基于模糊控制算法的超聲波自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

仲濟(jì)艷,張佑春,沈麗娜

(安徽工商職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院,安徽 合肥 231131)

由于部分駕駛員停車(chē)經(jīng)驗(yàn)不足,在面對(duì)復(fù)雜狀態(tài)道路停車(chē)位和擁擠停車(chē)庫(kù)時(shí),存在嚴(yán)重的泊車(chē)安全隱患[1].隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外車(chē)企都在加快自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā),并且在部分高檔汽車(chē)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用[2].由目前的泊車(chē)系統(tǒng)價(jià)位高,因此無(wú)法大面積普及.

為了解決上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于模糊控制技術(shù)的超聲波自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng).該系統(tǒng)利用超聲波傳感器完成車(chē)輛車(chē)位環(huán)境數(shù)據(jù)采集、雙軸陀螺儀完成前輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采集和視頻采集技術(shù)及倒車(chē)影像與泊車(chē)車(chē)位地圖采集,并將采集參數(shù)通過(guò)模型控制方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)[3].經(jīng)過(guò)Carsim 和Matlab-Simulink仿真與實(shí)際測(cè)試,自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)均成功完成了垂直泊車(chē)與平行泊車(chē).在0～30°,前輪轉(zhuǎn)角泊車(chē)過(guò)程中,均實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確自動(dòng)泊車(chē)功能.

1 自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)

1.1 超聲波溫度補(bǔ)償測(cè)距設(shè)計(jì)

超聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物會(huì)立刻折返,通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄下聲波發(fā)射時(shí)間與接收時(shí)間節(jié)點(diǎn),然后計(jì)算出發(fā)射設(shè)備與障礙物之間的距離[4].設(shè)聲波的速度為v,往返時(shí)間為t,障礙物距離為s,得到距離計(jì)算公式為:s=v/2.

為了降低溫度變動(dòng)對(duì)超聲波傳播的干擾,提高系統(tǒng)的距離測(cè)量精度,設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償校正方法[5].設(shè)溫度值為τ,得到基于溫度補(bǔ)償?shù)穆暡▊鞑ニ俣葹?v=331.45×1+τ(273.15)0.5 m/s.

為了完成車(chē)輛的精確定位和車(chē)輛姿態(tài)角度的數(shù)據(jù)采集,系統(tǒng)采用8個(gè)超聲波設(shè)備組成了信號(hào)四周采集測(cè)量裝配,從而保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

1.2 自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)阿克曼建模設(shè)計(jì)

為了方便完成自動(dòng)泊車(chē)運(yùn)動(dòng)模型建立,將車(chē)輛簡(jiǎn)化成矩形剛體,以汽車(chē)的前軸與后軸的中心坐標(biāo)為參考節(jié)點(diǎn),得到汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)運(yùn)動(dòng)的阿克曼轉(zhuǎn)向幾何模型如圖1所示.

圖1 阿克曼轉(zhuǎn)向模型

圖1中, (xf,yf)代表汽車(chē)的前軸坐標(biāo)系數(shù),(xr,yr)代表后軸坐標(biāo)系數(shù);φ代表汽車(chē)前轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)向角度數(shù)值;θ代表汽車(chē)自身的轉(zhuǎn)角數(shù)值.設(shè)(xr,yr)后軸中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為vr,則汽車(chē)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何運(yùn)動(dòng)方程式為:

xr=vfcosθcosφ=vrcosθ.

(1)

yr=vfsinθcosφ=vrsinθ.

(2)

(3)

由式(3)(4)(5)可知,在低速自動(dòng)泊車(chē)環(huán)境下,(xr,yr)后軸節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為一個(gè)固定圓形軌跡,且定圓的半徑值僅與汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)向角度φ數(shù)值相關(guān).

1.3 模糊控制功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何運(yùn)動(dòng)模型,設(shè)計(jì)了自動(dòng)泊車(chē)模糊控制方法.相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),模糊控制集成了自然語(yǔ)言習(xí)慣,更加適用于自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)中.自動(dòng)泊車(chē)模糊控制的方法主要包括:①環(huán)境采集.通過(guò)8個(gè)超聲波裝置完成車(chē)輛前后軸坐標(biāo)(xf,yf)與(xr,yr)和車(chē)自身轉(zhuǎn)角θ的數(shù)據(jù)記錄,然后將坐標(biāo)值與轉(zhuǎn)角值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,最后完成數(shù)據(jù)的模糊化;②模糊推理.利用汽車(chē)駕駛員的傳統(tǒng)泊車(chē)數(shù)據(jù)與模糊控制規(guī)則,完成模糊判斷與模糊控制量計(jì)算;③轉(zhuǎn)向舵機(jī)自動(dòng)泊車(chē).舵機(jī)利用模糊控制輸出值自動(dòng)控制汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)向角度,最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)功能.自動(dòng)泊車(chē)模糊控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 模糊自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)泊車(chē)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)泊車(chē)硬件系統(tǒng)[6]主要包括:①飛思卡爾K60核心控制器,負(fù)責(zé)泊車(chē)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理;②超聲波接收裝置,部署了8路超聲波傳感器,用于識(shí)別車(chē)位位置信息與泊車(chē)區(qū)域視圖建立;③攝像頭,完成倒車(chē)影像的數(shù)據(jù)采集,增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化水平;④語(yǔ)音模塊,在自動(dòng)泊車(chē)過(guò)程中,通過(guò)實(shí)時(shí)語(yǔ)音提醒車(chē)主車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài);⑤電源電路,為系統(tǒng)提供供電支持.自動(dòng)泊車(chē)硬件架構(gòu)如圖3所示.

圖3 自動(dòng)泊車(chē)硬件系統(tǒng)電路

自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)啟動(dòng)后,K60直接控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,雙軸陀螺儀將采集的汽車(chē)自身轉(zhuǎn)角θ傳輸至K60,通過(guò)第1次PID控制算法,精準(zhǔn)完成汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)角φ的數(shù)據(jù)采集與輸出.利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與編碼器速度反饋至K60,通過(guò)第2次PID算法控制,完成自動(dòng)泊車(chē)的平穩(wěn)執(zhí)行[7].

2.1 系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用了H橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960,直接控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向與速度.該電路功能包括了電流檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制和P 型與N 型電路相位控制等[8],電路設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 自動(dòng)泊車(chē)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

等級(jí)電壓采用了LM1117芯片實(shí)現(xiàn)12 V降維至3.3 V,為主控芯片K60供電.穩(wěn)壓電路采用了LM2940芯片,實(shí)現(xiàn)5 V電壓穩(wěn)定輸出,實(shí)現(xiàn)攝像頭電路、超聲波電路和顯示器電路持續(xù)穩(wěn)壓供電[9].舵機(jī)供電采用了LM2596-ADJ芯片,實(shí)現(xiàn)5 V可調(diào)電壓的舵機(jī)驅(qū)動(dòng),電源電路連接設(shè)計(jì)如圖5所示.

圖5 自動(dòng)泊車(chē)電源電路連接設(shè)計(jì)

3 自動(dòng)泊車(chē)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入預(yù)設(shè)位置后,人為啟動(dòng)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng),同時(shí)完成泊車(chē)方式選擇.泊車(chē)方式主要包括:①平時(shí)泊車(chē)模式.車(chē)輛直行,并利用攝像頭自動(dòng)搜索平行車(chē)位.當(dāng)完成車(chē)位識(shí)別后,進(jìn)行平行泊車(chē)并自動(dòng)泊車(chē);②垂直泊車(chē).車(chē)輛直行,并利用攝像頭自動(dòng)搜索垂直車(chē)位.當(dāng)完成車(chē)位識(shí)別后,進(jìn)行平行泊車(chē)并自動(dòng)泊車(chē).利用超聲波傳感器和雙軸陀螺儀采集汽車(chē)后軸坐標(biāo)(xr,yr)、前輪轉(zhuǎn)角φ和汽車(chē)車(chē)身航向角θ數(shù)據(jù)后,將參數(shù)輸入模糊控制器中,從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)泊車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的控制[10].自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)總體流程如圖6所示.

圖6 自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)總體流程

自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)利用后置攝像頭完成車(chē)位自動(dòng)掃描和倒車(chē)影像啟動(dòng),通過(guò)8個(gè)超聲波傳感器自動(dòng)感知車(chē)位周邊環(huán)境與自動(dòng)采集泊車(chē)數(shù)據(jù),應(yīng)用模糊控制算法完成自動(dòng)泊車(chē)過(guò)程中的車(chē)身姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)泊車(chē)功能.自動(dòng)泊車(chē)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖7所示.

4 系統(tǒng)仿真與測(cè)試

Carsim作為一款汽車(chē)仿真軟件,可以模擬駕駛員操控、道路情況和車(chē)輛動(dòng)力輸出等.利用Carsim 和Matlab-Simulink整合建模,設(shè)置Carsim S-Function的輸入與輸出參數(shù):①輸入?yún)?shù).IMP_STEER_L1為車(chē)輛前輪偏轉(zhuǎn)角,IMP_STEER_R1為車(chē)身偏航角,IMP_STEER_R1為制動(dòng)器的壓力值;②輸出參數(shù).后軸中心點(diǎn)坐標(biāo)為X0,后軸中心點(diǎn)Y坐標(biāo)Y0和車(chē)輛航向角Yaw.

4.1 平行泊車(chē)Carsim仿真

選擇平行泊車(chē)起點(diǎn)坐標(biāo)為(9.392,0),車(chē)位設(shè)置為單步式平行泊車(chē)最小車(chē)位尺寸,平行泊車(chē)仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8所示.

由仿真結(jié)果可知,平行泊車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛沒(méi)有碰撞到車(chē)位邊線(xiàn),滿(mǎn)足泊車(chē)避障約束要求.

4.2 垂直泊車(chē)Carsim仿真

選擇垂直泊車(chē)起點(diǎn)為(8.062,3),垂直泊車(chē)仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖9所示.由仿真結(jié)果可知,垂直泊車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛沒(méi)有碰撞到車(chē)位邊線(xiàn),滿(mǎn)足泊車(chē)安全避障約束條件.

圖9 垂直泊車(chē)仿真序列

4.3 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

應(yīng)用Carsim 和Matlab-Simulink軟件完成自動(dòng)泊車(chē)硬件系統(tǒng)搭建與測(cè)試.測(cè)試系統(tǒng)選用2個(gè)大小一樣的模型車(chē)作為參考,按照實(shí)際車(chē)位比例預(yù)留空車(chē)位,完成自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)模型測(cè)試.自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1所列.

表1 自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果

由表1可知,當(dāng)車(chē)輛的前輪轉(zhuǎn)角控制在0～30°之間的6次泊車(chē)過(guò)程中,車(chē)輛模型均實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的自動(dòng)泊車(chē)功能,且精確度好、穩(wěn)定性高.當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角超過(guò)30°時(shí),由于超聲波測(cè)距裝置的準(zhǔn)確度受到干擾,車(chē)身定位與車(chē)位掃描的失誤判斷造成了自動(dòng)泊車(chē)失敗.

5 結(jié)語(yǔ)

基于模糊控制算法的超聲波感知自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)完成了主控芯片K60、超聲波傳感器電路、雙軸陀螺儀、直流舵機(jī)電路設(shè)計(jì)、語(yǔ)音、圖像采集和電源電路等模塊的設(shè)計(jì).系統(tǒng)通過(guò)溫度補(bǔ)償,提高了超聲波感知的精準(zhǔn)度.系統(tǒng)采用了2次PID模糊控制,實(shí)現(xiàn)了平行泊車(chē)和垂直泊車(chē)功能.為了提升系統(tǒng)的人性化與智能化,添加了自動(dòng)倒車(chē)影像車(chē)載顯示與語(yǔ)音實(shí)時(shí)提醒功能.通過(guò)仿真與測(cè)試結(jié)果表明,該自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)初衷,具備一定的實(shí)用價(jià)值.