熊 能，孫 梅

(常德職業(yè)技術學院，湖南 常德 415000)

0 引言

城市空間擁擠的停車位使泊車變得越來越困難，新手駕駛員對此往往不知所措。倘若不能一次快速準確地完成泊車入位，還會導致交通堵塞，增加汽車尾氣的排放，加重空氣污染和能源的浪費。為了使駕駛員擺脫復雜低效率的泊車操作，并且降低泊車事故率，達到節(jié)能減排的要求，現(xiàn)代化的汽車應具備智能化的自動泊車系統(tǒng)。國內外有許多學者進行了自動泊車系統(tǒng)的研究工作，提出了多種控制方法。

泊車類型通?？煞譃榇怪辈窜?、平行泊車和斜式泊車，本文研究的是垂直和平行泊車系統(tǒng)。自動泊車控制算法一般為以下兩種：(1)基于路徑規(guī)劃與跟蹤的控制方法，此方法由環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和路徑跟蹤三個部分組成，車輛檢測到目標車位后，根據(jù)車位形狀、車輛模型和避撞約束條件等，預先規(guī)劃好到達泊車終止點的路徑，然后通過控制算法跟蹤期望路徑[1,2]；黃曉峰[3]提出了一種分段式泊車軌跡決策算法，得到了同時滿足平順性和安全性的最優(yōu)泊車軌跡。(2)基于人工智能的控制方法，此方法利用模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡算法等去模擬泊車熟練的駕駛員的操作行為，將正常的泊車過程轉化為控制器的控制算法，直接通過控制汽車方向盤轉角和油門的方式，控制汽車實現(xiàn)泊車，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等；溫宗國等[4]采用了基于模糊控制的自動泊車方法，由于控制器的輸入量較多，導致控制較為復雜；劉志強等[5]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡構建駕駛員模型進行自動泊車研究，取得了較好的效果，但模型的構建較為復雜；盧俊濤[6]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡構造了泊車視覺算法，既保證了視覺準確率，也提高了視覺實時性。在泊車過程中，由于駕駛員在進行轉向操作時，需要依據(jù)車輛與四周物體的位置關系進行轉向和控制車速，復雜的泊車環(huán)境與有限的環(huán)境信息共同增加了泊車系統(tǒng)控制器的建模難度，而基于神經(jīng)網(wǎng)絡或模糊控制的泊車控制器難以精確地模擬駕駛員泊車行為，影響了泊車控制器的魯棒性。同時由于神經(jīng)網(wǎng)絡需要極大的計算量，模糊控制又沒有自學習能力，因此通過人工智能算法來實現(xiàn)實車運用還有很長的一段路要走。

本文從幾何約束的路徑規(guī)劃與跟蹤理論方面對平行和垂直泊車過程中轉向控制策略進行研究，提出一套實現(xiàn)自動平行和垂直泊車功能的軟硬件方案。該方案包括自動泊車系統(tǒng)工作原理、硬件系統(tǒng)原理、雷達探頭的布局等，可實現(xiàn)車輛平行泊入、垂直泊入、平行泊出、垂直泊出等功能，整個過程駕駛員無需操作方向盤。

1 車輛位置檢測

實際生活中的泊車情況通?？梢苑譃槿悾捍怪辈窜?、平行泊車和斜向泊車。由于超聲波傳感器只能針對物體進行測距，則泊車目標車位兩側均無障礙時便無法檢測到車位。因此本文只對有障礙的垂直車位、平行車位進行討論。本文所設計自動泊車系統(tǒng)的測量模塊通過車身四周的12個雷達探頭測量車輛周圍的環(huán)境參數(shù)，雷達探頭選用德國博世公司USS5.0近距離雷達和USS5.1遠距離雷達。4個近距離雷達分別通過安裝支架卡接在前后保險杠兩側，8個遠距離雷達分別通過安裝支架卡接在前后保險杠上，如圖1所示。

圖1 自動泊車雷達布局圖

2 路徑規(guī)劃與跟蹤

由于路徑規(guī)劃方法具有設計簡單、全局尋優(yōu)的特點，因此采用該方法能更有效的設計自動泊車系統(tǒng)。自動泊車系統(tǒng)的路徑規(guī)劃是車輛在獲取了周圍環(huán)境信息后開始的，進行路徑規(guī)劃的前提是系統(tǒng)檢測到合適車位，然后結合車輛和車位的相對位置、車輛自身運動學、車輛初始位置、道路邊界等約束條件，以車輛參考點行駛軌跡為設計對象，生成起始點至泊車終止點的路徑曲線，且路徑曲線需滿足連續(xù)、避障和易于跟蹤等條件?；诼窂揭?guī)劃與跟蹤的泊車運動控制方法，首先通過雷達掃描可停車區(qū)域，然后基于可停車區(qū)域控制器規(guī)劃可行的泊車軌跡，最后由控制器根據(jù)實時的車輛信息控制車輛方向盤及油門，制動系統(tǒng)使車輛按照預定軌跡行駛。相對于智能算法而言是比較符合目前汽車工業(yè)研究水平，并能運用于實際的控制方法。本文采用路徑規(guī)劃的方法對泊車路徑進行規(guī)劃，并通過模糊控制器進行路徑跟蹤，來設計自動泊車系統(tǒng)。該自動泊車系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 自動泊車流程示意圖

路徑規(guī)劃，首先需建立車輛的二自由度模型，計算出車輛倒車過程的最小轉彎半徑和起始點區(qū)域[7]，然后確定規(guī)劃路徑的曲線類別和車輛姿態(tài)，最后確定避障約束，即完成所需路徑規(guī)劃設計。

路徑跟蹤，首先將車輛的實際運動模型與規(guī)劃的路徑相比較，計算出位置和方向誤差；然后將位置和方向誤差輸入到模糊控制器，由模糊控制器計算出該時刻轉向角的數(shù)值；最后，由計算出的轉向角數(shù)值和速度信號共同控制車輛的運行。由此構成循環(huán)反饋。

以垂直車位的泊入為例。泊車系統(tǒng)開啟后，泊車雷達探測左右側車位，系統(tǒng)根據(jù)泊車雷達探測到的數(shù)據(jù)獲取車位信息。圖3為右側有其他車輛情況下的垂直泊車示意圖。自動泊車開始后，泊車車輛向前沿直線行駛，車輛周圍泊車雷達開始工作，不停地探測車輛與四周物體的距離；當泊車車輛經(jīng)過車輛A時，右前方傳感器測距突然變小(檢測到車輛A)，隨后增大(檢測到車位)；當泊車車輛駛離車輛A經(jīng)過車輛B時(泊車指引①位置)，右前方傳感器測距突然變小(檢測到車輛B)，隨后增大(越過車輛B)，與此同時右后方傳感器測距也變小(檢測到車輛A)；此過程檢測出泊車車位，并通過右前方雷達測量出車位寬度信息，以便路徑規(guī)劃時使用；同時也測得泊車車輛與右側車輛距離，確定是否能安全泊車。車輛泊入還需實時進行位置檢測與路徑跟蹤(泊車指引②)，并調整車輛姿態(tài)(泊車指引③)。最后完成泊入動作(泊車指引④)。在泊車過程中，所有雷達均一直處于開啟狀態(tài)，如果有物體離車太近，則自動泊車中止。

圖3 垂直車位泊入流程示意圖

3 自動泊車系統(tǒng)設計

本文所設計的自動泊車系統(tǒng)(以下簡稱PSC)狀態(tài)機原理如圖4所示，該狀態(tài)機包含以下狀態(tài)：(1)PSC_OFF：系統(tǒng)關閉，無任何模塊工作；(2)PSC_Inactive：系統(tǒng)待機狀態(tài)，電源管理及CAN收發(fā)模塊工作，其他模塊不工作；(3)PSC_Active：系統(tǒng)激活狀態(tài)，各模塊均正常工作，包括PSC_Search、POC、PSC_Guidance等狀態(tài)；(4)PSC_Search：系統(tǒng)泊入搜索車位狀態(tài)，正常搜索車位；(5)POC_Check_Environment：系統(tǒng)泊出檢測狀態(tài)，確認系統(tǒng)是否滿足泊出狀態(tài)的條件；(6)PSC_Guidance：系統(tǒng)泊車引導狀態(tài)，車位搜索完成后，指引駕駛員泊車；(7)PSC_Self_Test：系統(tǒng)自檢狀態(tài)，檢測所有雷達狀態(tài)是否正確，所有節(jié)點信號是否在線；(8)PSC_Failure：系統(tǒng)故障狀態(tài)，有雷達探頭故障或關聯(lián)節(jié)點不在線。

下面介紹自動泊車系統(tǒng)工作流程，以泊入平行車位為例：

(1)系統(tǒng)自檢(PSC_Self_Test)。在整車上電后，PSC系統(tǒng)開始自檢，自檢完成后，若系統(tǒng)未被激活，不發(fā)送自檢狀態(tài)，若系統(tǒng)被激活，則發(fā)送自檢狀態(tài)。

(2)系統(tǒng)的啟動(PSC_Actvie)。PSC自檢正常時，PSC系統(tǒng)才可以開啟系統(tǒng)，即切換狀態(tài)至PSC_Active狀態(tài)，在不同條件下，系統(tǒng)切換至對應的狀態(tài)。當車速小于25 km·h-1時，按下系統(tǒng)開關，系統(tǒng)切換至泊入搜索車位(PSC_Search)狀態(tài)。

(3)系統(tǒng)工作(PSC_active)。系統(tǒng)進入平行或垂直車位搜索狀態(tài)之后，通過轉向開關(TurnRightSwitch/ TurnLeftSwitch)選擇搜索車位的方向；在搜索車位過程中，系統(tǒng)依據(jù)對應狀態(tài)發(fā)送以下搜索車位狀態(tài)信號，用于HMI顯示。成功搜索到合適車位后后，系統(tǒng)會與EPS完成握手，并提示駕駛員控制汽車檔位及剎車，直到泊車完成。

圖4 自動泊車泊入狀態(tài)機原理圖

4 總結與展望

本文基于路徑規(guī)劃與跟蹤算法，通過對自動泊車流程和控制進行研究，設計了一種能實現(xiàn)自動平行和垂直泊車功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動搜索停車位，并輔助駕駛員完成平行、垂直車位的泊入、泊出功能，在降低建模難度和減少運算量的同時具有一定的魯棒性。