基于超聲波的全自動平行泊車路徑規(guī)劃

肖祖銘

摘要：目前，汽車已經(jīng)成為人們生活必備的交通工具之一，密集的汽車使用量，對停車空間來說提出了更高的要求，泊車過程中出現(xiàn)的摩擦、碰撞等事故，也催生了全自動泊車系統(tǒng)的出現(xiàn)。本文主要以平行泊車為研究著眼點，探究全自動泊車系統(tǒng)。研究中主要借鑒了雙弧線的方式對路徑進行規(guī)劃，并在車輛運動學(xué)的指導(dǎo)下，按照碰撞限制的條件來計算出最小的泊車半徑和最佳的泊車位置。此外，還使用了CANoe等仿真軟件，用來對超聲波傳感器進行范圍計量，從而使得泊車路徑和位置能夠更加精準，對于停車問題提出較為合適的解決建議。

關(guān)鍵詞：全自動泊車;軌跡規(guī)劃;碰撞約束;探測范圍

0 ?引言

隨著汽車的廣泛普及使用，汽車之間的碰撞與摩擦事故也愈來愈多，為了規(guī)避駕駛風(fēng)險，研究推出了眾多用于智能駕駛的安全系統(tǒng)。雖然智能駕駛系統(tǒng)能夠有效解決汽車駕駛的問題，但是同時也對新手駕駛員提出更高要求，比如泊車時要對車位做出測算，還要進行控制轉(zhuǎn)向、跟隨路徑、自動剎停等操作。

經(jīng)過對自動泊車系統(tǒng)的不斷應(yīng)用與改良，目前已經(jīng)孵化出了一些較為成熟的系統(tǒng)。比如以環(huán)視攝像頭為主的全景泊車系統(tǒng)，以及以超聲波為主的自動泊車系統(tǒng)，這兩者被廣泛使用。二者相比之下，超聲波自動泊車系統(tǒng)明顯表現(xiàn)出經(jīng)濟價值高、受環(huán)境影響因素小等優(yōu)勢，并且能夠?qū)^短距離進行精準的測量。一般來說，自動泊車主要通過兩種方式對路徑進行控制，包括使用三角函數(shù)曲線法和回轉(zhuǎn)曲線的曲率連續(xù)法對路徑進行規(guī)劃，以及使用模糊邏輯自動泊車和自適應(yīng)自動泊車從駕駛經(jīng)驗的角度進行操作。本研究中在對泊車路徑進行規(guī)劃時，主要采用了雙弧線的方式，這種方法下兩弧線之間能夠方便連接，從而使得泊車能夠平穩(wěn)進行，更有利于便捷地完成泊車。

1 ?超聲波探測和全自動泊車相關(guān)理論探析

1.1 全自動泊車系統(tǒng)分析

隨著實踐的不斷應(yīng)用與探索，泊車輔助的相關(guān)研究和操作已經(jīng)有了較大改善。最初，一般在車輛的后保險位置處設(shè)置警報，當障礙物靠近時會產(chǎn)生警報;隨后，借助后視攝像頭能夠觀察到倒車的情況，并且蜂鳴器能夠發(fā)出警報。隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸衍生出半自動泊車系統(tǒng)，超聲波傳感器能夠準確測量出距離和路徑，自主探測車位和轉(zhuǎn)向方面更為便捷，但仍然依賴于駕駛員進行具體操作。到目前，全自動泊車系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，車輛能夠自主完成探測車位、控制轉(zhuǎn)向、剎車等操作。并且目前的泊車系統(tǒng)中，在車輛的前后保險杠會分別安裝6個超聲波傳感器，并且車輛兩側(cè)的傳感器探測距離為4.5m，中部4個傳感器能夠探測到1.5m的距離，從而全面的探測合適位置，準確定位障礙物。全自動泊車系統(tǒng)的操作方式包括：駕駛員啟動系統(tǒng)，車輛開始對車位情況進行探測，在查找到適合的泊車位置后，會規(guī)劃處泊車軌道，確定路徑和泊車的具體位置，并對車輛的路徑做定位查找，最后確保車輛能夠完成泊車，完成后關(guān)閉系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.2 超聲波探測理論分析

超聲測距按照內(nèi)部原理的不同，包括共振式和脈沖反射式兩種。車輛對其有特殊要求，因此一般都使用脈沖反射式，也就是借助超聲的反射特點進行探測。其操作原理主要是借助超聲波的傳感器，對具體位置發(fā)射超聲波，同時開始自動計時操作，傳播超聲波，當超聲波遇到障礙時會折返回給超聲波接收器，接收器收到后會停止工作。影響超聲波的傳播速度主要是環(huán)境的溫度和濕度，因此也會產(chǎn)生不同的測量結(jié)果。

1.3 路徑規(guī)劃

如果不把汽車后輪側(cè)滑的情況考慮在內(nèi)，汽車無論在哪一時間點的運動軌跡都不會受汽車的倒車速度的影響，而會受汽車前輪軸心的Ackerman轉(zhuǎn)向角、軸距和汽車之間的輪距影響。換句話說，當汽車以小于5km/h的速度行駛時，在確定方向且方向盤固定轉(zhuǎn)角部編的前提下，車輛后輪的倒車軌跡將保持穩(wěn)定，汽車的倒車速度只會對汽車行駛距離有影響，而不影響行駛的路線。倒車時，以汽車后軸中心作為運動中心，能夠測量出汽車的運動軌跡，并且根據(jù)此來建立出世界坐標系。

車身參數(shù)：lh表示的是車輛后軸與前保險杠之間的距離，lt表示的是后軸和后保險杠的距離，la表示的是前后軸的相對距離，wc表示車輛寬度，wl表示安全泊車空間的寬度。圖1展示了泊車過程圖，其中pc0、pc1、pc2是泊車軌跡中的三個關(guān)鍵節(jié)點，po用來表示障礙物，同樣也是第三步中最易產(chǎn)生摩擦和碰撞的位置，Dsh表示的是沒有障礙物的寬度，Dsv表示的是沒有障礙物的長度，Dsv表示的是沒有障礙物的長度，Dh表示的是第一步中車輛和障礙物之間的距離，Dv表示的是開始倒車時車輛的后保險杠與po之間的縱向距離，Dr為泊車過程中兩弧線之間的距離，R1為第一段弧線的半徑，R2為第二段弧線的半徑且為最小的半徑，α為弧線對應(yīng)的夾角，θ為轉(zhuǎn)向角。

2 ?全自動平行泊車路徑檢驗

2.1 臺架測試

按照車輛的不同類型，能夠?qū)Τ暡▊鞲衅髋c保險杠的位置進行具體的調(diào)整和改變，從而查找到最佳的超聲波探測區(qū)域，隨后按照超聲波傳感器的實際位置將其設(shè)置在固定的架位上，連接儀器，同時在電腦設(shè)備上運行CANoe，并且設(shè)置好相應(yīng)的程序，開始運行系統(tǒng)。在標準桿的選取上，以直徑75mm為主，相對濕度設(shè)置為50%、同時確保室內(nèi)溫度達到20℃的條件下，接著根據(jù)實驗的具體要求，對超聲波傳感器的探測范圍進行具體檢測，其中要涵蓋水平和垂直兩種。

試驗結(jié)果展示如下：從水平上看，40～150cm為可探測區(qū)域，HMI界面會呈現(xiàn)出深灰色，并且蜂鳴器開始低頻率的進行報警;40cm以內(nèi)即達到了危險區(qū)，HMI界面此時會呈現(xiàn)出黑色，并且蜂鳴器開始長鳴，探測范圍如圖2所示。從垂直方向上看，探測過程中，探測區(qū)域一般是橢圓形，并且探測的高度最低到最高范圍是235-955mm，這一數(shù)值保證了在泊車時能夠充分觀察到車后的具體情況，使得泊車更為安全。

2.2 約束分析

全自動泊車路徑規(guī)劃主要是對車輛自身的約束及停放限制等條件進行分析，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出具體的曲率連續(xù)的路徑，對其進行分析是為了更好的確保泊車的安全性和精準性。然而，在進行全自動平行泊車時，其他因素也會對泊車的準確性產(chǎn)生影響，比如超聲波探測的測量可能存在誤差;機械操縱機構(gòu)會有一定的存在預(yù)留間隙;路徑跟蹤模型不能確保追蹤的準確性;天氣條件、道路情況等因素的不確定性。如果全自動車輛不能夠完成入位，并且還會有碰撞的危險。一旦車輛和障礙物之間距離過小，低于安全距離而發(fā)生碰撞時，即便采用超聲波探測，車輛也很難迅速做出反應(yīng)，因此只能做出緊急制動，從而完成泊車過程。為了解決這個問題，從而盡力保證不發(fā)生車輛碰撞的問題，全自動泊車系統(tǒng)會根據(jù)車輛和障礙物的情況做出判斷，對路線進行安排，從而確保車輛完成停車入位。

在對自動平行路徑進行規(guī)劃時，也有靜態(tài)和動態(tài)兩種不同方式，筆者認為可以將二者相結(jié)合。常規(guī)的泊車一般使用靜態(tài)泊車路徑，從而避免碰撞的情況出現(xiàn)，全自動泊車系統(tǒng)則按照具體情況，對碰撞的邊界做出測量，并且劃入動態(tài)路徑規(guī)劃中，保障泊車順利完成。此外，全自動系統(tǒng)還能夠有效控制轉(zhuǎn)向和速度，借助在線識別準確辨別出模型的參數(shù)，規(guī)避了復(fù)雜的車輛動力學(xué)模型的困難，大大加強了超聲波探測的準確性。

3 ?結(jié)語

科技的進步對于汽車行業(yè)有著巨大的改變作用，在人工智能大力發(fā)展的今天，無人駕駛已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域的新寵兒，學(xué)界也加緊了對相關(guān)領(lǐng)域的研究，其中對超聲波探測實現(xiàn)全自動平行泊車路徑規(guī)劃這一主題就受到廣泛關(guān)注。本文在理論分析和試驗驗證的基礎(chǔ)上，采用雙弧線路徑的規(guī)劃方式，借助碰撞約束實驗來證實最小泊車半徑和最佳泊車位置，結(jié)果得到了較為可靠的結(jié)論。本文選取的超聲波傳感器在準確度上符合要求，并且在對雙弧線進行規(guī)劃時，能夠很大程度上避免泊車可能帶來的風(fēng)險，極大地提高了泊車的安全性和準確率。

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