高成舟　戚曉利

摘 要：全球汽車(chē)保有量的增多，直接造成城市交通的擁堵以及停車(chē)位空間的減小。隨之而來(lái)的就是泊車(chē)安全性問(wèn)題，新手駕駛員或疲勞駕駛?cè)藛T如何能在不發(fā)生碰撞的情況下，快速安全地泊車(chē)入庫(kù)，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文將對(duì)全自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)展開(kāi)研究。基于B樣條曲線設(shè)計(jì)出泊車(chē)路徑，基于滑模變結(jié)構(gòu)與預(yù)瞄方式進(jìn)行泊車(chē)路徑的跟蹤。最后通過(guò)搭建SIMULINK與CARSIM仿真模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)泊車(chē) 路徑規(guī)劃 模糊理論 聯(lián)合仿真

從關(guān)鍵技術(shù)的角度而言，車(chē)位檢測(cè)、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制成為國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)。對(duì)于路徑規(guī)劃的研究，主要有三種路徑規(guī)劃方式：文獻(xiàn)[1]采用模糊控制的策略、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了來(lái)回多段移動(dòng)式的泊車(chē)路徑規(guī)劃方法;文獻(xiàn)[2]提出了基于B樣條曲線、五次多項(xiàng)式曲線、貝塞爾曲線等曲率連續(xù)的泊車(chē)路徑規(guī)劃方法;文獻(xiàn)[3]提出了由圓弧和直線組成的曲率不連續(xù)的泊車(chē)路徑規(guī)劃方法。基于模糊控制策略、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃的方法，在泊車(chē)過(guò)程中不需要停車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，但是計(jì)算量較大;基于曲率連續(xù)的路徑規(guī)劃，對(duì)車(chē)速的控制要求高，文獻(xiàn)[4]中采用B樣條曲線設(shè)計(jì)泊車(chē)路徑，雖實(shí)現(xiàn)曲率的連續(xù)性，但是未考慮方向盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)跟蹤效果的影響和車(chē)速的控制;基于曲率不連續(xù)的路徑規(guī)劃，特別是兩段式泊車(chē)路徑規(guī)劃方法計(jì)算量小，但是泊車(chē)連貫性低。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制，由于泊車(chē)的起始位置相對(duì)單一，車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)速的波動(dòng)，泊車(chē)終止位置范圍未進(jìn)行明確定義，目前的控制算法還存在很多不足。文獻(xiàn)[5]中以滑動(dòng)轉(zhuǎn)向的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，針對(duì)不同泊車(chē)階段分別設(shè)計(jì)出不同的模糊邏輯控制方法。

針對(duì)上述出現(xiàn)的問(wèn)題，本文基于B樣條曲線設(shè)計(jì)出泊車(chē)路徑，基于滑模變結(jié)構(gòu)與預(yù)瞄方式進(jìn)行泊車(chē)路徑的跟蹤。最后通過(guò)搭建SIMULINK與CARSIM仿真模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。

1 基于B樣條理論的路徑規(guī)劃

1.1 B樣條理論基礎(chǔ)

B樣曲線是針對(duì)貝塞爾曲線存在的不足，Gordon等人用n次B樣條基函數(shù)改進(jìn)了其不足之處，通過(guò)改進(jìn)后構(gòu)造出B樣條曲線。相比之下，B樣條曲線具有貝塞爾曲線所不具備的局部調(diào)整等優(yōu)勢(shì)。B樣條曲線被推廣到用于多階平滑的泊車(chē)路徑規(guī)劃中，且通過(guò)控制點(diǎn)變量可對(duì)曲線進(jìn)行局部調(diào)整。調(diào)整階次來(lái)控制所規(guī)劃的泊車(chē)路徑的平滑度，調(diào)整控制點(diǎn)以此來(lái)改變路徑的形狀變化。

1.2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃問(wèn)題可以描述為自行車(chē)輛自動(dòng)檢測(cè)停車(chē)位后，尋找出來(lái)的一條滿足多個(gè)約束的路徑曲線。路徑曲線需要滿足如下的幾個(gè)約束：①泊車(chē)安全性問(wèn)題②車(chē)輛可跟蹤性，即滿足車(chē)輛角約束、角速度約束，使得車(chē)輛更具有跟蹤性;③避免原地轉(zhuǎn)向的發(fā)生;④泊車(chē)結(jié)束后車(chē)倆個(gè)的規(guī)范停放。

本文以平行泊車(chē)為例，分析其碰撞約束條件、車(chē)輛參數(shù)約束、車(chē)輛性能約束、停車(chē)規(guī)范約束，基于B樣條理論規(guī)劃出滿足多約束的泊車(chē)路徑。泊車(chē)路徑如下圖1所示。

由下圖可知，車(chē)輛在該工況下，從起始位置（8.35，1.24）泊入到目標(biāo)位置（0.85，0），自行車(chē)輛與周?chē)恼系K車(chē)輛不會(huì)發(fā)生碰撞，因此，基于B樣條理論的多階路徑可以滿足避障約束。

2 聯(lián)合仿真

2.1 SIMULINK模型搭建

Carsim具有良好的擴(kuò)展性，可以與Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，通過(guò)上一章節(jié)設(shè)計(jì)的泊車(chē)模型，結(jié)合自行車(chē)輛的檢測(cè)部分的相關(guān)模塊與Carsim S-Function，搭建出滿足本文所設(shè)計(jì)的泊車(chē)系統(tǒng)要求的一個(gè)聯(lián)合仿真模塊，如下圖2所示。

2.2 CARSIM模型搭建

本次將用Carsim與Simulink聯(lián)合搭建測(cè)試環(huán)境，車(chē)輛的基本參數(shù)選擇如下：選擇F-Class車(chē)型，長(zhǎng)寬高分別為4647mm，1810mm，1468mm，前置前驅(qū)，最大功率125KW，其他參數(shù)默認(rèn)選擇;車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)置分別為：車(chē)速-3km/h、誤差±0.3km/h、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)制動(dòng)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下處于倒擋模式、其它相關(guān)參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值;測(cè)試場(chǎng)景的參數(shù)設(shè)置為：1200m單車(chē)道場(chǎng)景與200m Light Grass、0.8摩擦系數(shù)、自行車(chē)輛與障礙車(chē)輛的車(chē)型選擇均為F-Class車(chē)型、障礙車(chē)輛的尺寸默認(rèn)，有效車(chē)位的大小為7.5m×2.5m，其它參數(shù)均為默認(rèn)值。如下圖3所示。

2.3 仿真試驗(yàn)

通過(guò)Carsim與Simulink聯(lián)合搭建的軟件在環(huán)實(shí)驗(yàn)（Software in Loop），通過(guò)Simulink仿真軟件搭建所設(shè)計(jì)的泊車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，Carsim軟件設(shè)置自行車(chē)輛與障礙車(chē)輛的相關(guān)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要的道路環(huán)境相關(guān)參數(shù)，最后進(jìn)行聯(lián)合仿真。將通過(guò)軟件在環(huán)實(shí)驗(yàn)聯(lián)合仿真的結(jié)果與實(shí)際所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果來(lái)判斷所設(shè)計(jì)模型算法的控制精度是否可以滿足精確泊車(chē)的需求。本次聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)所配置的自行車(chē)輛的車(chē)速大小為3km/h，各項(xiàng)數(shù)據(jù)仿真的結(jié)果如上圖4所示。

上圖（a）為車(chē)輛前軸等效轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系，車(chē)輛的前軸等效轉(zhuǎn)角在[-30°，30°]的范圍內(nèi)，為了防止原地轉(zhuǎn)向，車(chē)輛起始時(shí)的前軸等效轉(zhuǎn)角變化緩慢，泊車(chē)結(jié)束，為了車(chē)身與車(chē)輪回正，泊車(chē)結(jié)束時(shí)的前軸等效轉(zhuǎn)角變化也較為緩慢。（b）圖為預(yù)期的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和實(shí)際的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的變化關(guān)系，從圖中可以看出其變化范圍為[-495°，495°]，當(dāng)自行車(chē)輛停進(jìn)車(chē)位后，自行車(chē)輛的方向盤(pán)回正，也就是說(shuō)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大小為0°。（c）圖可以看出車(chē)身方位角與時(shí)間的變化關(guān)系，車(chē)輛起始與結(jié)束時(shí)的車(chē)身方位角均為0°，當(dāng)時(shí)間為6.5s時(shí)候，實(shí)際的車(chē)身的方位角與預(yù)期的車(chē)身方位角從圖中可以看出已經(jīng)達(dá)到最大，之后隨著方向盤(pán)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)身方位角的變化也會(huì)隨著方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變小，從結(jié)果分析來(lái)看其實(shí)際的變化基本與預(yù)期的結(jié)果基本可以吻合。（d）圖為泊車(chē)路徑，可以將泊車(chē)的路徑看作一條平滑的曲線，實(shí)際的路徑跟蹤與預(yù)期的路徑基本重合，可以說(shuō)明所設(shè)計(jì)的模型跟蹤效果較為良好。

3 結(jié)語(yǔ)

基于B樣條理論的曲線擬合方法應(yīng)用于泊車(chē)路徑規(guī)劃中的可行性。本章對(duì)設(shè)計(jì)的泊車(chē)系統(tǒng)建立聯(lián)合仿真模型。通過(guò)仿真可以看出本文設(shè)計(jì)的模型跟蹤效果良好，模型具有一定的可行性，為試驗(yàn)的開(kāi)展做好了鋪墊。

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