1自動泊車系統(tǒng)

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

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

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

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

由表1可以看出,超聲波雷達(dá)只能對障礙物邊界進(jìn)行測距,對車位線無法識別,而采用360°全景式攝像頭彌補(bǔ)了線車位無法識別掃描的缺點(diǎn),并且通過對圖像信息的分析處理能提供更豐富的障礙物類型等信息。因此,在超聲波雷達(dá)和攝像頭融合的APA系統(tǒng)中,對線車位的識別率大幅增加,即車位檢出率得到提高。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),為用戶在泊車過程中提供全景式視角,用戶能通過全景式影像界面直接選擇泊車的目標(biāo)車位,包括空曠區(qū)域自選車位、APA系統(tǒng)掃描出多個可泊車位供自選等場景,提升了用戶的體驗(yàn)感與參與感。

(2)路徑規(guī)劃模塊:根據(jù)車位掃描模塊輸出的地圖信息,結(jié)合車輛運(yùn)動學(xué)模型,對車輛泊入目標(biāo)車位的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

(3)決策控制模塊:根據(jù)車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車輛進(jìn)行運(yùn)動控制,使車輛按照路徑規(guī)劃的軌跡進(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)車輛安全準(zhǔn)確泊入。決策控制模塊需同時對車輛的橫向運(yùn)動和縱向運(yùn)動進(jìn)行控制。

2APA硬件架構(gòu)

目前市場上典型的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個超聲波雷達(dá),其中包含4個長距離超聲波雷達(dá),實(shí)現(xiàn)對車身兩側(cè)障礙物距離的探測:8個短距離超聲波雷達(dá),實(shí)現(xiàn)對車前和車后障礙物距離的探測,如圖3所示。

同時,APA系統(tǒng)與AVM系統(tǒng)共用4個高清魚眼攝像頭,實(shí)現(xiàn)車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泊車控制算法設(shè)計(jì)

3.1APA算法功能需求分析

自動泊車系統(tǒng)APA開啟后,利用配置的傳感器(超聲波雷達(dá)、360О環(huán)視攝像頭)自動搜索周邊環(huán)境中的可停車位,在駕駛員確認(rèn)目標(biāo)車位后,APA自動進(jìn)行路徑規(guī)劃并通過決策控制模塊對車輛橫、縱向運(yùn)動進(jìn)行控制,包括方向盤轉(zhuǎn)角、檔位、車速等方面,控制車輛自動泊入目標(biāo)車位。結(jié)合使用場景和功能控制過程,對APA算法的功能需求分析如下:

(1)系統(tǒng)適用車速較低(一般在5km/h以下)的工況。

(2)車輛能夠?qū)崿F(xiàn)包括平行車位、垂直車位以及傾斜車位三種類型車位泊車入庫功能。

(3)泊車過程中APA系統(tǒng)能夠通過對EPS、ESP、EMS、TCU、EPB、VCU的控制實(shí)現(xiàn)對車輛橫、縱向運(yùn)動的控制。

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

(5)在整個泊車過程中,涉及用戶操作部分由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/輸出接口及信號如圖5所示。

3.3APA平行泊車控制算法設(shè)計(jì)

3.3.1掃描車位校驗(yàn)?zāi)K

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

車輛無碰撞軌跡連續(xù)最短泊車空間為:

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

經(jīng)校驗(yàn)后的可泊車位信息經(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)駕駛員對可泊車位的選擇:另一方面,可用于路徑規(guī)劃,便于后續(xù)的算法處理和車輛運(yùn)動控制。

3.3.2泊車初始位置校驗(yàn)?zāi)K

泊車初始位置校驗(yàn)?zāi)K主要對掃描車位校驗(yàn)?zāi)K輸出的車位進(jìn)行二次校驗(yàn)。基于車輛當(dāng)前位置和需要泊入車位的位置,以兩圓相切理論為規(guī)劃約束對當(dāng)前車位是否可泊入進(jìn)行校驗(yàn),如圖7所示。

R2圓弧通常設(shè)置為車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑,以兩圓相切和車輛參數(shù)為約束,計(jì)算出允許泊車的初始位置范圍為(Px,Py)。將當(dāng)前車輛位置與(Px,Py)進(jìn)行比較,如在范圍內(nèi),則說明當(dāng)前車位滿足可泊入條件,否則繼續(xù)尋找可泊入車位。

3.3.3泊車路徑規(guī)劃模塊

在利用HMI接口實(shí)現(xiàn)最終泊車車位的選擇后,車輛在控制決策系統(tǒng)的控制下逐漸停穩(wěn)?；趦蓤A相切原理,泊車路徑規(guī)劃模塊主要完成車輛當(dāng)前位置即預(yù)備倒車起始位置,到泊車終點(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路徑規(guī)劃模塊輸出的擬合泊車路徑,生成車輛橫向控制及縱向控制的目標(biāo)值,即方向盤轉(zhuǎn)角、檔位、車位、加速度等輸出信號,同時根據(jù)車輛實(shí)時反饋的狀態(tài)信號進(jìn)行修正控制,保證車輛實(shí)時準(zhǔn)確地跟蹤規(guī)劃軌跡。

3.3.5泊車狀態(tài)控制模塊

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

泊車主要狀態(tài)包括:

(1)0FF,泊車功能關(guān)閉:

(2)Standby,泊車功能開啟準(zhǔn)備:

(3)ParkingSpaceSearc一,尋找車位:

(4)ParkingSpacehppearA,車位有效:

(5)hStuParkinghAAiAt,輔助泊車:

(o)ParkingFiniA一,泊車完成:

(7)Fail,泊車失敗。

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,包括車位掃描結(jié)果的顯示、泊入目標(biāo)車位的選擇等。

4結(jié)語

本文結(jié)合主流的自動泊車硬件平臺,對自動泊車控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。基于車輛配置確定控制算法接口,結(jié)合車輛實(shí)際泊車過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。整個控制算法設(shè)計(jì)合理有效,為自動駕駛研究奠定了一定的基礎(chǔ)。