基于模糊控制理論的平行泊車系統(tǒng)研究①

王 萍

(同濟大學汽車學院，上海200092)

1 自動泊車技術發(fā)展前景良好

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車已經成為日常生活中不可缺少的一部分，但是，與此同時停車問題也成為困擾很多駕駛員的一個難題．一方面，在經濟快速發(fā)展的帶動下，越來越多的汽車進入千家萬戶，這樣導致公路旁邊、街道兩旁、停車場以及居民小區(qū)等擁擠不堪，泊車空間越來越少;另一方面，越來越多的讓人學習開車，導致缺乏駕駛經驗的新手逐年增加，這樣在泊車時經常會導致各種問題．

研究表明，在泊汽車時主要有三個方面的困難點: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天的天氣狀況將會影響其發(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情況，同時還需要控制方向盤、油門和剎車等，而經驗較少的駕駛員對一系列的操作較為生疏，容易造成操作失誤;三是當駕駛員遇到不熟悉的環(huán)境或者車位狹窄的情況時，泊車比較困難，尤其對于駕車新手，缺乏經驗技巧，或者對車型部件的靈敏度不熟悉，往往難以將汽車進行快速準確的泊位．

汽車成為當今社會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．汽車制造商意識到消費者的需求，非常關注汽車電子的發(fā)展，并大力研究應用車載智能感應設備和半自動、自動電子控制設備．各大汽車制造商看好自動泊車技術的應用前景和市場意義，目前市場上裝備自動泊車系統(tǒng)的產品包括: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)實際駕駛經驗，將平行自動泊車過程簡化如下:

(1)尋找車位和起始位

尋找一個合適的泊車位，其條件是空間要比車身長度前后各長出1m左右，這樣才能保證車輛可以在車位中調整位置．找到車位后，首先要調整車身與臨近障礙物的距離(根據(jù)駕駛經驗，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，而后前進使得車身尾部與前方障礙物(一般為已經停放好的車輛)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順時針打方向盤，車位在車身左邊情況時逆時針打方向盤)，低速將車往停車位方向倒入．此時車身與X軸向的夾角將逐漸加大，當加大到大約45°時．

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

將車身與X軸的方向(停車位方向)成大約45°夾角時，朝著相反方向打方向盤(當車位在車身右邊時逆時鐘打方向盤，當車位在車身左邊時順時鐘打方向盤)，繼續(xù)往車位方向倒車，使車身與X軸方向的夾角逐漸減?。斳嚿砘卣囕v就能進入停車位．

圖3 朝車位反方向打方向，倒車入庫

(4)調整車位

完成了以上三個步驟以后，有時可能車身有些斜，可根據(jù)實際的情況進行微調，將車輛在車庫內調正位置．

圖4 調整車位

以上對實際平行泊車過程進行了分析，先總結如下:主要分四步，第一步驟和第四步較簡單，駕駛員很容易完成;而第二和第三兩步較復雜，因為需要控制車輛的轉角大小和轉向時間．通過分析車輛低速情況下的運動學模型可知，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)在很多相關的研究會把整條路徑由兩段相切的圓弧組成．其數(shù)學建模主要的難點有兩點:一是兩段圓弧半徑的選取，二是兩段圓弧相切的切點位置確定．

圖5 平行泊車S形路徑

圖6 S形參考路徑兩個階段

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、模糊語言的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎，采用計算機控制技術構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．因為模糊邏輯控制的方法有許多優(yōu)越性，比如:可以模擬人類的思考方式、控制簡單、易于理解等．近幾年，汽車行業(yè)運用模糊邏輯控制已經逐漸成為一種產業(yè)化的趨勢，各大型汽車廠商對模糊控制的應用表現(xiàn)出濃厚的興趣，并進行了廣泛深入的研究和開發(fā)，如發(fā)動機控制、變速器控制、四驅控制、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計圖

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形參考路徑的兩個階段．

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

圖10 第二階段模糊控制器設計圖

3．1 S形路徑中對第一階段模糊控制器的分析

因為泊車速度小于或等于5km/h，假設無打滑現(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:取逆時針為正，順時針為負)和由導航系統(tǒng)測量車輛行駛的距離Li．在設計控制器時，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角θ，同樣取逆時針為正，順時針為負，則θ的取值范圍是[－540，540]，但考慮到在第一階段的時候，車輛一直向右轉向，所以轉角取值為負數(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就要進行預處理．假設在第一階段中，標準的行駛距離為Lc，用Lc來為行駛距離Li進行判斷．假設車輛從始發(fā)點So行駛到切點－C點，并設汽車行駛過程中的當前點為Si，用傳感器測量得知汽車在當前點Si時，行駛的距離為Li，當前偏向角為α．由于標準的行駛距離為Lc，對由傳感器測量得到的輸入變量Li進行預處理，使處理結果映射到有限的區(qū)域內，處理結果為Di，預處理函數(shù)為:

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

總結:在第一階段，模糊控制器的輸入變量為Di(傳感器測量的距離經過預處理后的結果)，其論域為[0，l]，車身偏向角 α，論域為[45，90]，模糊控制器的輸出變量為車輛方向盤的轉角θ，其論域為[－540，0]．第一階段模糊控制分析如下:

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

當車輛的偏向角α大而預處理結果Di小時，根據(jù)實際的倒車經驗，這是一第一階段開始不久的情況，需要繼續(xù)增大角度轉彎行駛;

當車輛的偏向角α小而預處理結果Di大時，結合實際的倒車經驗，當接近C點時，要減小轉彎弧度，準備向另一個方向轉向;

當車輛的偏向角α和預處理結果Di都小時，此時將到達C點，要減小轉彎弧度，準備向另一個方向轉向．

第一階段模糊控制設計如圖8所示．

圖11 平行泊車流程圖

3．2 S形路徑中對第二階段模糊控制器的分析

在第二個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(取逆時針為正，順時針為負)，慣性導航系統(tǒng)測量車輛行駛的距離Li，由于泊車過程中，車輛速度很慢，因此在設計控制器時，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角θ，θ的取值范圍是[－540，540](取逆時針為正，順時針為負)，但因為在第二階段，車輛一直向左轉，所轉角取值為正值，范圍為[0，540]，如圖9 所示．

首先也要和第一階段一樣，對輸入變量Li進行預處理，車輛從始發(fā)點到切點C，然后行駛到終點位置D點，設車輛行駛過程中當前位置為Ci，通過傳感器測量得知車輛在當前點Ci時的行駛距離為Li，車輛的偏向角為α．假設標準行駛距離為LD，然后對輸入變量Li(傳感器測量得到的距離)進行預處理，使處理結果映射到有限的區(qū)域，假設預處理結果為Di，預處理函數(shù)為:

預處理后輸入Di取值范圍為[0，1]，α取值范圍為[45，90]．

經過預處理后，第一階段模糊控制器的輸入變量為Di(傳感器測量結果經過預處理后的量)，其論域為[0，1]，車身偏向角為 α，其論域為[45，90]，輸出變量為方向盤的轉角 θ，其論域為[0，540]．第二階段模糊控制分析如下:

當車輛的偏向角α和預處理處理結果Di都大時，意味著車輛快到目標位置了，此時要回正方向盤，所以要輸出較小的轉向角;

當車輛的偏向角α大而預處理結果Di小時，這說明車輛開始運動不久的情況，因此要繼續(xù)大角度轉彎行駛;

當車輛的偏向角α小而預處理處理結果Di大時，此時情況不存在;

當車輛的偏向角α和預處理處理結果Di都小時，這是剛開始運動不久的情況，所以還是要繼續(xù)增大轉向角行駛車輛．

第二階段模糊控制器設計如圖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，整個系統(tǒng)從“START”開始，駕駛員先啟動自動泊車系統(tǒng)，車輛在車位附近緩慢行駛，此時裝備在車頭和車尾的自動探測系統(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)在我們假設系統(tǒng)已經找到合適的停車位置了，車輛停止在某個初始點，開始準備泊車．前面的內容已經分析過，在這里我們把車輛泊車時的路徑分為兩個階段，在系統(tǒng)設計的時候我們也把兩段路徑分開來研究，一是為了方便系統(tǒng)的設計和程序的編寫，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，不用回到原點重新開始．所以可以看到在這個流程圖里面，先進行S形路徑第一階段的路線，如果途中遇到障礙物而導致泊車停止，系統(tǒng)返回第一階段開始時的程序，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致泊車停止，系統(tǒng)返回第二階段開始時的程序，直到第二階段的結束．如果此時車輛已經很適合地在車位里面，整個泊車過程結束．如果此時車輛還有一些歪斜等情況，駕駛員可以在車位里面進行微調，直到車輛成功進入車位．

4 總結

本文主要研究了在底速泊車情況下，分析平行泊車的幾個步驟，簡化車輛模型和泊車步驟，抽象出泊車過程中相關參數(shù)，研究模糊控制理論，并把模糊控制應用到平行自動泊車系統(tǒng)中，為泊車過程中每個步驟設計輸入量、輸出量以及模糊控制規(guī)則，并設計平行泊車工作流程圖。自動泊車技術是現(xiàn)代車輛智能化的研究熱點之一，一些相關的汽車消費者研究表明，中國消費者對自動泊車系統(tǒng)的認知度很高，自動泊車系統(tǒng)在中國汽車市場有很好的應用前景，很多汽車廠家在做產品規(guī)劃工作時都考慮了自動泊車裝備的應用，希望相關的研究繼續(xù)深入．

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