊車成功。

表1 平行泊車模糊控制器的模糊規(guī)則集

4 仿真結(jié)果

車型選擇小轎車,車位長度為7m,車位寬度為2.5m,對(duì)車輛平行泊車的過程進(jìn)行仿真。待泊車輛的車寬為1.74m,車長為4.3m,最小轉(zhuǎn)彎半徑為5.2m,車的起始位置與車位外邊線平行,距離用D1表示,車尾與前一車位的后邊線距離用D2表示(超過為正，未達(dá)到為負(fù))。

根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在Matlab中搭建停車位、汽車等仿真環(huán)境，將模糊控制器引入該系統(tǒng)，模擬汽車以5km/h的車速的平行泊車過程。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 泊車過程仿真

從圖6可以看到,在模糊控制下,如果將初始位置調(diào)整到距車位距離0.5～1.5m，車尾和下一車位的后邊線的前0.8m和后0.8m的范圍內(nèi)，汽車都可以無摩擦地實(shí)現(xiàn)良好泊車，并擺正車身。經(jīng)過對(duì)圖6分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)D2為零時(shí)，D1越大，路面要求越寬；當(dāng)D2為正且較大時(shí)，D1小于1m容易與車位內(nèi)邊線摩擦；當(dāng)D2為負(fù)且較大時(shí)，D1過小，容易與車位后邊線摩擦。

5 結(jié)束語

基于三段式泊車方法，進(jìn)行輔助平行泊車路徑的規(guī)劃。從理論上驗(yàn)證了方案的可行性，并加入模糊控制算法。仿真結(jié)果表明：汽車初始位置在一定范圍內(nèi)，車位的長度大于車長的1.39倍，均可以實(shí)現(xiàn)無摩擦的良好泊車，可以擴(kuò)展到不同車型和車位的情況，為智能泊車系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考，同時(shí)為駕駛員控制泊車過程提供了理論依據(jù)。

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Simulation and Study of Automatic Parallel Parking Path Based on Fuzzy Control

LI She-lei，ZHANG Xiao，ZHOU Wang-yue

(Polytechnical School of Sanya College,Sanya 572022,China)

Parallel parking skill for driver is difficult to master.Because in the process of parking,the driver’s line of sight will be blocked by a certain degree.On the other hand,in the process of reversing,the driver should not only pay attention to avoid the obstacles in the rear of the vehicle,and at the same time,attention should be paid to the right and left sides of the car can’t touch the obstacles.The drivers,especially those unskilled,do have some difficulty.The path planning problem of auxiliary parallel parking is studied,which is to guide the vehicle from the set position,according to the location of specified point and line,turning the steering wheel and parking into the place without collision.With the help of parking experience for the driving coaches,a three-step path planning method is proposed based on fuzzy control,further smoothing the parking path.The simulation results demonstrate the validity and practicality of the proposed method,and provide a reference for the automatic parking path planning.

parallel parking;fuzzy control;path planning;simulation

2015-10-26

2016-03-03

時(shí)間：2017-01-10

海南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201513892009)

李社蕾(1979-)，女，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芩惴ā?/p>

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1010.034.html

TP391.9

A

1673-629X(2017)02-0163-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.037