基于超聲波的全自動平行泊車路徑規(guī)劃

肖祖銘

摘要：目前，汽車已經成為人們生活必備的交通工具之一，密集的汽車使用量，對停車空間來說提出了更高的要求，泊車過程中出現的摩擦、碰撞等事故，也催生了全自動泊車系統(tǒng)的出現。本文主要以平行泊車為研究著眼點，探究全自動泊車系統(tǒng)。研究中主要借鑒了雙弧線的方式對路徑進行規(guī)劃，并在車輛運動學的指導下，按照碰撞限制的條件來計算出最小的泊車半徑和最佳的泊車位置。此外，還使用了CANoe等仿真軟件，用來對超聲波傳感器進行范圍計量，從而使得泊車路徑和位置能夠更加精準，對于停車問題提出較為合適的解決建議。

關鍵詞：全自動泊車;軌跡規(guī)劃;碰撞約束;探測范圍

0 ?引言

隨著汽車的廣泛普及使用，汽車之間的碰撞與摩擦事故也愈來愈多，為了規(guī)避駕駛風險，研究推出了眾多用于智能駕駛的安全系統(tǒng)。雖然智能駕駛系統(tǒng)能夠有效解決汽車駕駛的問題，但是同時也對新手駕駛員提出更高要求，比如泊車時要對車位做出測算，還要進行控制轉向、跟隨路徑、自動剎停等操作。

經過對自動泊車系統(tǒng)的不斷應用與改良，目前已經孵化出了一些較為成熟的系統(tǒng)。比如以環(huán)視攝像頭為主的全景泊車系統(tǒng)，以及以超聲波為主的自動泊車系統(tǒng)，這兩者被廣泛使用。二者相比之下，超聲波自動泊車系統(tǒng)明顯表現出經濟價值高、受環(huán)境影響因素小等優(yōu)勢，并且能夠對較短距離進行精準的測量。一般來說，自動泊車主要通過兩種方式對路徑進行控制，包括使用三角函數曲線法和回轉曲線的曲率連續(xù)法對路徑進行規(guī)劃，以及使用模糊邏輯自動泊車和自適應自動泊車從駕駛經驗的角度進行操作。本研究中在對泊車路徑進行規(guī)劃時，主要采用了雙弧線的方式，這種方法下兩弧線之間能夠方便連接，從而使得泊車能夠平穩(wěn)進行，更有利于便捷地完成泊車。

1 ?超聲波探測和全自動泊車相關理論探析

1.1 全自動泊車系統(tǒng)分析

隨著實踐的不斷應用與探索，泊車輔助的相關研究和操作已經有了較大改善。最初，一般在車輛的后保險位置處設置警報，當障礙物靠近時會產生警報;隨后，借助后視攝像頭能夠觀察到倒車的情況，并且蜂鳴器能夠發(fā)出警報。隨著技術的發(fā)展，逐漸衍生出半自動泊車系統(tǒng)，超聲波傳感器能夠準確測量出距離和路徑，自主探測車位和轉向方面更為便捷，但仍然依賴于駕駛員進行具體操作。到目前，全自動泊車系統(tǒng)應用廣泛，車輛能夠自主完成探測車位、控制轉向、剎車等操作。并且目前的泊車系統(tǒng)中，在車輛的前后保險杠會分別安裝6個超聲波傳感器，并且車輛兩側的傳感器探測距離為4.5m，中部4個傳感器能夠探測到1.5m的距離，從而全面的探測合適位置，準確定位障礙物。全自動泊車系統(tǒng)的操作方式包括：駕駛員啟動系統(tǒng)，車輛開始對車位情況進行探測，在查找到適合的泊車位置后，會規(guī)劃處泊車軌道，確定路徑和泊車的具體位置，并對車輛的路徑做定位查找，最后確保車輛能夠完成泊車，完成后關閉系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.2 超聲波探測理論分析

超聲測距按照內部原理的不同，包括共振式和脈沖反射式兩種。車輛對其有特殊要求，因此一般都使用脈沖反射式，也就是借助超聲的反射特點進行探測。其操作原理主要是借助超聲波的傳感器，對具體位置發(fā)射超聲波，同時開始自動計時操作，傳播超聲波，當超聲波遇到障礙時會折返回給超聲波接收器，接收器收到后會停止工作。影響超聲波的傳播速度主要是環(huán)境的溫度和濕度，因此也會產生不同的測量結果。

1.3 路徑規(guī)劃

如果不把汽車后輪側滑的情況考慮在內，汽車無論在哪一時間點的運動軌跡都不會受汽車的倒車速度的影響，而會受汽車前輪軸心的Ackerman轉向角、軸距和汽車之間的輪距影響。換句話說，當汽車以小于5km/h的速度行駛時，在確定方向且方向盤固定轉角部編的前提下，車輛后輪的倒車軌跡將保持穩(wěn)定，汽車的倒車速度只會對汽車行駛距離有影響，而不影響行駛的路線。倒車時，以汽車后軸中心作為運動中心，能夠測量出汽車的運動軌跡，并且根據此來建立出世界坐標系。

車身參數：lh表示的是車輛后軸與前保險杠之間的距離，lt表示的是后軸和后保險杠的距離，la表示的是前后軸的相對距離，wc表示車輛寬度，wl表示安全泊車空間的寬度。圖1展示了泊車過程圖，其中pc0、pc1、pc2是泊車軌跡中的三個關鍵節(jié)點，po用來表示障礙物，同樣也是第三步中最易產生摩擦和碰撞的位置，Dsh表示的是沒有障礙物的寬度，Dsv表示的是沒有障礙物的長度，Dsv表示的是沒有障礙物的長度，Dh表示的是第一步中車輛和障礙物之間的距離，Dv表示的是開始倒車時車輛的后保險杠與po之間的縱向距離，Dr為泊車過程中兩弧線之間的距離，R1為第一段弧線的半徑，R2為第二段弧線的半徑且為最小的半徑，α為弧線對應的夾角，θ為轉向角。

2 ?全自動平行泊車路徑檢驗

2.1 臺架測試

按照車輛的不同類型，能夠對超聲波傳感器與保險杠的位置進行具體的調整和改變，從而查找到最佳的超聲波探測區(qū)域，隨后按照超聲波傳感器的實際位置將其設置在固定的架位上，連接儀器，同時在電腦設備上運行CANoe，并且設置好相應的程序，開始運行系統(tǒng)。在標準桿的選取上，以直徑75mm為主，相對濕度設置為50%、同時確保室內溫度達到20℃的條件下，接著根據實驗的具體要求，對超聲波傳感器的探測范圍進行具體檢測，其中要涵蓋水平和垂直兩種。

試驗結果展示如下：從水平上看，40～150cm為可探測區(qū)域，HMI界面會呈現出深灰色，并且蜂鳴器開始低頻率的進行報警;40cm以內即達到了危險區(qū)，HMI界面此時會呈現出黑色，并且蜂鳴器開始長鳴，探測范圍如圖2所示。從垂直方向上看，探測過程中，探測區(qū)域一般是橢圓形，并且探測的高度最低到最高范圍是235-955mm，這一數值保證了在泊車時能夠充分觀察到車后的具體情況，使得泊車更為安全。

2.2 約束分析

全自動泊車路徑規(guī)劃主要是對車輛自身的約束及停放限制等條件進行分析，在此基礎上，設計出具體的曲率連續(xù)的路徑，對其進行分析是為了更好的確保泊車的安全性和精準性。然而，在進行全自動平行泊車時，其他因素也會對泊車的準確性產生影響，比如超聲波探測的測量可能存在誤差;機械操縱機構會有一定的存在預留間隙;路徑跟蹤模型不能確保追蹤的準確性;天氣條件、道路情況等因素的不確定性。如果全自動車輛不能夠完成入位，并且還會有碰撞的危險。一旦車輛和障礙物之間距離過小，低于安全距離而發(fā)生碰撞時，即便采用超聲波探測，車輛也很難迅速做出反應，因此只能做出緊急制動，從而完成泊車過程。為了解決這個問題，從而盡力保證不發(fā)生車輛碰撞的問題，全自動泊車系統(tǒng)會根據車輛和障礙物的情況做出判斷，對路線進行安排，從而確保車輛完成停車入位。

在對自動平行路徑進行規(guī)劃時，也有靜態(tài)和動態(tài)兩種不同方式，筆者認為可以將二者相結合。常規(guī)的泊車一般使用靜態(tài)泊車路徑，從而避免碰撞的情況出現，全自動泊車系統(tǒng)則按照具體情況，對碰撞的邊界做出測量，并且劃入動態(tài)路徑規(guī)劃中，保障泊車順利完成。此外，全自動系統(tǒng)還能夠有效控制轉向和速度，借助在線識別準確辨別出模型的參數，規(guī)避了復雜的車輛動力學模型的困難，大大加強了超聲波探測的準確性。

3 ?結語

科技的進步對于汽車行業(yè)有著巨大的改變作用，在人工智能大力發(fā)展的今天，無人駕駛已經成為汽車領域的新寵兒，學界也加緊了對相關領域的研究，其中對超聲波探測實現全自動平行泊車路徑規(guī)劃這一主題就受到廣泛關注。本文在理論分析和試驗驗證的基礎上，采用雙弧線路徑的規(guī)劃方式，借助碰撞約束實驗來證實最小泊車半徑和最佳泊車位置，結果得到了較為可靠的結論。本文選取的超聲波傳感器在準確度上符合要求，并且在對雙弧線進行規(guī)劃時，能夠很大程度上避免泊車可能帶來的風險，極大地提高了泊車的安全性和準確率。

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