自動平行泊車技術綜述

劇　季，陳淑榮，孟　飛

(1.上海海事大學 信息工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 商船學院，上海 201306)

自動平行泊車技術綜述

劇季1，陳淑榮1，孟飛2

(1.上海海事大學 信息工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 商船學院，上海 201306)

摘要：在汽車數量逐年增加、城市中停車空間日益緊張的情況下，如何安全泊車成為駕駛員面臨的難題。國內外學者很早就開始了自動平行泊車技術的研究，如今自動平行泊車技術已經引起了研究者廣泛的重視。筆者從技術模型層面討論了路徑規劃和最小車位檢測兩個關鍵技術，通過分析自動平行泊車的研究現狀,并結合自動平行泊車系統的具體應用，對當前汽車的運動模型、泊車路徑進行規劃、相應的控制算法以及試驗平臺驗證方案的可行性進行了分析研究。

關鍵詞：自動泊車；模糊控制；路徑規劃；最小車位；自動泊車系統

隨著機動車保有量的迅速增加，道路交通和安全駕駛面臨的挑戰日益增多。據調查，我國22%的汽車交通事故是由泊車引起的。在狹窄的空間內安全平行泊車并不是一件容易的事。在倒車過程中，駕駛員無法完全了解汽車周圍的環境情況，只能依靠倒車鏡和倒車雷達來觀察汽車周邊情況。然而，上述輔助泊車工具所觀測的視角是有限的。在倒車過程中，駕駛員不僅需要控制轉向、離合、剎車、油門，同時還要時不時轉身檢查車后方以及車身兩側的情況。可見，倒車是一個較為復雜的過程，需要駕駛員精確控制車輛。如果在路邊泊車出現事故，在造成經濟損失的同時，還會導致交通堵塞，甚至可能危及駕駛員的生命安全。因此，安全性問題是駕駛員在平行泊車過程中最為重要的一個問題。

隨著工業4.0的到來，物聯網技術逐漸應用于各個領域。在“智能汽車”上所涉及的控制、傳感器等技術已經得到長足發展，現今很多汽車廠商已經宣稱研制出 “智能汽車”，但大部分還停留在概念車階段。自動泊車作為汽車智能化的一個重要的方向，受到了越來越多的關注。自動泊車系統通過安裝在車體上的傳感器來感知周圍的環境，驅動裝置按照預先設定好的數學模型，由控制算法來進行控制，實現自動倒車過程。自動泊車系統根據事先設計好的策略對方向盤進行位置跟蹤控制，避免發生車輛碰撞，提升了倒車的安全性，能夠減輕駕駛員泊車時的心里負擔，幫助駕駛員安全將車停到相應的停車位中。因此，如何實現自動泊車對輔助駕駛員泊車，減少泊車事故具有極其重要的意義。

1自動平行泊車

自動泊車是車輛自動判斷出停車位并自動駛入車位而不發生摩擦、碰撞，包括平行泊車、垂直泊車和一定角度泊車。實現自動泊車的基礎是自動泊車系統對周圍環境的檢測，即通過傳感器完成車位探測、車身定位以及泊車方向的確認。

自動泊車首先是要判斷是否有合適的停車位。要實現自動泊車，首先對停車位的長寬有一定的要求，需要大于系統的設定值，以車身為參考，長度大于車長若干厘米，寬度大于車寬若干厘米。倒車軌跡的處理分為兩種，一種是規劃泊車，即按照設計者設計好的路線進行平行泊車，方向盤轉向角度及對應的時間都是規劃好的，沒有多少變動性；另一種是經驗泊車，即研發人員擬定一條大致的倒車軌跡，在正式倒車過程中再根據實際情況微調倒車路線。

平行泊車過程可以概括為：當汽車在初始位置，自動泊車系統首先計算出相應的路線，駕駛員確認自動泊車開始后，雙手松開方向盤，控制油門和離合，使汽車低速行駛配合自動泊車的轉向。如果把汽車看作一個質點，則整個倒車過程可以看作兩端圓弧相切的過程。

2關鍵技術

2.1建立汽車運動模型

汽車運動模型是研究自動泊車的基礎。首先，自動泊車需要對其運動路徑進行規劃；其次，由于泊車時車速較低，一般認為汽車沒有側滑，并且把汽車看作剛體，需分析汽車各個頂點、四個輪胎與地面接觸點、汽車中心以及偏向角度間幾何關系。因此，建立汽車運動模型是研究自動泊車的重要環節。

在自動泊車中，建立汽車的運動模型這一技術已經相當成熟，其中的關鍵技術是平行泊車的轉向控制和路徑規劃。

2.2路徑規劃

路徑規劃時，常將汽車后輪中點或者內側后輪的軌跡看作整個汽車的運動軌跡。忽略方向盤轉向時間，如果將汽車內側后輪看作一個點，倒車軌跡可以簡化成兩段相切的圓弧，如圖1所示。

圖1　倒車軌跡簡化圖

一條良好的倒車曲線不僅要求汽車順利地倒入停車位，不能與周圍障礙物發生摩擦、碰撞，而且還需要考慮停車后的汽車姿態，盡可能縮短有效車位的大小。

在規劃路徑時，倒車起點、兩端圓弧的切點、倒車終點是三個關鍵的位置。此外，確定倒車圓弧半徑的大小也非常重要，而圓弧的半徑受到的約束條件為：(1)停車位的大小；(2)汽車最小轉彎半徑；(3)起始位置的確定。

兩條圓弧半徑選取的計算比較困難，一般可以先設定一個圓弧的半徑，再計算另一個。把泊車的過程看作從停車位駛出的逆過程。以圖2為示例，假設汽車在停車位以最小的轉向半徑R1駛出車位，在切點位置朝相反的方向轉動方向盤，第二段圓弧的半徑R2未知。根據駕駛員的經驗，當車身與汽車初始方向成45°時，汽車所在的位置A點為圓弧的切點。由汽車運動模型可以計算出該點的坐標。

圖2　泊車切點示意圖

假設汽車在車位以最小轉向半徑駛出時，圓心O在后輪所在的直線上，圓心到車身外側的頂點為半徑作圓(圖3)。只要汽車外側頂點B不發生碰撞，這個車位即為最小有效車位，長度即圖3中L所示。

圖3　汽車最小車位示意

2.3轉向控制

泊車過程中對方向盤的控制可以簡化為兩個階段：方向盤向一個方向打死(或者保持一定的角度)，保持一段時間，當汽車到達兩端圓弧相切的位置，方向盤快速向反方向打死(或者保持一定的角度)。由于轉向電機控制方向盤打死需要一些時間，不是一瞬間內就能完成的動作，所以不可能嚴格按規劃的路線進行。在泊車過程中，通過模糊控制理論，根據汽車的位置和航向角，對汽車的姿態實時進行調整，可以彌補車輛側滑、傳動轉置的誤差，讓汽車回歸事先規劃的路線。

如果平行泊車過程中汽車一旦發生側滑，車輛會偏離規劃的路徑，系統無法彌補該誤差，若采用多次進退來消除這個誤差，反而增加了泊車的時間成本，因此一般對轉向電機進行模糊控制。

3國內外研究現狀

目前，對于自動平行泊車的研究很多，大致分為兩個方面：一是路徑規劃，建立起汽車運動模型后，研究者根據車位分布的情況，加一些防止碰撞的約束條件，規劃處一條路徑，然后控制汽車轉向和車速，使車輛進入停車位。常用的路徑有正弦曲線和兩端圓弧相切。另一方面是基于經驗的算法研究，研究人員通過神經網絡算法、遺傳算法、模糊控制、自組織自適應算法、蟻群算法等方法設計出智能控制器。

3.1國外研究現狀

國外對自動泊車的研究起步較早，早在1989年斯坦福大學的Derrick Nguyen和Bernard Windrow教授首次發表了基于神經網絡的半掛車自動泊車研究成果[1]。1990年，南加州大學的Seong Gon和Bart Kosko發表了《卡車倒車控制系統中模糊控制和神經網絡的比較》[2]，該文指出：在解決小車倒車問題時，模糊控制比神經網絡更精確，誤差更小[3]。1994年，Laumont 等人通過計算兩條路徑的方法第一次實現了自動平行泊車[4]，第一條是不考慮不完全約束條件的情況下，規劃出一條避免碰撞的路徑，第二條軌跡是滿足上一條忽略的約束條件下，使兩條路徑盡可能吻合。1999年，英國K.Jiang、L.D.Seneviratne等人將平行自動泊車分為檢測、定位、調整三個階段，路徑是在可能碰撞區外規劃的，采用圓弧和若干直線相接，可以在車位和汽車尺寸已知的情況下直接倒車，并且路徑是唯一的。此外還研究了速度因素、橫縱向運動、狹小空間汽車轉角限制等不確定因素給泊車帶來的影響，該實驗通過搭載泊車系統機器人驗證了方案的可行性[5]。之后，荷蘭的Ming Feng Hsieh等人針對泊車過程中汽車可能無法嚴格按照規劃的路徑行駛，建立了一種可以實時控制的泊車控制器，該控制算法可以根據不同起始位置實現自動泊車，并通過汽車模型驗證了算法的可行性[6]。

為了適應不同環境下的自動泊車，日本千葉大學的Liu 等人以汽車速度和轉向角為控制參量的方法，針對轉向角和車位的限制進行路徑規劃，采用實時避障算法使該系統適用于多種泊車情況[7]。

美國佛羅里達州大學的Zhao等人研究在自動泊車中應用模糊控制的技術，研究了狹小車位的自動平行泊車，并通過精確計算、大量仿真和實驗結果驗證了模糊控制的可行性，該控制系統可以對于1.4倍車長的停車空間實現自動平行泊車[8]。

為了提高定位的精確度，韓國的Young-Woo Ryu等人用模糊控制的方式在前人的基礎上改進了泊車系統，試驗中采用視頻傳感器和16個超聲波傳感器進行車輛定位，使用神經網絡自學習算法減小視頻傳感器所產生的圖像變形，控制系統中采用基于FLC的Heuristics的算法，利用ES微調控制器控制輸入輸出參數，極大地提高了定位的精確度，并用輪式機器人驗證了該控制系統的可行性[9]。

3.2國內研究現狀

國內對自動泊車技術研究起步較晚，對泊車問題的研究尚停留在初級階段，主要以Kosko倒車系統為基礎，對汽車倒車入庫進行研究。Kosko問題為在一個100 m×100 m的廣場(封閉區域)內，控制系統檢測到車輛位置坐標和車身與水平夾角，以此為基礎控制車輛的轉向，控制車輛從小門駛出區域。

1999年，西安電子科技大學的李漢兵等人研究了模糊控制預測器，解決了任意位置下駛出小門的問題。由于Kosko倒車系統中存在一些死區，當汽車靠近封閉區域邊界時，車輛無法從小門倒車出庫，李漢兵等人方法解決從死區倒車的問題，讓車首先進入該點，再進行倒車，能不改變Kosko倒車規則的情況下，解決了從死區倒車的問題[10]。

2001年，清華大學的于偉等人以Kosko的模糊控制為切入點，針對卡車倒車過程中所涉及到的復雜環境等問題進行了詳細分析，并建立相關數學模型，通過虛擬現實的方式驗證了卡車倒車的運動過程，采用遺傳算法對控制器輸入輸出量進行參數優化，縮短了倒車軌跡和倒車時間，但仍沒有解決倒車存在“死區”的問題[11]。之后，北京師范大學的楊昔陽采用變域論模糊控制器，該控制器使參數隨著產生的誤差進行調整，大大提高了控制器的靈活性[12]。將該方案與普通模糊控制仿真相比較，結果證明適應性和控制準確度比普通模糊控制要好。

2007年，吉林大學的李占江針對遺傳算法和模糊控制理論進行研究，分別對自動平行泊車、自動垂直泊車、自動斜式泊車設計了模糊控制器，通過仿真發現控制輸入和控制輸出的選取、預備停車位置以及停車區間的長度和寬度對自動泊車的控制效果影響大，認為研究重點應放在倒車控制中轉向控制器的控制算法上[13]。

2009年，吉林大學的張輝針對自動倒車入庫的目標庫的選擇、轉向控制算法、行為控制進行了研究。他首先推導出汽車低速倒車模型，根據模型進行了REEDS算法、模糊邏輯算法、估算算法和ANFIS的仿真，得到了方向盤轉向角與路程的關系，最后與仿真數據對比，選擇了典型初始狀態進行實車試驗[14]。張輝的創新之處在于：根據路程數據估算汽車的橫縱坐標位置；由估算算法實現汽車自動倒庫；設計了能實現捷達車自動倒庫的模糊邏輯控制器；對轉角與路程的關系進行仿真和實驗，以減小車速對倒車的影響。同年，吉林大學的尚世亮針對車位探測和定位算法展開研究，認為泊車過程中路徑運動模型中的控制由四個時間變量決定，要實現自動泊車僅僅需要對這四個變量進行輸出調整即可實現自動泊車，并利用遺傳算法對平行泊車轉向控制變量進行優化，提出了針對不同車輛及位置關系的平行泊車轉向控制策略，通過實車試驗，完成了對泊車轉向電機的控制，驗證了策略的有效性[15]。

2010年，姜輝采用連續函數反正切曲線逼近原倒車軌跡，解決了因跟蹤原來倒車軌跡產生的轉向盤轉角突變、轉向盤控制轉速過快的問題，并解決了自適應神經網絡如何獲取平行泊車模糊控制邏輯的瓶頸問題[16]。

2012年，中科院微電子研究所的林蓁蓁等人對現有的五階多項式路徑規劃方法加以改進，采用二分法和遺傳算法計算最小車位，并針對性地設計了帶罰函數的遺傳算法，通過仿真驗證該方法的可行性，實驗結果認為最小車位是車身長度的1.35倍。

2013年，華南理工大學的楊昊根據實驗得出方向盤轉角和前輪轉角的關系，規劃了兩段圓弧相切的路徑，采用五階多項式曲線擬合兩圓弧軌跡，解決了兩段圓弧相切拐點處速度波動給系統帶來的干擾問題，實現了兩圓弧軌跡的又一次升華[17]。

3.3自動泊車系統的應用

早在1991年，法雷奧公司在寶馬7系車輛上運用倒車雷達，標志著自動泊車系統發展的開始。與此同時，自動泊車的理論研究不斷進步，自動泊車系統也逐漸成熟起來。

2006年，豐田公司將配有APGS系統的雷克薩斯旗艦車LS460引入中國，該車在前后保險杠上裝有超聲波傳感器，可以探測到車身兩側1.6 m的范圍。當探測到有效停車位時掛上倒擋，倒車雷達將汽車后部的影像傳導到顯示屏上，駕駛員通過觸摸屏幕選擇泊車或者倒庫以及目標停車地點。泊車開始后系統自動控制汽車轉向，駕駛員只需控制車速即可。泊車過程中，汽車尾部的攝像頭實時追蹤地面停車標志并及時修正，如果泊車時因轉向過快出現汽車甩尾，系統會自動降低轉向速度。該車可以自動完成垂直泊車和平行泊車，平行泊車要求車位至少比車身長1.83 m。泊車時，駕駛員一旦踩下剎車或者轉動方向盤則可以終止自動泊車。2007年，豐田公司在頂級轎車LEXUS系列上應用了智能泊車助手，該系統通過超聲波傳感器檢測汽車位置信息，攝像頭實時識別泊車線，控制單元根據采集的環境數據對方向盤進行控制，駕駛員只需控制倒車速度即可完成自動泊車。

大眾推出的途安MPV車型是大眾第一款使用大眾自主研發的泊車系統。2009年推出的邁騰尊享版采用德國原廠自動泊車系統，可以完成自動平行泊車。邁騰車應用第二代泊車系統，可完成垂直泊車和平行泊車，有效停車位只需比車身長0.8 m。該車通過超聲波傳感器檢測有效車位，當車速低于30 km/h時，車輛兩側的雷達開始檢測，判斷車位寬度與深度，從而計算泊車路線。駕駛員掛入倒檔后，車上所有傳感器同時工作，實時檢測環境信息，駕駛員只需控制車速即可。如果車輛在車位中前后位置偏移，只需掛好前進或者倒車檔，系統會自動調整汽車位置。大眾車型部分車輛采用的是法雷奧公司研發的“Park4U”自動泊車系統，該系統要求有效車位大于車身1.4 m，泊車過程中駕駛員只需控制車速即可完成倒車。如果想要終止泊車，只需踩下踏板或者轉動方向盤即可。手動檔汽車和自動檔汽車均可使用Park4U系統。而法雷奧研發的下一代系統目標是讓汽車可以在更復雜的情況下實現自動泊車，當車位比車身長1 m時可以完成自動泊車。由于車位狹小，該系統在避免碰撞的前提下把車駛入車位，但最終位置不一定理想，需要人工調整。

先前的自動泊車系統仍需要駕駛員控制車速，大眾之后推出的途銳概念車上不再需要駕駛員控制車速，駕駛員確定好起始位置后，可以離開車輛通過車鑰匙遙控來啟動自動泊車系統，實現了真正意義上的自動泊車。如果駕駛員需要車輛駛出車位，通過另一個按鍵可以啟動汽車，汽車自動駛出車位，停在泊車起始的位置。

4總結

平行自動泊車分為三個階段：第一階段是確定是否有合適的車位后進入泊車起始位置，同時規劃泊車路徑；第二階段是倒車初步進入停車位置；第三階段是調整汽車停入車位。其中最關鍵技術是規劃泊車路線和轉向控制。

最初，國外學者對自動泊車研究的重點放在控制算法上，從神經網絡在自動泊車的首次應用，到得出模糊控制在小車倒車中比神經網絡更精確的結論，開啟了國外學者對自動泊車研究的熱情。而后研究重心逐漸轉移到路徑規劃上，研究主要集中在逐漸減小停車位的大小、汽車起始位置對自動泊車的限制等方面。

國內對自動泊車的研究起步較晚，主要以Kosko倒車系統為基礎開展研究，主要集中于神經網絡、模糊控制等方面，為后人研究奠定了基礎。隨著研究的深入，最小車位和車輛起始位置的約束越來越小，控制算法也愈發成熟。

目前大部分自動泊車系統還需駕駛員控制車速，并不是真正意義上的自動泊車，相信在不久的將來，大部分車型將配有自動泊車系統，且我國也將自主研發出具有真正意義上的自動泊車的控制系統。

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(責任編輯：張凱兵)

收稿日期：2016-03-07

作者簡介：劇季(1992-)，男，河北石家莊人,上海海事大學信息工程學院碩士研究生。

中圖分類號：U471.15

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4824(2016)03-0046-05

陳淑榮(1972-)，女，陜西西安人，上海海事大學信息工程學院講師，博士。

孟飛(1982-),男，山東濟寧人，上海海事大學商船學院講師，博士。