自動泊車系統模擬樣機的設計與制作

國 芳, 夏 帥, 李德才, 李 琨

（1.江蘇建筑職業技術學院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業大學徐海學院,江蘇 徐州 221008）

自動泊車系統模擬樣機的設計與制作

國 芳1, 夏 帥2, 李德才2, 李 琨2

（1.江蘇建筑職業技術學院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業大學徐海學院,江蘇 徐州 221008）

隨著汽車數量的飛速增加，城市停車空間日趨緊張，泊車環境越來越復雜，車輛泊車入位困難問題日益突出，自動泊車系統已成為國內外研究的熱點問題。針對實際系統體積大、成本高、系統復雜等問題，設計制作了適用于實驗室研究的模擬樣機，對自動泊車路線進行了規劃設計和程序設計，并在模擬樣機上實現水平式、垂直式兩種車位的自動泊車功能。

自動泊車;模擬樣機;路徑規劃;最小轉彎半徑

0 引言

經濟的發展提高了人們的生活水平，汽車的普及在為出行提供便利的同時也遇到了諸如停車位不足、停車位空間緊湊、泊車困難等問題，泊車操作過程中出現的事故頻繁發生。據2006年密歇根大學交通研究所的交通事故調查報告統計：因泊車操作引起的交通事故，占所調查全部交通事故的44%，其中進入車位事故發生率為34%，駛離車位事故發生率為10%[1]。為提高汽車使用的安全性和舒適性，滿足消費者對泊車系統的需求，自動泊車系統已成為國內外研究的熱點。

20世紀40年代開始了對自動泊車輔助系統的研究，通過泊車輔助裝置引導駕駛員轉向操作，輔助駕駛員完成泊車。20世紀80年代后期，電動助力轉向系統的產生推動了自動泊車系統的研究，電控轉向技術的日趨成熟使泊車系統研究取得了較大進展。目前，國外已經有多家公司為高端豪華車型配備了自動泊車功能，但國內對于自動泊車系統的研究起步較晚，與國外公司仍存在較大差距。

自動泊車系統的關鍵技術問題主要包括全車位檢測、路徑規劃、路徑跟蹤等三大問題。自動泊車實際系統體積大、造價高、場地要求高、實驗存在較大安風險，不利于學校實驗室研究和教學工作，基于以上問題，此文設計制作了一套自動泊車系統的模擬樣機。

1 模擬樣機硬件電路設計

自動泊車模擬樣機以全國大學生智能車競賽專用A車模作為控制對象，該車模采用7.8V充電電池供電，便于傳感器、電路板的安裝。根據自動泊車系統的功能要求，系統硬件主要包括車位檢測、轉向控制、路徑測量、車速控制、人機交互接口、電源管理等部分，自動泊車系統的整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 自動泊車系統整體硬件框圖

1.1 自動泊車控制系統

自動泊車系統不僅要采集車位、車速等信息，還要進行復雜的路徑規劃和轉向、車速控制[2]，綜合以上因素，選擇飛思卡爾公司生產的Kinetis K60型號單片機為自動泊車系統的控制芯片。K60為基于ARM Cortex M4內核的混合信號為處理器，采用32位處理器內核，總線頻率可達200MHz，合了最新的低功耗革新技術，具有高性能、高精度的混合信號能力，并且具備PWM、DMA、ADC、DAC等豐富的外設資源，可滿足自動泊車系統的控制需要。

1.2 車位檢測與轉向控制

1.2.1 測距傳感器選擇與布置

常用的測距模塊包括紅外測距、激光測距、攝像頭測距、超聲波測距等，表1為幾種測距方式的對比分。綜合探測距離、響應時間、成本等因素考慮，最終確定本系統采用型號為HC-SR04的超聲波傳感器進行距離檢測。

表1 幾種測距方式的對比

為實現對車位的準確檢測，本模擬樣機共采用8只超聲波傳感器，空間布置如圖2所示。

轉向控制采用型 號 為 Futaba S3010舵機伺服器，該舵機6V時扭力可達6.5kg.cm，動作速度0.16±0.02sec/60°，可滿足模擬樣機的轉向控制。

1.3 路徑測量與車速控制

自動泊車系統運行中，需要根據路徑確定轉向、速度，因此需要實時獲取車模的位置，本設計中采用歐姆龍E6A2-CW3C型 200線增量式編碼器進行轉速的檢測，通過對轉速的積分獲取路徑信息。

圖2 超聲波傳感器的空間布局

泊車過程中，需要對車模運行速度進行控制，模擬樣機是通過一直流電機帶動車模運行，因此需要設計直流電機的驅動電路。本模擬樣機中采用了由兩片BTS7970驅動芯片組成的H橋式直流電機驅動電路，電路圖如圖3所示。

圖3 車速控制電路設計

1.4 電源管理電路

模擬樣機采用7.8V電池提供電能，而單片機最小系統需要3.3V供電，超聲波模塊和直流電機驅動模塊需要5V供電，舵機轉向系統需要6V供電，因此在向各個模塊提供電能時，需要進行電壓的轉換，已確保系統的正常穩定工作，圖4給出了系統電源管理電路的框圖。

2 車位檢測與路徑規劃

2.1 自動泊車最小轉彎半徑計算

最小轉彎半徑指的是當轉向機構轉到極限位置時，車輛以能使車輛穩定的最低車速轉向行駛時，其外側轉向輪中心平面在地面上滾動的軌跡圓半徑。它所表征的是車輛能夠通過彎曲狹窄地帶或者能夠繞過不可越過障礙物能力。轉彎的半徑越小，車輛的機動性能就越好。

圖4 模擬樣機電源管理電路框圖

圖5 最小轉彎半徑軌跡

根據圖2所示的車模參數，其中，La表示車長，Wa表示車寬，不包含后視鏡、轉向燈等部位；軸距用Lb表示；前懸長用Lc表示；后懸長設為Ld。結合圖5所示的最小轉彎半徑軌跡可得：

車道內邊沿所在的圓的半徑：

車輛外輪廓運動軌跡所在圓的最外沿半徑：

以最小半徑轉彎時車道安全寬度：

2.2 超聲波測距與車位檢測

當超聲波從空氣垂直入射到固體表面時，產生全反射，反射回來的回波具有足夠的能量被接收探頭收到，實現距離測量。單片機實現超聲波測距的計算公式如式（5）所示。

其中：v表示超聲波在空氣介質中的傳播速度，Ts表示單片機中設定的中斷周期，M表示在一個脈沖讀取周期內進入中斷的次數。

以水平式車位自動泊車為例說明車位檢測的原理。當自動泊車功能啟動后，位于車模右側的傳感器器實時車模右側距離是否大于車模寬度，同時，編碼器路徑測量模塊記錄車位長度。當車位寬度和長度均大于設定值時，表明該車位可停車，實現車位的檢測。

2.3 自動泊車路徑規劃

當車位通過可行性驗證后，自動泊車系統開始規劃路徑進行泊車。此文針對兩種最常見的水平式、垂直式泊車位闡述路徑規劃原理和泊車過程。

2.3.1 水平式泊車位路徑規劃

結合圖6闡述水平式泊車位路徑規劃過程：

（a）尋找空閑車位：找到最小轉彎半徑圓所指的圓心。（b）進入第一個最小圓軌跡：確定車位水平距離。（c）進入第一個最小圓與第二個最小圓軌跡的交點。（d）車輛到達預定位置，車輛進行局部調整。

圖6 水平車位自動泊車路徑規劃

2.3.2 垂直式泊車位路徑規劃

結合圖7闡述垂直式泊車位路徑規劃過程：

（a）四分之一圓軌跡路徑。（b）車輛泊車后期的局部調整。

3 自動泊車系統軟件設計與測試

需要泊車時，通過功能按鍵啟動自動泊車功能，選擇車位類型，控制系統通過車位檢測單元檢測車位數據并進行泊車路徑規劃并進行可行性分析。只有當可行性驗證通過后，路徑測量模塊實時檢測汽車位置，并調整汽車運行速度，并將汽車位置在液晶顯示器輸出顯示。整個系統的程序流程圖如圖8所示。

編寫自動泊車系統的程序，并在實驗室搭建簡易停車位進行水平式、垂直式兩種停車位的自動泊車實驗，自動泊車過程如圖9、10所示。實驗結果表明，所研究的車位檢測、路徑規劃及轉向、轉速控制實現了模擬樣機的自動泊車功能，達到了預期目標。

圖7 垂直式車位自動泊車路徑規劃

圖8 自動泊車系統程序流程圖

4 結語

此文設計制作了一種自動泊車系統模擬樣機，通過8只超聲波傳感器器獲取車位數據，采用最小轉彎半徑原理對自動泊車路徑進行了規劃，實現了水平式、垂直式兩種車位的自動泊車功能。

圖9 水平式停車位自動泊車系統測試

圖10 垂直式停車位自動泊車系統測試

[1]李紅.自動泊車系統路徑規劃與跟蹤控制研究[D].長沙：湖南大學,2014.

[2]王芳成.自動平行泊車系統的研究[D].合肥：中國科學技術大學, 2010.

[3]高航.自動垂直泊車方法研究[D].合肥：中國科學技術大學, 2011.

[4]姜輝.自動平行泊車系統轉向控制策略的研究[D].吉林：吉林大學,2010.

[5]宋金澤.自動泊車系統關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學,2009.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.038

國芳（1985-）,女,碩士,中級,主要研究方向：電力系統分析。