基于路徑規(guī)劃與跟蹤的自動(dòng)泊車系統(tǒng)研究

熊 能，孫 梅

(常德職業(yè)技術(shù)學(xué)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(duì)此往往不知所措。倘若不能一次快速準(zhǔn)確地完成泊車入位，還會(huì)導(dǎo)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(fèi)。為了使駕駛員擺脫復(fù)雜低效率的泊車操作，并且降低泊車事故率，達(dá)到節(jié)能減排的要求，現(xiàn)代化的汽車應(yīng)具備智能化的自動(dòng)泊車系統(tǒng)。國內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了自動(dòng)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(dòng)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(gè)部分組成，車輛檢測到目標(biāo)車位后，根據(jù)車位形狀、車輛模型和避撞約束條件等，預(yù)先規(guī)劃好到達(dá)泊車終止點(diǎn)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(shí)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(luò)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(zhuǎn)化為控制器的控制算法，直接通過控制汽車方向盤轉(zhuǎn)角和油門的方式，控制汽車實(shí)現(xiàn)泊車，包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；溫宗國等[4]采用了基于模糊控制的自動(dòng)泊車方法，由于控制器的輸入量較多，導(dǎo)致控制較為復(fù)雜；劉志強(qiáng)等[5]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建駕駛員模型進(jìn)行自動(dòng)泊車研究，取得了較好的效果，但模型的構(gòu)建較為復(fù)雜；盧俊濤[6]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了泊車視覺算法，既保證了視覺準(zhǔn)確率，也提高了視覺實(shí)時(shí)性。在泊車過程中，由于駕駛員在進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，需要依據(jù)車輛與四周物體的位置關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)向和控制車速，復(fù)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(luò)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(shí)由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要極大的計(jì)算量，模糊控制又沒有自學(xué)習(xí)能力，因此通過人工智能算法來實(shí)現(xiàn)實(shí)車運(yùn)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(duì)平行和垂直泊車過程中轉(zhuǎn)向控制策略進(jìn)行研究，提出一套實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平行和垂直泊車功能的軟硬件方案。該方案包括自動(dòng)泊車系統(tǒng)工作原理、硬件系統(tǒng)原理、雷達(dá)探頭的布局等，可實(shí)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(gè)過程駕駛員無需操作方向盤。

1 車輛位置檢測

實(shí)際生活中的泊車情況通常可以分為三類：垂直泊車、平行泊車和斜向泊車。由于超聲波傳感器只能針對(duì)物體進(jìn)行測距，則泊車目標(biāo)車位兩側(cè)均無障礙時(shí)便無法檢測到車位。因此本文只對(duì)有障礙的垂直車位、平行車位進(jìn)行討論。本文所設(shè)計(jì)自動(dòng)泊車系統(tǒng)的測量模塊通過車身四周的12個(gè)雷達(dá)探頭測量車輛周圍的環(huán)境參數(shù)，雷達(dá)探頭選用德國博世公司USS5.0近距離雷達(dá)和USS5.1遠(yuǎn)距離雷達(dá)。4個(gè)近距離雷達(dá)分別通過安裝支架卡接在前后保險(xiǎn)杠兩側(cè)，8個(gè)遠(yuǎn)距離雷達(dá)分別通過安裝支架卡接在前后保險(xiǎn)杠上，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)泊車?yán)走_(dá)布局圖

2 路徑規(guī)劃與跟蹤

由于路徑規(guī)劃方法具有設(shè)計(jì)簡單、全局尋優(yōu)的特點(diǎn)，因此采用該方法能更有效的設(shè)計(jì)自動(dòng)泊車系統(tǒng)。自動(dòng)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(jìn)行路徑規(guī)劃的前提是系統(tǒng)檢測到合適車位，然后結(jié)合車輛和車位的相對(duì)位置、車輛自身運(yùn)動(dòng)學(xué)、車輛初始位置、道路邊界等約束條件，以車輛參考點(diǎn)行駛軌跡為設(shè)計(jì)對(duì)象，生成起始點(diǎn)至泊車終止點(diǎn)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。基于路徑規(guī)劃與跟蹤的泊車運(yùn)動(dòng)控制方法，首先通過雷達(dá)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(shí)時(shí)的車輛信息控制車輛方向盤及油門，制動(dòng)系統(tǒng)使車輛按照預(yù)定軌跡行駛。相對(duì)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(yùn)用于實(shí)際的控制方法。本文采用路徑規(guī)劃的方法對(duì)泊車路徑進(jìn)行規(guī)劃，并通過模糊控制器進(jìn)行路徑跟蹤，來設(shè)計(jì)自動(dòng)泊車系統(tǒng)。該自動(dòng)泊車系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)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(jì)算出車輛倒車過程的最小轉(zhuǎn)彎半徑和起始點(diǎn)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(shè)計(jì)。

路徑跟蹤，首先將車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)模型與規(guī)劃的路徑相比較，計(jì)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(jì)算出該時(shí)刻轉(zhuǎn)向角的數(shù)值；最后，由計(jì)算出的轉(zhuǎn)向角數(shù)值和速度信號(hào)共同控制車輛的運(yùn)行。由此構(gòu)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?yán)走_(dá)探測左右側(cè)車位，系統(tǒng)根據(jù)泊車?yán)走_(dá)探測到的數(shù)據(jù)獲取車位信息。圖3為右側(cè)有其他車輛情況下的垂直泊車示意圖。自動(dòng)泊車開始后，泊車車輛向前沿直線行駛，車輛周圍泊車?yán)走_(dá)開始工作，不停地探測車輛與四周物體的距離；當(dāng)泊車車輛經(jīng)過車輛A時(shí)，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(dāng)泊車車輛駛離車輛A經(jīng)過車輛B時(shí)(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(shí)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(dá)測量出車位寬度信息，以便路徑規(guī)劃時(shí)使用；同時(shí)也測得泊車車輛與右側(cè)車輛距離，確定是否能安全泊車。車輛泊入還需實(shí)時(shí)進(jìn)行位置檢測與路徑跟蹤(泊車指引②)，并調(diào)整車輛姿態(tài)(泊車指引③)。最后完成泊入動(dòng)作(泊車指引④)。在泊車過程中，所有雷達(dá)均一直處于開啟狀態(tài)，如果有物體離車太近，則自動(dòng)泊車中止。

圖3 垂直車位泊入流程示意圖

3 自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)(以下簡稱PSC)狀態(tài)機(jī)原理如圖4所示，該狀態(tài)機(jī)包含以下狀態(tài)：(1)PSC_OFF：系統(tǒng)關(guān)閉，無任何模塊工作；(2)PSC_Inactive：系統(tǒng)待機(jī)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(rèn)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(dǎo)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(dá)狀態(tài)是否正確，所有節(jié)點(diǎn)信號(hào)是否在線；(8)PSC_Failure：系統(tǒng)故障狀態(tài)，有雷達(dá)探頭故障或關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)不在線。

下面介紹自動(dòng)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(dòng)(PSC_Actvie)。PSC自檢正常時(shí)，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(duì)應(yīng)的狀態(tài)。當(dāng)車速小于25 km·h-1時(shí)，按下系統(tǒng)開關(guān)，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(jìn)入平行或垂直車位搜索狀態(tài)之后，通過轉(zhuǎn)向開關(guān)(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(duì)應(yīng)狀態(tài)發(fā)送以下搜索車位狀態(tài)信號(hào)，用于HMI顯示。成功搜索到合適車位后后，系統(tǒng)會(huì)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(dòng)泊車泊入狀態(tài)機(jī)原理圖

4 總結(jié)與展望

本文基于路徑規(guī)劃與跟蹤算法，通過對(duì)自動(dòng)泊車流程和控制進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平行和垂直泊車功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)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(yùn)算量的同時(shí)具有一定的魯棒性。