無(wú)人駕駛汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)組成與路徑規(guī)劃分析

鮑曉東， 張仙妮， 劉國(guó)強(qiáng)

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系， 北京100042； 2.北汽集團(tuán)， 北京 100028）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)汽車(chē)保有量越來(lái)越大，給人們的出行帶來(lái)了方便，駕駛汽車(chē)人員數(shù)量急劇增加，大城市的城市中心區(qū)規(guī)劃的自動(dòng)泊車(chē)的車(chē)位數(shù)量很難滿足駕駛員停車(chē)的需求，全國(guó)的大中城市交通路網(wǎng)的擁堵愈加嚴(yán)重，普遍存在停車(chē)難現(xiàn)象， 在停車(chē)的過(guò)程中引起的交通安全事故層出不窮。據(jù)權(quán)威媒體發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球道路交通事故的百分之四十以上是由泊車(chē)所引起的，所以，泊車(chē)成功是比較困難的。駕駛員在泊車(chē)的過(guò)程中，泊車(chē)過(guò)程中通過(guò)后視鏡觀察外部的環(huán)境， 可能因?yàn)楹笠曠R的形狀大小和安裝位置的因素，會(huì)導(dǎo)致司機(jī)的駕駛的視線范圍是受限制的，盲區(qū)會(huì)存在，駕駛員對(duì)周邊的環(huán)境信息不能準(zhǔn)確的識(shí)別，導(dǎo)致了泊車(chē)難度大幅度提高，會(huì)使汽車(chē)碰撞事故時(shí)有發(fā)生。同時(shí)駕駛?cè)藛T的技術(shù)千差萬(wàn)別在復(fù)雜的泊車(chē)情況下容易導(dǎo)致駕駛新手心態(tài)急燥， 對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的駕駛?cè)藛T來(lái)說(shuō)，汽車(chē)和周?chē)矬w（包括運(yùn)動(dòng)物體）實(shí)時(shí)的相對(duì)距離，并不容易判斷準(zhǔn)確， 對(duì)車(chē)輛的油門(mén)以及制動(dòng)器不好控制使車(chē)輛能夠躲避障礙物， 還有很多女性駕駛員停車(chē)犯怵，所以，如何幫助駕駛員安全的把車(chē)輛停放到指定車(chē)位，是汽車(chē)研發(fā)人員亟待攻克的技術(shù)難點(diǎn)。

1 自動(dòng)泊車(chē)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)主要是采用兩種辦法開(kāi)發(fā)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)， 一種辦法研發(fā)的泊車(chē)控制方法是收集大量人工泊車(chē)的數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能算法，使汽車(chē)按要求駛?cè)胲?chē)位，這種方法對(duì)駕駛?cè)藛T經(jīng)驗(yàn)要求較高，按駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)使車(chē)輛泊車(chē)入庫(kù)；另一種控制算法是通過(guò)路徑規(guī)劃，汽車(chē)上安裝各種傳感器，通過(guò)傳感器檢測(cè)出可泊車(chē)位置后，通過(guò)直線和圓弧曲線組合的模式，再結(jié)合汽車(chē)相關(guān)參數(shù)、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及需要繞開(kāi)的碰撞區(qū)域， 規(guī)劃出可以行駛的泊車(chē)區(qū)域， 參考當(dāng)前汽車(chē)所在的區(qū)域合理地規(guī)劃出一條泊車(chē)路徑， 基于汽車(chē)自帶的傳感器來(lái)收集自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)環(huán)境的圖像信號(hào)， 通過(guò)汽車(chē)處理單元對(duì)采集的信息進(jìn)行計(jì)算分析規(guī)劃出可以使用的車(chē)位信息以及計(jì)算出車(chē)位相對(duì)位置的距離； 由于自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)成功檢測(cè)出可以使用的車(chē)位后， 通過(guò)車(chē)載電子控制單元（Electronic Control Unit 稱(chēng)ECU），對(duì)車(chē)輛的相對(duì)于停車(chē)位和障礙物的距離進(jìn)行計(jì)算處理后， 生成一條從車(chē)輛當(dāng)前位置到停車(chē)車(chē)位的曲線路徑， 最后車(chē)載電子控制單元開(kāi)始向車(chē)輛的執(zhí)行器發(fā)出指令，控制車(chē)輛的各個(gè)子系統(tǒng)，使車(chē)輛能夠方便、準(zhǔn)確地按照規(guī)劃的路徑完成自動(dòng)泊車(chē)。 控制器對(duì)泊車(chē)路徑進(jìn)行跟蹤分析， 系統(tǒng)通過(guò)采集許多有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員自動(dòng)泊車(chē)數(shù)據(jù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等算法去模擬駕駛?cè)藛T的駕車(chē)動(dòng)作，根據(jù)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的控制算法，再根據(jù)車(chē)輛的速度和位置實(shí)施的控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向和油門(mén)，把汽車(chē)停入到合適車(chē)位上。

2 智能泊車(chē)輔助系統(tǒng)的組成

智能泊車(chē)輔助系統(tǒng)主要由信息感知單元、 電子控制單元、執(zhí)行單元和人機(jī)交互界面組成。

2.1 信息感知單元

信息感知單元的主要任務(wù)是探測(cè)環(huán)境信息（如尋找可用車(chē)位），在泊車(chē)過(guò)程中實(shí)時(shí)探測(cè)車(chē)輛的位置信息和車(chē)身狀態(tài)信息。在車(chē)位探測(cè)階段，采集車(chē)位的長(zhǎng)度和寬度在泊車(chē)階段，監(jiān)測(cè)汽車(chē)相對(duì)于目標(biāo)停車(chē)位的位置坐標(biāo)，進(jìn)而用于計(jì)算車(chē)身的角度和轉(zhuǎn)角等信息，確保泊車(chē)過(guò)程的安全可靠。

2.2 電子控制單元

電子控制單元是智能泊車(chē)輔助系統(tǒng)的核心部分，主要任務(wù)包括以下幾個(gè)方面：首先，接收車(chē)位監(jiān)測(cè)傳感器采集到的信息，計(jì)算車(chē)位的有效長(zhǎng)度和寬度，判斷該車(chē)位是否可用；其次，規(guī)劃泊車(chē)路徑，根據(jù)停車(chē)位和汽車(chē)的相對(duì)位置，計(jì)算出最優(yōu)泊車(chē)路徑；第三，在泊車(chē)過(guò)程中，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)做出必要的調(diào)整。

2.3 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元主要指汽車(chē)線控系統(tǒng)的控制器， 如轉(zhuǎn)向控制器、加速踏板控制器、制動(dòng)控制器和檔位控制器等。 根據(jù)電子控制單元的決策信息， 轉(zhuǎn)向控制器將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)化為方向盤(pán)的角度， 控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。 加速踏板控制器、制動(dòng)控制器和檔位控制器互相配合，從而控制汽車(chē)泊車(chē)速度以及前進(jìn)或倒車(chē)。汽車(chē)線控系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合，控制汽車(chē)按照指定命令完成泊車(chē)過(guò)程。

2.4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面用于接受駕駛?cè)说某跏疾僮髦噶?，并在智能泊?chē)過(guò)程中，顯示重要信息，以便駕駛?cè)穗S時(shí)掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 首先利用車(chē)載傳感器掃描汽車(chē)周?chē)h(huán)境，通過(guò)對(duì)環(huán)境區(qū)域的分析和建模，搜索有效泊車(chē)位。 當(dāng)確定目標(biāo)車(chē)位后， 系統(tǒng)提示駕駛?cè)送＼?chē)并啟動(dòng)自動(dòng)泊車(chē)程序，根據(jù)所獲取的車(chē)位大小、位置信息，由程序計(jì)算泊車(chē)路徑，然后自動(dòng)操縱汽車(chē)泊車(chē)入位[1]，如圖1 所示。

圖1 智能泊車(chē)輔助系統(tǒng)的組成

3 停車(chē)位的檢測(cè)

停車(chē)位置的檢測(cè)是泊車(chē)系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也關(guān)乎自動(dòng)泊車(chē)能不能成功；通過(guò)視覺(jué)傳感器對(duì)停車(chē)車(chē)位進(jìn)行檢測(cè)分析；車(chē)位檢測(cè)是判斷安全停車(chē)的前提，車(chē)位檢測(cè)準(zhǔn)確與否不僅決定了測(cè)距的準(zhǔn)確性，也決定了能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的停車(chē)安全隱患。識(shí)別算法用于判斷圖像序列中是否存在車(chē)輛，并獲得其基本信息，如大小、位置等。 攝像頭跟隨車(chē)輛在停車(chē)位上停車(chē)時(shí)，所獲取的道路圖像中，車(chē)輛的大小、位置和亮度是在不斷變化的。 由于車(chē)輛識(shí)別時(shí)需要對(duì)所有圖像進(jìn)行搜索，所以，車(chē)輛識(shí)別算法的耗時(shí)較長(zhǎng)。而跟蹤算法可以在一定的時(shí)間和空間約束條件下進(jìn)行目標(biāo)搜索，還可以借助一些先驗(yàn)知識(shí)，因此計(jì)算量較小，可以基本滿足預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求[2]，如圖2 所示。

圖2 智能泊車(chē)系統(tǒng)

通過(guò)超聲波傳感器的檢測(cè)車(chē)的位置是傳感器發(fā)射的超聲波到接收回波時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度不同， 根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度測(cè)算距離得到車(chē)位空間長(zhǎng)度。 其檢測(cè)車(chē)位的過(guò)程如圖3 所示，當(dāng)車(chē)主打開(kāi)自動(dòng)泊車(chē)功能后，在平行車(chē)位車(chē)輛低速行駛時(shí)，超聲波探頭探測(cè)到第一個(gè)車(chē)時(shí)，測(cè)量的距離變化范圍很小，傳感器探頭離開(kāi)第一輛車(chē)的時(shí)侯，超聲波探測(cè)的距離突然變大，自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)會(huì)把行程記錄下來(lái)；然后超聲波探測(cè)的距離將會(huì)在小范圍內(nèi)波動(dòng)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄最小值，當(dāng)?shù)诙v車(chē)被超聲波探頭探測(cè)到的時(shí)侯，探測(cè)的距離在小范圍內(nèi)波動(dòng)， 系統(tǒng)將記錄這個(gè)過(guò)程中波動(dòng)的最小值，自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)便完成了車(chē)位的檢測(cè)。使用超聲波探測(cè)車(chē)位受到很多條件的限制，當(dāng)車(chē)位周邊有阻擋物體時(shí)，超聲波傳感器會(huì)參照測(cè)距變化的情況來(lái)檢測(cè)出車(chē)位位置；在車(chē)位四周沒(méi)有阻擋物卻存在停車(chē)車(chē)位置線時(shí)侯，會(huì)使用攝像頭對(duì)目標(biāo)車(chē)位檢測(cè)；如兩種情況都存在時(shí)侯，會(huì)先使用超聲檢測(cè)， 以車(chē)位四圍的障礙物和安全車(chē)距標(biāo)準(zhǔn)作為車(chē)位評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[3]。

圖3 車(chē)位檢測(cè)

4 自動(dòng)泊車(chē)路徑規(guī)劃

自動(dòng)泊車(chē)路徑規(guī)劃是在傳感器檢測(cè)到合適的停車(chē)位之后，根據(jù)停車(chē)位之間的相對(duì)位置條件，在滿足車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)條件、停車(chē)環(huán)境的條件下，規(guī)劃出一條沒(méi)有碰撞的連續(xù)的自動(dòng)泊車(chē)路徑曲線。 自動(dòng)泊車(chē)規(guī)劃的路徑過(guò)程的輸入量為泊車(chē)四周環(huán)境信息和車(chē)輛信息以及規(guī)范停車(chē)等相關(guān)的參數(shù)， 輸出參數(shù)為自動(dòng)泊車(chē)參考路徑和路徑跟蹤控制相關(guān)的控制參數(shù)。 依據(jù)平行泊車(chē)和垂直泊車(chē)道路場(chǎng)景的路徑規(guī)劃進(jìn)行研究， 根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向建立車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并提出車(chē)輛運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的解決方案，關(guān)注自動(dòng)泊車(chē)路徑目標(biāo)路徑規(guī)劃的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等多性能，通過(guò)多項(xiàng)式優(yōu)化獲得最佳的自動(dòng)泊車(chē)路徑方案[4]。

4.1 汽車(chē)阿克曼轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

阿克曼轉(zhuǎn)向理論是為了解決車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)， 車(chē)輛轉(zhuǎn)向輪的左右轉(zhuǎn)彎半徑不同而導(dǎo)致車(chē)輛的左右兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角度不一致的情況。應(yīng)用阿克曼轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，利用四連桿曲柄， 能夠使汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)將車(chē)輛內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)向角度比外側(cè)轉(zhuǎn)向角大20～40， 車(chē)輛四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)彎半徑圓心交會(huì)于后軸延長(zhǎng)線上，即車(chē)輛的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，從而車(chē)輛能夠順利的完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。在車(chē)輛進(jìn)行泊車(chē)操作時(shí)，將車(chē)輛的泊車(chē)運(yùn)動(dòng)視為兩個(gè)具有相同圓心但不同半徑的圓周運(yùn)動(dòng)。 如圖4 所示。 阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理就是指汽車(chē)的內(nèi)、外輪駛過(guò)的曲線都是以圓點(diǎn)在同個(gè)圓心的圓弧上，或者是內(nèi)外輪每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)曲線的切線作垂線總是相交于同一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是汽車(chē)轉(zhuǎn)向中心。

圖4 阿克曼轉(zhuǎn)向圖

由阿克曼轉(zhuǎn)向原理可知， 車(chē)輛轉(zhuǎn)向輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)向角滿足以下關(guān)系：cosα-cosβ=k/L

基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理， 可以將四個(gè)輪子的汽車(chē)轉(zhuǎn)向模型等效變成一個(gè)兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)角的自行車(chē)模型，如圖5 所示。根據(jù)幾何關(guān)系可以得出：cosα+cosβ=2cotδ.由于自動(dòng)泊車(chē)工況車(chē)輛運(yùn)行速度很低， 這時(shí)假設(shè)車(chē)輛不受側(cè)向力的作用，車(chē)輪沒(méi)有側(cè)向滑動(dòng)，可以認(rèn)為車(chē)輛限制是車(chē)輛是在縱向方向上滾動(dòng)，而不發(fā)生橫向的滑移。根據(jù)以上理論建立車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖6 所示。

圖5 前輪轉(zhuǎn)向示意圖

圖6 汽車(chē)運(yùn)動(dòng)模型

4.2 平行泊車(chē)可行起始區(qū)域分析

目前研究范圍存在的路徑規(guī)劃方法，主要是因?yàn)閳A弧直線路徑的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便， 自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)通過(guò)它能快速分析出泊車(chē)所需的最小車(chē)位最小轉(zhuǎn)彎半徑的圓弧與直線組合的方式作為路徑規(guī)劃方法算單步平行泊車(chē)所需的最小車(chē)位與可行泊車(chē)起始區(qū)域[5]，如圖7 所示。

圖7 圓弧和直徑路徑規(guī)劃

5 結(jié)論

通過(guò)智能汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)中對(duì)路徑規(guī)劃及跟蹤等內(nèi)容進(jìn)行了探討， 得出了智能汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)的路徑規(guī)劃算法， 初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)泊車(chē)路徑的實(shí)時(shí)性控制和精確跟蹤?？偨Y(jié)了基于多性能目標(biāo)的路徑規(guī)劃方法優(yōu)化的方法。在面對(duì)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問(wèn)題，要考慮安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等多性能指標(biāo)。 根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向理論構(gòu)建智能汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)的運(yùn)動(dòng)模型， 對(duì)汽車(chē)采用運(yùn)動(dòng)包絡(luò)分析的方法，通過(guò)車(chē)輛外輪廓區(qū)域邊界線轉(zhuǎn)化為函數(shù)關(guān)系。同時(shí)對(duì)對(duì)舒適性、安全性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)進(jìn)行分析量化，最后，綜合考慮自動(dòng)泊車(chē)過(guò)程安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)函數(shù)及約束條件， 最后自動(dòng)泊車(chē)路徑規(guī)劃方法完全能夠滿足車(chē)輛自動(dòng)泊車(chē)時(shí)的多種要求。