自主泊車系統(tǒng)研究綜述

石天聰，劉雪，余政濤

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

汽車給人們帶來便利的同時(shí)，也帶來了很多安全問題，比如發(fā)生嚴(yán)重的交通事故。2006年，密歇根大學(xué)交通研究所對一份關(guān)于17個(gè)州的34個(gè)城市及哥倫比亞特別行政區(qū)的交通事故調(diào)查報(bào)告進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：因泊車操作引起的交通事故，占此次調(diào)查全部交通事故的44%[1]。復(fù)雜的泊車空間環(huán)境、有限的視野范圍、要求車輛行駛速度與方向盤轉(zhuǎn)向合理配合等多個(gè)因素容易使駕駛員感到緊張，最終導(dǎo)致泊車事故發(fā)生。自主泊車系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅可以有效地減少交通事故的產(chǎn)生，而且對于很多新手和駕駛技術(shù)不嫻熟的人來說也是一個(gè)福音，可以幫助他們將車輛快速，安全地駛?cè)胪＼囄弧?/p>

自主泊車系統(tǒng)（Automatic Parking system，APS）也可以被稱為自動泊車，是指汽車可以自動識別停車位，從而進(jìn)行車輛停車過程的路徑規(guī)劃，控制車輛駛?cè)胲囄坏囊环N輔助駕駛系統(tǒng)，按照停車方式，它可以分為垂直停車和平行停車，垂直停車一般是在停車場中停車時(shí)的狀態(tài)，平行停車一般是在道路兩側(cè)停車位停車，也可以稱為側(cè)方位停車。隨著相關(guān)研究的深入，自主泊車系統(tǒng)正在從半自動泊車（仍需要駕駛員進(jìn)行輔助操作）向全自動泊車發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀簡介

1.1 檢測識別

對目標(biāo)停車位的檢測識別是自主泊車系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，市場上大多數(shù)（半）自動泊車系統(tǒng)產(chǎn)品都是通過用戶界面，以空間的超聲傳感器（通常安裝在車輛的兩側(cè)）為基礎(chǔ)來指定目標(biāo)停車位的位置。同時(shí)，全景式監(jiān)控影像系統(tǒng)（Around View Monitor，AVM）已成為停車輔助產(chǎn)品，一些汽車制造商已生產(chǎn)了配備此系統(tǒng)的車輛。AVM系統(tǒng)通過將由三臺或四臺攝像機(jī)采集的大量圖像拼接在一起，來生成車輛360°周圍環(huán)境的鳥瞰圖圖像。顯示AVM圖像有助于駕駛員在停車操作期間輕松識別停車位標(biāo)記和車輛周圍的障礙物。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，A. Nandugudi等（2014年）分析了一種有趣的方法，該方法利用諸如加速計(jì)之類的用戶智能手機(jī)傳感器來檢測用戶活動，以確定他們是在停車還是要離開。后臺應(yīng)用程序讀取傳感器數(shù)據(jù)，并巧妙地使用此信息來確定某個(gè)停車場是否有空位[2]。

1.2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是指借助傳感器獲取的泊車可行駛區(qū)域，并結(jié)合車輛的幾何參數(shù)，預(yù)先規(guī)劃出一條理想的泊車軌跡。

平行泊車常用的是確定公法線加相切圓弧的方案規(guī)劃設(shè)計(jì)一條可行的期望路徑軌跡。泊車時(shí)，存在著泊車路徑不連貫，需要反復(fù)調(diào)整的問題，許多研究者通過算法設(shè)計(jì)優(yōu)化泊車路徑，比如粒子群算法，遺傳算法等。李紅等（2016年）提出基于B樣條理論的平行泊車路徑規(guī)劃方法，該方法綜合車輛停放要求，以B樣條路徑曲線控制點(diǎn)為變量，以泊車終點(diǎn)處車身方位角最小化為目標(biāo)，建立了含有避障約束等多個(gè)約束的泊車路徑函數(shù)。用該方法對多個(gè)泊車工況進(jìn)行路徑規(guī)劃并仿真，結(jié)果表明基于B樣條理論的泊車路徑規(guī)劃方法可得到較優(yōu)的泊車路徑[3]。

垂直泊車過程與平行泊車類似，也需要考慮避撞、轉(zhuǎn)向等約束條件，對路徑進(jìn)行平滑，而且垂直泊車存在著泊車空間狹窄的問題，尹剛（2019年）分別對理想條件下的單步垂直泊車和狹窄泊車環(huán)境下多步垂直泊車進(jìn)行路徑規(guī)劃，并采用了粒子群優(yōu)化算法理論優(yōu)化路徑，對優(yōu)化前后的路徑進(jìn)行對比，優(yōu)化后的路徑不僅能實(shí)現(xiàn)安全無碰撞地進(jìn)入目標(biāo)車位，而且縮短了車輛的行駛長度[4]。

1.3 車輛控制

在確定好車輛泊車過程的路徑后，下一步的工作是控制車輛跟蹤規(guī)劃好的泊車路徑安全行駛進(jìn)入停車位。目前，基于人工智能的方法如模糊邏輯、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合智能技術(shù)已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注。人工智能被認(rèn)為是自主停車系統(tǒng)克服傳統(tǒng)方法的局限性和問題的關(guān)鍵因素之一。

模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言的知識和模糊邏輯的規(guī)則為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)控制系統(tǒng)。模糊控制無需被控制對象有完備精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，故對難以創(chuàng)建模型的控制對象如APS，是一種良好的控制方法，而且它可以弱化參量變化和不可避免的干擾產(chǎn)生的影響，使系統(tǒng)在誤操作，異常情況下也具有良好的穩(wěn)定性。王芳成（2010年）設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)自動泊車的模糊控制器，并通過matlab/simulink進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了控制器的可行性[5]。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)屬于人工智能的一個(gè)領(lǐng)域，是在多次迭代中自主地重新修正算法來進(jìn)行學(xué)習(xí)，其完全根據(jù)規(guī)則自我進(jìn)化，沒有人類主觀經(jīng)驗(yàn)的干預(yù)，使得最終系統(tǒng)的性能超越了人類水平。比如，在計(jì)算機(jī)游戲模擬環(huán)境中，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的智能體可達(dá)到經(jīng)驗(yàn)玩家的水平。張繼仁等（2019年）提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的泊車運(yùn)動規(guī)劃，基于蒙特卡洛樹搜索和初始的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合車輛模型，對不同庫位、起始位置進(jìn)行仿真，產(chǎn)生數(shù)據(jù)；然后建立安全性，舒適性相關(guān)指標(biāo)對數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，利用篩選后的最優(yōu)數(shù)據(jù)來更新網(wǎng)絡(luò)。該更新的網(wǎng)絡(luò)又用到下一次迭代產(chǎn)生數(shù)據(jù)中，從而為蒙特卡洛樹搜索提供更強(qiáng)的搜索引導(dǎo)。這樣使得產(chǎn)生的泊車數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提升，學(xué)習(xí)到的泊車策略不斷增強(qiáng)，最終收斂到最優(yōu)，從而達(dá)到自主學(xué)習(xí)的目的[6]。

1.4 性能評價(jià)

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對自動泊車技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于自動泊車系統(tǒng)評價(jià)的相關(guān)研究及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較少，周莎等（2020年）提出了一種有價(jià)值的評價(jià)方法，通過結(jié)合定量與定性指標(biāo)，可以對APS系統(tǒng)進(jìn)行較為可靠的評價(jià)[7]。目前，各大汽車廠商仍將自動泊車技術(shù)視為高科技配置，加之消費(fèi)者對自動泊車系統(tǒng)信任程度不高，使得自動泊車系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用落后于理論研發(fā)。因此，隨著技術(shù)的進(jìn)步、市場的成熟，結(jié)合消費(fèi)者的認(rèn)知，有必要出臺自動泊車相關(guān)的真實(shí)有效的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 未來發(fā)展方向

通過大量閱讀文獻(xiàn)，我認(rèn)為接下來對于自動泊車系統(tǒng)的研究可以從以下幾個(gè)方面入手：

（1）應(yīng)用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)對停車場和車輛信息進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，綜合利用，建立更加智能的停車場系統(tǒng)。

（2）通過人工智能實(shí)現(xiàn)自動泊車已被證明是比較有價(jià)值的研究方向，考慮建立自動泊車相關(guān)的數(shù)據(jù)集，便于深度學(xué)習(xí)等的應(yīng)用。對深度學(xué)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)等進(jìn)行更深入的研究與試驗(yàn)，建立對不同場景都能實(shí)現(xiàn)自動泊車的較為全面地系統(tǒng)。

（3）目前仍是高端車輛應(yīng)用自動泊車技術(shù)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以從經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，減小成本，使自動泊車能得到更廣泛的應(yīng)用。

（4）對自主泊車系統(tǒng)性能評價(jià)還要進(jìn)行更多的對比研究，加快完善自動泊車系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

自主泊車系統(tǒng)是一個(gè)集成了許多新科技的系統(tǒng)，有很多地方值得我們進(jìn)行研究，本文對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，便于研究者來了解自主泊車系統(tǒng)。自主泊車系統(tǒng)降低了泊車的難度，可以安全，準(zhǔn)確地完成泊車過程，未來具有廣闊的發(fā)展前景。