1自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)

自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)(AutomatedParkingASSiSt,APA)利用車(chē)輛搭載的傳感器感知車(chē)輛周邊環(huán)境,掃描滿(mǎn)足當(dāng)前車(chē)輛停放的障礙物空間車(chē)位或線(xiàn)車(chē)位,并通過(guò)人機(jī)交互(HumanMachine Interface,HMI)獲取駕駛員對(duì)目標(biāo)車(chē)位的選擇或自動(dòng)確定目標(biāo)車(chē)位,自動(dòng)規(guī)劃泊車(chē)路徑,通過(guò)控制器向車(chē)輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送橫向及縱向運(yùn)動(dòng)控制指令,最終實(shí)現(xiàn)車(chē)輛安全、準(zhǔn)確、高效地泊入目標(biāo)車(chē)位,如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)泊車(chē)功能,一般將APA系統(tǒng)分為車(chē)位掃描、路徑規(guī)劃以及決策控制三個(gè)模塊,對(duì)各模塊功能描述如下:

(1)車(chē)位掃描模塊:利用車(chē)輛配置的傳感器對(duì)障礙物邊界(車(chē)、路沿等)形成的障礙物邊界車(chē)位和有車(chē)位線(xiàn)標(biāo)記的線(xiàn)車(chē)位進(jìn)行識(shí)別和掃描,輸出車(chē)位地圖信息和車(chē)輛定位信息。同時(shí)按照車(chē)位類(lèi)型對(duì)上述兩類(lèi)車(chē)位進(jìn)行區(qū)分,又可分為平行車(chē)位、垂直車(chē)位及傾斜車(chē)位三種類(lèi)型。

目前主流APA系統(tǒng)主要是通過(guò)配置的超聲波雷達(dá)和攝像頭傳感器實(shí)現(xiàn)車(chē)位掃描,兩種類(lèi)型的APA系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

由表1可以看出,超聲波雷達(dá)只能對(duì)障礙物邊界進(jìn)行測(cè)距,對(duì)車(chē)位線(xiàn)無(wú)法識(shí)別,而采用360°全景式攝像頭彌補(bǔ)了線(xiàn)車(chē)位無(wú)法識(shí)別掃描的缺點(diǎn),并且通過(guò)對(duì)圖像信息的分析處理能提供更豐富的障礙物類(lèi)型等信息。因此,在超聲波雷達(dá)和攝像頭融合的APA系統(tǒng)中,對(duì)線(xiàn)車(chē)位的識(shí)別率大幅增加,即車(chē)位檢出率得到提高。另外,將3609全景式影像(AroundViewMonitor,AVM)與APA系統(tǒng)在人機(jī)交互方面進(jìn)行融合設(shè)計(jì),為用戶(hù)在泊車(chē)過(guò)程中提供全景式視角,用戶(hù)能通過(guò)全景式影像界面直接選擇泊車(chē)的目標(biāo)車(chē)位,包括空曠區(qū)域自選車(chē)位、APA系統(tǒng)掃描出多個(gè)可泊車(chē)位供自選等場(chǎng)景,提升了用戶(hù)的體驗(yàn)感與參與感。

(2)路徑規(guī)劃模塊:根據(jù)車(chē)位掃描模塊輸出的地圖信息,結(jié)合車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,對(duì)車(chē)輛泊入目標(biāo)車(chē)位的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

(3)決策控制模塊:根據(jù)車(chē)位掃描模塊提供的地圖信息以及路徑規(guī)劃模塊提供的路徑信息對(duì)車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,使車(chē)輛按照路徑規(guī)劃的軌跡進(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛安全準(zhǔn)確泊入。決策控制模塊需同時(shí)對(duì)車(chē)輛的橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

2APA硬件架構(gòu)

目前市場(chǎng)上典型的APA硬件架構(gòu)如圖2所示,主要包括傳感器、集成控制器、人機(jī)交互(HMI)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

APA系統(tǒng)通常配置12個(gè)超聲波雷達(dá),其中包含4個(gè)長(zhǎng)距離超聲波雷達(dá),實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身兩側(cè)障礙物距離的探測(cè):8個(gè)短距離超聲波雷達(dá),實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)前和車(chē)后障礙物距離的探測(cè),如圖3所示。

同時(shí),APA系統(tǒng)與AVM系統(tǒng)共用4個(gè)高清魚(yú)眼攝像頭,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛前后左右四處視角圖像的采集以及360О全景式影像的獲取,如圖4所示。

3APA泊車(chē)控制算法設(shè)計(jì)

3.1APA算法功能需求分析

自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)APA開(kāi)啟后,利用配置的傳感器(超聲波雷達(dá)、360О環(huán)視攝像頭)自動(dòng)搜索周邊環(huán)境中的可停車(chē)位,在駕駛員確認(rèn)目標(biāo)車(chē)位后,APA自動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃并通過(guò)決策控制模塊對(duì)車(chē)輛橫、縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,包括方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、檔位、車(chē)速等方面,控制車(chē)輛自動(dòng)泊入目標(biāo)車(chē)位。結(jié)合使用場(chǎng)景和功能控制過(guò)程,對(duì)APA算法的功能需求分析如下:

(1)系統(tǒng)適用車(chē)速較低(一般在5km/h以下)的工況。

(2)車(chē)輛能夠?qū)崿F(xiàn)包括平行車(chē)位、垂直車(chē)位以及傾斜車(chē)位三種類(lèi)型車(chē)位泊車(chē)入庫(kù)功能。

(3)泊車(chē)過(guò)程中APA系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)EPS、ESP、EMS、TCU、EPB、VCU的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛橫、縱向運(yùn)動(dòng)的控制。

(4)駕駛員可以利用HMI對(duì)APA功能的開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)行控制。

(5)在整個(gè)泊車(chē)過(guò)程中,涉及用戶(hù)操作部分由HMI明確提示,形成良好的人機(jī)交互。

3.2APA控制系統(tǒng)接口確定

根據(jù)APA算法功能需求和硬件架構(gòu),確定APA控制系統(tǒng)輸入/輸出接口及信號(hào)如圖5所示。

3.3APA平行泊車(chē)控制算法設(shè)計(jì)

3.3.1掃描車(chē)位校驗(yàn)?zāi)K

掃描車(chē)位校驗(yàn)?zāi)K主要對(duì)環(huán)境感知模塊掃描識(shí)別后輸出的車(chē)位進(jìn)行校驗(yàn)。結(jié)合傳感器輸出的車(chē)位信息(B點(diǎn)坐標(biāo))和車(chē)身參數(shù),以車(chē)輛泊入過(guò)程安全無(wú)碰撞為約束條件,實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前車(chē)輛能夠成功泊車(chē)入庫(kù)的最短泊車(chē)空間距離(L)。將當(dāng)前車(chē)輛實(shí)際可泊入車(chē)位尺寸進(jìn)行比較,若滿(mǎn)足可泊入條件,則將當(dāng)前識(shí)別出的車(chē)位進(jìn)行輸出,否則繼續(xù)尋找可泊車(chē)位。以平行泊車(chē)為例,泊車(chē)過(guò)程如圖6所示。

車(chē)輛無(wú)碰撞軌跡連續(xù)最短泊車(chē)空間為:

式中:r為車(chē)輛后懸距離:Rmin為內(nèi)側(cè)輪最小轉(zhuǎn)彎半徑:d為車(chē)寬:By為待校驗(yàn)車(chē)位B點(diǎn)y坐標(biāo):l為車(chē)頭到后軸距離。

經(jīng)校驗(yàn)后的可泊車(chē)位信息經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換傳輸給控制決策模塊,一方面,可以用于AVM顯示,利用HMI提示實(shí)現(xiàn)駕駛員對(duì)可泊車(chē)位的選擇:另一方面,可用于路徑規(guī)劃,便于后續(xù)的算法處理和車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制。

3.3.2泊車(chē)初始位置校驗(yàn)?zāi)K

泊車(chē)初始位置校驗(yàn)?zāi)K主要對(duì)掃描車(chē)位校驗(yàn)?zāi)K輸出的車(chē)位進(jìn)行二次校驗(yàn)?；谲?chē)輛當(dāng)前位置和需要泊入車(chē)位的位置,以?xún)蓤A相切理論為規(guī)劃約束對(duì)當(dāng)前車(chē)位是否可泊入進(jìn)行校驗(yàn),如圖7所示。

R2圓弧通常設(shè)置為車(chē)輛最小轉(zhuǎn)彎半徑,以?xún)蓤A相切和車(chē)輛參數(shù)為約束,計(jì)算出允許泊車(chē)的初始位置范圍為(Px,Py)。將當(dāng)前車(chē)輛位置與(Px,Py)進(jìn)行比較,如在范圍內(nèi),則說(shuō)明當(dāng)前車(chē)位滿(mǎn)足可泊入條件,否則繼續(xù)尋找可泊入車(chē)位。

3.3.3泊車(chē)路徑規(guī)劃模塊

在利用HMI接口實(shí)現(xiàn)最終泊車(chē)車(chē)位的選擇后,車(chē)輛在控制決策系統(tǒng)的控制下逐漸停穩(wěn)?；趦蓤A相切原理,泊車(chē)路徑規(guī)劃模塊主要完成車(chē)輛當(dāng)前位置即預(yù)備倒車(chē)起始位置,到泊車(chē)終點(diǎn)目標(biāo)位置的局部路徑規(guī)劃,形成圓弧-圓弧組合形式的泊車(chē)路徑,如圖8所示。

3.3.4軌跡跟蹤控制模塊

軌跡跟蹤控制模塊基于泊車(chē)路徑規(guī)劃模塊輸出的擬合泊車(chē)路徑,生成車(chē)輛橫向控制及縱向控制的目標(biāo)值,即方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、檔位、車(chē)位、加速度等輸出信號(hào),同時(shí)根據(jù)車(chē)輛實(shí)時(shí)反饋的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行修正控制,保證車(chē)輛實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤規(guī)劃軌跡。

3.3.5泊車(chē)狀態(tài)控制模塊

泊車(chē)狀態(tài)控制模塊的主要功能是進(jìn)行泊車(chē)狀態(tài)邏輯的控制,需要根據(jù)HMI、車(chē)輛與車(chē)位的相對(duì)位置關(guān)系、駕駛員的操作等信息動(dòng)態(tài)調(diào)整和反饋。

泊車(chē)主要狀態(tài)包括:

(1)0FF,泊車(chē)功能關(guān)閉:

(2)Standby,泊車(chē)功能開(kāi)啟準(zhǔn)備:

(3)ParkingSpaceSearc一,尋找車(chē)位:

(4)ParkingSpacehppearA,車(chē)位有效:

(5)hStuParkinghAAiAt,輔助泊車(chē):

(o)ParkingFiniA一,泊車(chē)完成:

(7)Fail,泊車(chē)失敗。

3.3.6 HMI交互顯示模塊

HMI交互顯示模塊的功能是根據(jù)hPh的運(yùn)行狀態(tài),與駕駛員進(jìn)行交互,包括車(chē)位掃描結(jié)果的顯示、泊入目標(biāo)車(chē)位的選擇等。

4結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合主流的自動(dòng)泊車(chē)硬件平臺(tái),對(duì)自動(dòng)泊車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)?；谲?chē)輛配置確定控制算法接口,結(jié)合車(chē)輛實(shí)際泊車(chē)過(guò)程確定控制算法流程,環(huán)境感知模塊利用超聲波雷達(dá)和攝像頭傳感器進(jìn)行車(chē)位掃描,路徑規(guī)劃模塊主要采用圓弧-圓弧方式進(jìn)行局部路徑規(guī)劃,控制決策模塊根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行跟蹤和執(zhí)行器控制。整個(gè)控制算法設(shè)計(jì)合理有效,為自動(dòng)駕駛研究奠定了一定的基礎(chǔ)。