基于模糊控制算法的超聲波自動泊車系統(tǒng)的研究與設計

仲濟艷,張佑春,沈麗娜

(安徽工商職業(yè)學院 應用工程學院,安徽 合肥 231131)

由于部分駕駛員停車經(jīng)驗不足,在面對復雜狀態(tài)道路停車位和擁擠停車庫時,存在嚴重的泊車安全隱患[1].隨著信息化技術的發(fā)展,國內外車企都在加快自動泊車系統(tǒng)的研究與開發(fā),并且在部分高檔汽車進行了實踐應用[2].由目前的泊車系統(tǒng)價位高,因此無法大面積普及.

為了解決上述問題,設計了基于模糊控制技術的超聲波自動泊車系統(tǒng).該系統(tǒng)利用超聲波傳感器完成車輛車位環(huán)境數(shù)據(jù)采集、雙軸陀螺儀完成前輪轉角數(shù)據(jù)采集和視頻采集技術及倒車影像與泊車車位地圖采集,并將采集參數(shù)通過模型控制方法實現(xiàn)自動泊車系統(tǒng)[3].經(jīng)過Carsim 和Matlab-Simulink仿真與實際測試,自動泊車系統(tǒng)均成功完成了垂直泊車與平行泊車.在0～30°,前輪轉角泊車過程中,均實現(xiàn)了快速準確自動泊車功能.

1 自動泊車系統(tǒng)建模設計

1.1 超聲波溫度補償測距設計

超聲波在傳播過程中遇到障礙物會立刻折返,通過計時器記錄下聲波發(fā)射時間與接收時間節(jié)點,然后計算出發(fā)射設備與障礙物之間的距離[4].設聲波的速度為v,往返時間為t,障礙物距離為s,得到距離計算公式為:s=v/2.

為了降低溫度變動對超聲波傳播的干擾,提高系統(tǒng)的距離測量精度,設計了溫度補償校正方法[5].設溫度值為τ,得到基于溫度補償?shù)穆暡▊鞑ニ俣葹?v=331.45×1+τ(273.15)0.5 m/s.

為了完成車輛的精確定位和車輛姿態(tài)角度的數(shù)據(jù)采集,系統(tǒng)采用8個超聲波設備組成了信號四周采集測量裝配,從而保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

1.2 自動泊車系統(tǒng)阿克曼建模設計

為了方便完成自動泊車運動模型建立,將車輛簡化成矩形剛體,以汽車的前軸與后軸的中心坐標為參考節(jié)點,得到汽車自動泊車運動的阿克曼轉向幾何模型如圖1所示.

圖1 阿克曼轉向模型

圖1中, (xf,yf)代表汽車的前軸坐標系數(shù),(xr,yr)代表后軸坐標系數(shù);φ代表汽車前轉輪的轉向角度數(shù)值;θ代表汽車自身的轉角數(shù)值.設(xr,yr)后軸中心點的運動速度為vr,則汽車阿克曼轉向幾何運動方程式為:

xr=vfcosθcosφ=vrcosθ.

(1)

yr=vfsinθcosφ=vrsinθ.

(2)

(3)

由式(3)(4)(5)可知,在低速自動泊車環(huán)境下,(xr,yr)后軸節(jié)點運動為一個固定圓形軌跡,且定圓的半徑值僅與汽車前輪轉向角度φ數(shù)值相關.

1.3 模糊控制功能設計

為了實現(xiàn)自動泊車阿克曼轉向幾何運動模型,設計了自動泊車模糊控制方法.相對于傳統(tǒng)運動控制技術,模糊控制集成了自然語言習慣,更加適用于自動泊車系統(tǒng)中.自動泊車模糊控制的方法主要包括:①環(huán)境采集.通過8個超聲波裝置完成車輛前后軸坐標(xf,yf)與(xr,yr)和車自身轉角θ的數(shù)據(jù)記錄,然后將坐標值與轉角值進行數(shù)據(jù)預處理,最后完成數(shù)據(jù)的模糊化;②模糊推理.利用汽車駕駛員的傳統(tǒng)泊車數(shù)據(jù)與模糊控制規(guī)則,完成模糊判斷與模糊控制量計算;③轉向舵機自動泊車.舵機利用模糊控制輸出值自動控制汽車前輪轉向角度,最終實現(xiàn)自動泊車功能.自動泊車模糊控制結構如圖2所示.

圖2 模糊自動泊車系統(tǒng)控制結構

2 自動泊車硬件系統(tǒng)設計

自動泊車硬件系統(tǒng)[6]主要包括:①飛思卡爾K60核心控制器,負責泊車數(shù)據(jù)自動處理;②超聲波接收裝置,部署了8路超聲波傳感器,用于識別車位位置信息與泊車區(qū)域視圖建立;③攝像頭,完成倒車影像的數(shù)據(jù)采集,增強系統(tǒng)的智能化水平;④語音模塊,在自動泊車過程中,通過實時語音提醒車主車輛運動狀態(tài);⑤電源電路,為系統(tǒng)提供供電支持.自動泊車硬件架構如圖3所示.

圖3 自動泊車硬件系統(tǒng)電路

自動泊車系統(tǒng)啟動后,K60直接控制舵機驅動電路,雙軸陀螺儀將采集的汽車自身轉角θ傳輸至K60,通過第1次PID控制算法,精準完成汽車前輪轉角φ的數(shù)據(jù)采集與輸出.利用直流電機驅動與編碼器速度反饋至K60,通過第2次PID算法控制,完成自動泊車的平穩(wěn)執(zhí)行[7].

2.1 系統(tǒng)直流電機驅動電路設計

直流電機驅動電路采用了H橋驅動芯片BTS7960,直接控制直流電機的轉向與速度.該電路功能包括了電流檢測、驅動電機控制和P 型與N 型電路相位控制等[8],電路設計如圖4所示.

圖4 自動泊車直流電機驅動電路

2.2 系統(tǒng)電源電路設計

等級電壓采用了LM1117芯片實現(xiàn)12 V降維至3.3 V,為主控芯片K60供電.穩(wěn)壓電路采用了LM2940芯片,實現(xiàn)5 V電壓穩(wěn)定輸出,實現(xiàn)攝像頭電路、超聲波電路和顯示器電路持續(xù)穩(wěn)壓供電[9].舵機供電采用了LM2596-ADJ芯片,實現(xiàn)5 V可調電壓的舵機驅動,電源電路連接設計如圖5所示.

圖5 自動泊車電源電路連接設計

3 自動泊車軟件系統(tǒng)設計

當車輛進入預設位置后,人為啟動自動泊車系統(tǒng),同時完成泊車方式選擇.泊車方式主要包括:①平時泊車模式.車輛直行,并利用攝像頭自動搜索平行車位.當完成車位識別后,進行平行泊車并自動泊車;②垂直泊車.車輛直行,并利用攝像頭自動搜索垂直車位.當完成車位識別后,進行平行泊車并自動泊車.利用超聲波傳感器和雙軸陀螺儀采集汽車后軸坐標(xr,yr)、前輪轉角φ和汽車車身航向角θ數(shù)據(jù)后,將參數(shù)輸入模糊控制器中,從而實現(xiàn)車輛自動泊車運行狀態(tài)的控制[10].自動泊車系統(tǒng)總體流程如圖6所示.

圖6 自動泊車系統(tǒng)總體流程

自動泊車系統(tǒng)利用后置攝像頭完成車位自動掃描和倒車影像啟動,通過8個超聲波傳感器自動感知車位周邊環(huán)境與自動采集泊車數(shù)據(jù),應用模糊控制算法完成自動泊車過程中的車身姿態(tài)自動調整實現(xiàn)泊車功能.自動泊車子系統(tǒng)設計流程如圖7所示.

4 系統(tǒng)仿真與測試

Carsim作為一款汽車仿真軟件,可以模擬駕駛員操控、道路情況和車輛動力輸出等.利用Carsim 和Matlab-Simulink整合建模,設置Carsim S-Function的輸入與輸出參數(shù):①輸入?yún)?shù).IMP_STEER_L1為車輛前輪偏轉角,IMP_STEER_R1為車身偏航角,IMP_STEER_R1為制動器的壓力值;②輸出參數(shù).后軸中心點坐標為X0,后軸中心點Y坐標Y0和車輛航向角Yaw.

4.1 平行泊車Carsim仿真

選擇平行泊車起點坐標為(9.392,0),車位設置為單步式平行泊車最小車位尺寸,平行泊車仿真實驗運動過程如圖8所示.

由仿真結果可知,平行泊車運動過程中車輛沒有碰撞到車位邊線,滿足泊車避障約束要求.

4.2 垂直泊車Carsim仿真

選擇垂直泊車起點為(8.062,3),垂直泊車仿真運動過程如圖9所示.由仿真結果可知,垂直泊車運動過程中車輛沒有碰撞到車位邊線,滿足泊車安全避障約束條件.

圖9 垂直泊車仿真序列

4.3 系統(tǒng)實測結果分析

應用Carsim 和Matlab-Simulink軟件完成自動泊車硬件系統(tǒng)搭建與測試.測試系統(tǒng)選用2個大小一樣的模型車作為參考,按照實際車位比例預留空車位,完成自動泊車系統(tǒng)模型測試.自動泊車系統(tǒng)實際測試結果如表1所列.

表1 自動泊車系統(tǒng)實測結果

由表1可知,當車輛的前輪轉角控制在0～30°之間的6次泊車過程中,車輛模型均實現(xiàn)了快速準確的自動泊車功能,且精確度好、穩(wěn)定性高.當前輪轉角超過30°時,由于超聲波測距裝置的準確度受到干擾,車身定位與車位掃描的失誤判斷造成了自動泊車失敗.

5 結語

基于模糊控制算法的超聲波感知自動泊車系統(tǒng)完成了主控芯片K60、超聲波傳感器電路、雙軸陀螺儀、直流舵機電路設計、語音、圖像采集和電源電路等模塊的設計.系統(tǒng)通過溫度補償,提高了超聲波感知的精準度.系統(tǒng)采用了2次PID模糊控制,實現(xiàn)了平行泊車和垂直泊車功能.為了提升系統(tǒng)的人性化與智能化,添加了自動倒車影像車載顯示與語音實時提醒功能.通過仿真與測試結果表明,該自動泊車系統(tǒng)的軟硬件設計均滿足設計初衷,具備一定的實用價值.