（检测技术与自动化装置专业论文）自动平行泊车系统的研究.pdf

摘要摘要随着汽车保有量的快速上升，在现代都市中“停车难”问题表现的越来越突出。将车辆停入一个窄小的停车位，对很多驾驶员来说不是件容易的事，尤其是一些初学者，由此引发的交通事故也逐年增加。一个有效的自动泊车系统，不仅能帮助驾驶者快速、安全的完成泊车操作，从而减轻驾驶员负担，减少交通事故，而且能够有效提高汽车的智能化程度，增加汽车的附加值，从而带来巨大的经济效益。本文设计了一种自动平行泊车系统。首先分析了车辆泊车时低速情况下，车辆运动学模型和车辆转弯半径与方向盘转角的关系。根据运动学模型和实际泊车过程，研究了平行泊车的几何路径规划方法，并结合实际情况，对所探讨的几何路径进行改进，设计出一种适应性较强的泊车几何路径。然后，设计了实现自动泊车的模糊控制器，并通过m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真分析，以验证模糊控制器的可行性，并对设计的几何路径加以验证。此外，本文还介绍了自动泊车系统的硬件设备，主要包括用于数据采集的感知系统和实现自动驾驶的执行结构。通过感知系统以获得车身周围环境和车身姿态，控制系统根据感知系统的数据计算泊车路径，通过发送命令控制执行机构实现自主泊车。最后，在车辆上对整个系统进行了实车实验。根据车辆参数和感知系统的特性，计算了泊车几何路径的关键点位置，设计了一种查找平行泊车有效停车位的方法。控制系统根据感知系统获得的数据和关键点位置的计算结果，并根据停车位大小计算一条有效的泊车路径，按照计算获得的泊车路径，控制系统控制方向盘实现自动平行泊车。此外，还分析了实验的误差来源。本文设计的平行自动泊车系统能较好的完成自动泊车，但是还可以进一步的研究改进，以完善平行自动泊车系统的性能。关键词：自动泊车路径规划模糊控制停车位a b s t r a c tab s t r a c tw i t ht h er a p i dg r o w t ho fc a ro w n e r s h i p ，i ti sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l tt op a r kac a ri nt h em o d e mc i t i e s w h e np a r k i n gac a ri nan a r r o ws p a c e ，p l e n t yo fd r i v e r s ，e s p e c i a l l yn e wl e a r n e r sa r en o tv e r ye a s yt ou n d e r t a k et h et a s k , w h i c hr e s u l ti nm o r ea n dm o r et r a f f i ca c c i d e n t s a ne f f i c i e n ta u t o m a t i cp a r k i n gs y s t e mn o to n l yc a nh e l pt h ed r i v e r st op a r kf a s ta n ds a f e l y ，w h i c hc a nr e l i e v et h eb u r d e no ft h e ma n dd e c r e a s et h et r a f f i ca c c i d e n t s ，b u ta l s oc a ne n h a n c et h ev e h i c l e si n t e l l i g e n c ea n da d dt h ea d d i t i o n a lv a l u eo ft h ev e h i c l es oa st ob r i n ge n o r m o u se c o n o m i cp r o f i t a na u t o m a t i cp a r a l l e lp a r k i n gs y s t e m ( a p p s ) h a sb e e np r o p o s e di nt h ep a p e r f i r s t l y , i ta n a l y z e st h ev e h i c l e sk i n e m a t i cm o d e la n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e h i c l er a d i u sa r o u n dt h ec o m e ra n dt h es t e e r i n gw h e e lo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ev e h i c l ep a r k sa tt h el o ws p e e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h em o d e la n dt h ep a r k i n gp r o c e s s ，i td i s c u s s e st h ea p p s sg e o m e t r yp a t hp l a n n i n gm e t h o d ，i m p r o v e st h em e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lc i r c u m s t a n c ea n dd e s i g n san e ws t r o n ga d a p t a b l ep a r k i n gg e o m e t r i c a lp a t h s e c o n d l y ，i td e s i g n saf u z z yc o n t r o l l e rf o ra u t o m a t i cp a r k i n gs y s t e m ，a n dd o e ss o m es i m u l a t i o na n a l y s i sb ym a t l a n s i m u l i n ks o f t w a r et od e t e c tt h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o l l e ra n dv e r i f yt h eg e o m e t r yp a t h w h a t sm o r e ，t h eh a r d w a r es y s t e mh a sb e e ng i v e ni nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es e n s i n gp a r tf o rd a t ac o l l e c t i o n t h es y s t e mc a na t t a i nt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dc a rb o d yp o s t u r e ，a n dt h e nt h ec o n t r o l l e rc a nc o m p u t et h ep a r kp a t h ，m e a n w h i l ei ts e n d so r d e r st ot h ea c t u a t o rw h i c hr e a l i z e st h ea u t o m a t i cp a r k i n gp r o c e s s l a s t l y , s o m er e l a t e de x p e r i m e n t sh a v eb e e ni m p l e m e n t e do nar e a lv e h i c l e t h ek e yl o c a t i o no fp a r k i n gg e o m e t r i c a lp a t hi sc o m p u t e da n daw a yo ff i n d i n gap a r k i n gs p a c ei np a r a l l e lp a r k i n gs y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fv e h i c l ep a r a m e t e ra n dp e r c e p t i v es y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mc o m p u t eav a l i dp a r k i n gp a t ha c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ed a t aa n dt h ek e yl o c a t i o na c q u i r e db yt h ep e r c e p t i v es y s t e ma n dt h es i z eo ft h ep a r k i n gs p a c e a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t e dr e s u l to ft h ep a r k i n gp a t h ，t h ec a rc a l la c h i e v et h ea u t op a r k i n gb yt h ec o n t r o ls y s t e mi n s t r u c t i n gt h es t e e r i n gw h e e l w h a t sm o r e ，t h ee x p e r i m e n te r r o rs o u r c e sh a v eb e e ng i v e na sw e l l t h ep r o p o s e dp a p s ( a p p s ) c a na c h i e v et h ea u t o m a t i cp a r k i n gt a s k , b u tf u r t h e rr e s e a r c hc a r lb ed o n et oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：a u t o m a t i cp a r k i n g ，p a t hp l a n n i n g ，f u z z yc o n t r o l ，p a r k i n gs p a c ei i中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密( 年)作者签名：导师签名签字日期：签字日期：第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景和研究目的汽车工业经过几十年的发展，从早期简单的机械组合，发展到今天的汽车制造技术涉及多个专业领域，已经发展成为一个非常复杂的系统，一个国家汽车工业的发展可以在很大程度上代表一个国家的工业水平。汽车从早期的省力实用，发展到现在，已经向智能化，安全化，舒适化发展。未来汽车的发展方向将进一步智能化向无人驾驶技术方向发展。无人驾驶技术是集自动控制理论、人工智能理论、视觉计算理论、体系结构理论、机械设计制造技术、传感器技术、电子通信技术、程序设计技术、机构控制技术、组合导航技术、信息融合技术等多种理论及技术于一体的多学科、多专业领域的综合技术，该技术不仅有着广阔的商业市场前景，而且有着巨大的潜在的军用价值。而自动泊车是汽车智能化的一个重要方向，是无人驾驶技术的一种表现。随着汽车技术的快速发展，汽车的普及率越来越高，同时带来的问题是停车位需求量越来越大，停车位的空间是越来越小，从而在现代都市中越来越感觉到“停车难”的问题。在窄小的空间进行倒车入位操作，对很多驾车者来说，是一件令人头疼的事，尤其是初学者和一些女性驾驶员，很难将车顺利的一次倒入停车位。由此引起的交通事故也在逐年增加，而且占交通事故中很大一部分。倒车事故中虽然很少会引起严重的交通事故，但经常会给车主带来很多麻烦，如撞上别人的车、消防水龙头或者其他障碍物之类的，如果撞到路上行人，那后果更是不堪设想。在泊车过程中遇到的困难主要有：驾驶者的视野有限，驾车员仅能通过后视镜来观察车身后面和车周围的情况，加上位置、天气等多方面因素，后视镜往往难以起到良好的效果。从而很难完全把握车身后方的情况；此外对于缺乏经验的部分驾驶员，通过后视镜来观察车尾情况时，需要推理反向视角的变化，又需要常常扭头观察车声前后的真实情况，还要兼顾控制方向盘、油门和刹车等，易造成操作失误；最后对于不熟悉环境或者车位过于狭窄的情况下，驾车新手在缺乏经验技巧情况下，往往难以很好地控制汽车进行快速准确的泊车。据行内人士统计，在各种电子配置中，如图1 1 所示，自动泊车辅助系统的支持率最高，为2 4 3 ，高于其他电子配置。第一章绪论图1 12 0 1 0 年电子配置偏好如何改善泊车过程中的不便利，消除安全隐患，快速、安全可靠的将汽车停靠到指定的泊车位置空间内，逐渐引起了人们的关注。如果在泊车的过程中，利用智能化设备，引入无人驾驶技术，将可以有效降低泊车的难度。于是自动泊车系统的概念也由此而生。一个有效的自动泊车系统，可以帮助驾车者安全、快速、准确的完成泊车的操作。不仅节省了时间，还减轻了驾驶员的压力。更重要的是，降低了泊车过程中车辆发生交通事故的概率，对整个社会具有重要意义。一个低成本、高性能的自动泊车系统拥有良好的市场前景。自动泊车系统的运用可以方便驾驶者的泊车动作，甚至可以从根本上改变驾车过程中的泊车行为，并且在无人车技术上的创新和应用也具有重要的推动作用，能够有效提高汽车的智能化程度，提高汽车的附加值，从而带来巨大的经济效益。1 2 国内外研究现状当人类社会发展到以汽车作为主要交通运输工具时，对行车安全性与舒适性有了更高标准要求。人们为了安全泊车，减少车辆在停车时擦碰等泊车事故，经历了单纯靠经验泊车、经验加后视镜泊车、请人指引泊车、倒车雷达蜂鸣提示泊车、后视倒车、自动泊车辅助系统、完全自动泊车等几个不同阶段。由于欧洲汽车制造发展的最早，汽车工业发展迅速，汽车保有量大幅提升，引发停车位紧张，从而导致了泊车难等问题，所以西方早在上个世纪八九十年代就开始了自动泊车方面的研究。此后，泊车问题开始吸引欧美日等国的大量研究人员的注意。同时我国在2 l 世纪初期也开始展开这方面的研究工作。目前国内外解决自动泊车的方法基本分为两个方向：一个是是路径规划：根据车位空间分布的几何形状，建立车辆的动力学模型，加上一些碰撞约束等，预2第一章绪论先求解得到到达泊车位置的几何路径，通过各种控制算法实现求解得路径。另一个是应用模糊逻辑和神经网络等算法，通过采集熟练驾驶员的轨迹，从而模拟驾驶技术成熟的驾驶员的泊车行为，根据模拟结果控制汽车转向角和相对停车位的位置以实现自动泊车。基于路径规划的方法：一般是将汽车认为是一个刚体，忽略侧向滑动，认为汽车作纯滚动运动，建立无约束条件汽车的运动模型，得到汽车的运动轨迹为一段圆弧。整个泊车轨迹为若干段圆弧组成。得到汽车的运动轨迹后，根据停车位的空间几何分布，根据汽车运动模型，计算一条能够将车引入停车位的运动轨迹。在后期的研究中为了实现更有效的完成泊车过程，避免车辆在倒车过程中不会碰到其他车辆或障碍物，引入了一些约束条件模型，在设计汽车运动的轨迹的时候引入了“禁区”和“安全边界宽度”的概念，通过禁区和安全边界的约束性条件防止汽车运动时与周边障碍物发生碰撞，从而得到一条无碰撞的泊车路线。新加坡的j i nx u ，g u a n gc h e n 和m i n gx i e 的参考路径中提出了采用一条五次多项式曲线拟合汽车的运动轨迹。整条参考路径分为高约束区域、低约束区域、过渡区域三部分路径。高约束区域的路径采用反复圆弧前进和圆弧后退动作的路线，而低约束区域则采用五次多项式曲线，这一路线起始位置为停车起始位置，终点为过渡区域路线的起点。基于模糊控制和神经网络等方法主要是根据以往的泊车经验的采用智能控制算法对自动泊车问题进行研究。比如模糊控制方法，在获得小车的方向角后，基于小车相对泊车位置的纵向与横向距离，对不同的泊车位置、泊车阶段会产生不同的模糊规则。模糊控制器会在每一个采样周期，根据小车相对于泊车位置的相对位姿，及时纠正车子运动姿态而产生一个控制命令，这样可以有效补偿系统误差。近期关于自动泊车的研究方法中比较集中在模糊控制方法中，同时国内外出现很多改进的模糊控制方法。对前期设计的模糊控制器在隶属度函数和比例因子方面进行模糊控制器的优化，从而获得性能优良的模糊控制器。国内也提出很多改进的模糊控制方法，北京师范大学的杨昔阳等作了基于变论域理论的自动倒车问题研究。作者提出了一种自适应模糊控制器。上海大学的林瑞等研究了一种新的多维模糊控制器。由于增加了一个输入和输出变量，有效提高了系统的控制能力和控制精度，弥补了传统的二维模糊控制器的不足。同时，在隶属度函数和控制规则的设计上也做了改进。在实现方式上，无论是基于路径规划方法还是基于模糊控制和神经网络的方法。在进行自动泊车实现时，首先要做的都是泊车位边界的确定和车身运动时车身位置的判断。在前期的研究中，主要是用到超声波传感器来获得车身周边的环境，从而构建车身周围的外部模型来找到合适的泊车位。在运动时同样用多个3第一章绪论超声波可以获得车身的姿态。由于超声波存在自身精度不高，有效距离短的缺陷，所以后期中引入了激光雷达作为探测传感器，能够更有效的确定车声周围环境，构建更加精确地泊车位模型。在近期的研究中，随着图像处理技术的发展，有一些学者引入了摄像头来测量车位和确定车声周围情况。前期的研究主要停留在建模上，对于模型的验证上趋向于仿真验证，但是仿真和实际情况有较大出入，情况过于理想，所以效果并不是很明显。由于机器人技术的发展，在后期的研究中，有很多模型用机器人得到了验证，但是机器人和汽车构造有着本质性的区别，所以有一定的局限性。近期有些学者用减小的汽车模型来验证算法，从中也得到了很好的效果，但是小型汽车验证时，控制过于理想，泊车位与实际情况相差甚远，所以还是有一定的局限性。近期随着无人车技术的发展，随着无人驾驶技术的研究，很多机构开始用真车进行验证算法的可行性，同时在西方一些汽车技术发展较早的国家已经开始相继出现了自动泊车辅助系统方面的产品。1 3 国内外产品化情况自动泊车系统经过多年的理论研究，在实现上也取得了突破性发展，在工业界，已经有一些比较成熟的自动泊车系统的产品，但主要集中在汽车业比较发达的欧洲、美国和日本一些国家。国内在这方面大多数停留在理论研究阶段，相关的产品还没有，有些车型也只能靠引进国外的自动泊车系统。自动泊车系统已经成为了汽车电子的一个非常热的方向。具有代表性的一些产品有：日本丰田旗下的雷克萨斯l s 4 6 0 l ，该车型在车头车位分别安装了6 个和4 个超声波传感器，车后面装有一个摄像头。车头车尾的超声波传感器用来准确确定车辆的位置，摄像头用来识别车声后面的空间分布，由此可以获得安全的倒车空间。需要泊车时，驾驶者只需通过触摸屏选择泊车方式和调整停车位的位置。驾驶员设置好后按下确认键就可以双手离开方向盘，只需要控制车辆的倒车速度即可，自动泊车系统自行控制车辆的转向，借助超声传感器和后视摄像头以及转向系统中的电子马达，最后将车驶入停车位。整个过程中，驾驶员可以通过踩刹车、转动方向盘来中止自动泊车。雪铁龙c 4 毕加索，该车引进了博世的泊车入位测量系统，成为全球第一款配备有完善的泊车入位辅助系统的汽车。该系统在车上前后保险杠和左右两侧都装有测距传感器。驾驶员需要泊车时，只需按下中控台上的启动键按钮，泊车入位辅助系统即可开启。此时车速需保持在2 5 k m h 以下，系统会利用车辆前、后保险杠上的测距传感器，以及安装在前保险杠两侧2 个额外的测距传感器，将实现精确测量泊车位。找到合适泊车位后，系统将提示驾驶员找到合适泊车位，在4第一章绪论泊车过程中遇到障碍物会有提示信息。奔驰b 2 0 0 ，该车型配备了梅赛德斯奔驰独有的主动式停车辅助系统，这套系统是在车子的前后保险杠上安装了十组超声波感应器，当车速低于3 6 k m h ，车辆开启自动搜索长于车身1 2 至l j l 3 米的停车区域。感应器发射出的超声波可以扫描车身两侧来查找停车空间，当发现合适的泊车位置后，车内仪表盘的液晶显示器显示给驾驶员有泊车位，驾驶者只需按按下泊车按钮，然后控制油门和刹车就可以轻松的停车入位。v o l ，v o $ 6 0 是瑞典林克沃平大学和v o l v o 汽车制造商联合开发研制出一种具有自动泊车系统功能的新型汽车，整个泊车过程完全由系统自动完成，不需要驾驶员动手。车上装有自动变速箱、电子驾驶装置、一个先进的电脑系统。电子驾驶装置带有一套超频感应系统，不仅可以方便的控制方向盘，还可以探测四周的障碍物。司机停车时，超频感应系统可自动查找两边是否有足够停车空间，检测到停车位后会发出相应信号。整个泊车过程全自动完成。尊享版迈腾，该车搭载了德国原厂自动泊车系统，该泊车系统是大众独家研发的前端智能科技，可使车辆自动完成侧方停车。该系统也是在车身两侧安装有超声波传感器，自动倒车辅助系统会运用超声波传感器扫描道路两侧，通过比较停车空间和车身长度寻找合适的停车位。发现适合的位置后，系统将引导车辆进入起始停车区域，到达起始位置后挂上倒车档，自动倒车辅助系统即会自动控制转向操作，此时您只需控制油门和制动，即可将车停进停车位。此外该系统通过液晶显示屏能直接显示障碍物与车辆之间位置关系的图像，使驾驶者更从容的实现对车辆的控制。法雷奥的p a r k 4 u l - i i 系统，是一个通过超声波传感器测距实现的自动泊车系统。该系统在车身两侧安装多个超声波传感器，超声波传感器用来测量车身两侧的空间分布和寻找合适的停车位。在泊车过程中，驾驶员只需按一下启动键，即可启动自动泊车程序。首先车身两侧的超声波传感器将扫描道路两侧查找合适车位。当系统找到有足够的泊车空间后( 前后大于车长各多7 0 厘米即可) ，将通过指示器告知驾驶员。驾驶员向前继续行驶直至系统提示“开始位置”时，双手放开方向盘，此时只需控制速度和刹车便可停车入位。法雷奥的下一代p a r k 4 u 1 m系统，其目标是在更狭小的空间内完成自动泊车，其目标是比车长多出l 米( 前后各5 0 c m ) 即可完成自动泊车，。该自动泊车系统只是在避免碰撞的情况下，尽量把车倒进车位，车辆不定能停入理想的位置，在系统操作完成后，还需要驾驶员人工操作进行轻微调整。上海大众斯柯达昊锐车型安装了法雷奥的自动泊车系统，5第一章绪论1 4 本文研究的主要内容和结构安排本文主要研究了车辆平行泊车的过程，根据国内外现有研究成果，研究了一种自动泊车系统的解决方法，并研究了一种自动泊车系统。首先研究了一种基于路径规划的泊车路径解决方法，然后设计了一个模糊控制器实现泊车路径的控制，并做了仿真分析，最后通过实车实验验证，得到了较好的效果。本文的主要章节安排如下：第一章主要分析了自主泊车系统的研究背景和研究目的，论述了研究自动泊车系统的重要性和可行性。分析了国内外关于自动泊车系统的研究现状，此外就目前应用现状做了进一步的了解，最后总结了一下本文的研究内容和结构安排。第二章，首先解析了一下车辆各项参数，建立了车辆低速情况下倒车的运动学模型，分析了车辆转弯半径和方向盘转角的关系。然后根据实际泊车情况，分析了平行泊车过程中车辆的运动轨迹，并研究了一种平行泊车过程中泊车轨迹的求解方法，并根据实际情况，对泊车轨迹进行了进一步的优化，以提高自动平行泊车系统的适应性。第三章主要根据第二章的求解参考路径的方法，采用模糊控制理论设计了一个模糊控制器对车辆进行控制，最后通m a t l a b 进行仿真以验证算法的可行性。第四章主要概述了用于验证自动平行泊车系统的硬件环境，包括实验装置的系统构架，感知系统的数据采集模块和执行机构的实现。第五章，根据第三章的硬件系统，采用第二章求解的参考路径方法，针对无人车系统的参数，求解对应的参考路径，并根据感知系统的激光雷达传感器设计了一种查找车位的方法。最后根据求解参考路径方法实现自动泊车。第六章，总结了全文的研究工作，并对今后进一步的工作方向做出展望。6第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成21 泊车相关参数的描述与假设211 车辆参数的描述一辆汽车有很多参数，不同汽车参数也不一样，在此描述几个与泊车相关的参数，以利于理解后面的模型建立。在泊车过程中，车辆参数和外部环境对泊车路线都有根大影响，在此解释在泊车中常用到的几个主要相关参数。图2 1 车辆参数示意圈l 、车长：车长是指整个车辆车身纵向的睦度就是沿着车辆前进的方向车身晟前端到最后端的长度。如图21 所示。2 、车宽：车宽是指车辆横向的长度，即与车辆前进方向相垂直的方向的最左端到最右端的长度。如图2 1 所示。3 、轴距：轴距是指通过车辆同一侧两车轮的中点，井垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。叩车辆前轴中心至车辆后轴中心的长度。如翻2 1 所示。4 、前悬：前悬是指前轴中心与车辆最前端的水平距离，如图2 】所示。5 、后悬：后悬是指车辆最后端至后轴中心的距离，如图21 所示。6 、车位长度：成为长度是指停车空间最前面障碍物到最后的障碍物之间的距离。7 、盘小转弯半径：虽小转弯半径是指当方向盘转到极限位置，汽车以最低且稳定的车速转向行驶时外侧转向轮的中心平面在支承平面上滚过的轨迹圆的半径。它在很大程度上表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障碍物的能力。转弯半径越小，汽车的机动性能越好。2 1 2 车辆和车位的简化模型一、车辆简化模型龠第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成由上述可知，一辆实际的汽车有众多参数，且其形状为非规则多边形，为了简化后面模型的建立和便于理解。忽略车辆外边界的轮廓形状，以车辆车身最外边界为线，将一辆车简化为一个简单的几何形状。如图2 2 所示。后悬前悬_l一1iin_j轴距，七_ 厶图2 2 车辆简化模型示意图二、车位简化模型车辆停车时，车位分布是多样无规则的，根据前后停车的车型不同，车位空间分布完全不一样。为了利于建模，我们将有效车位简化为一个简单的矩形空间。认为前后障碍物都为一平整边界，以前后障碍物最突出部分为边界，最后得到一个矩形边界为停车位空间，如图2 3 所示。实际操作中只要传感器检测到前后障碍物之间的空间分布大于有效车位就认为找到车位。l车位长度_后方障前方障碍物碍物l图2 3 停车位简化模型示意图2 2 泊车过程的运动学模型建立与车辆的转向过程分析2 2 1 车辆泊车过程的运动学模型的建立在研究自动泊车时，车辆要运动，所以首先研究一下车辆运动时的运动轨迹，建立一个车辆泊车过程中的运动学模型以作为后面研究的理论基础。车辆泊车时8第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成其倒车的过程是一个低速行驶的过程，这种情况下车轮滚动时不会有侧向滑动，车辆在缓慢行驶中没有侧向力作用，此时认为系统的约束是允许车轮滚动和侧转，但不会发生滑动，由此建立车辆运动学模型。下面是泊车时车辆运动学模型建立的推导过程。b y 叱( ，”图2 4 车辆运动学模型示意图图2 4 为车辆泊车时的运动学模型示意图，其中：( x f , y 0 为前轮轴中心点坐标。( 碣y r ) 为后轮轴中心点坐标。( x r l ，y r l ) 为左后轮坐标。( 凡y r r ) 为右后轮坐标。v 代表前轴中心点速度。l 为车辆的轴距，即车辆前后轮轴中心点连线之间的距离。w 为后轮轴距，即后轮之间的距离。妒为前轴中心点转向角，即前轮方向与车身方向的夹角。0 为车辆中心轴与水平方向的夹角，即车身与x 轴向的夹角。般情况下泊车速度都很低( 约小于s k i n h ) ，由此可以假定无滑轮现象，所以后轮的轨迹在垂直方向速度为0 ，其方程式表示如下：y c o s0 一x 。s i n0=0(2-1)而由图2 4 可知，前后轴中心点位置坐标关系有：i = x ，一z c o s 乡_，iy r = y 厂一z s i n0( 2 屹对公式2 2 进行微分，可以得到其速度关系为：9第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成fx r = o + c o s= 盼- 0 小s i no他书将式公式2 3 代入式公式2 1 可得关系式：o s i no 一乃c o s0 + 0 z = o( 2 4 )此外，前轮轴线中心点处的x ，y 方向速度为：防= 1 ，s i n ( t 9 + # )【x l = 1 ，c o s ( 秒+ 矽)q 。5 由此将公式2 5 代入式公式2 - 4 ，即可求得到车辆回转圆角速度为：秒= v s i n z( 2 6 )将公式2 5 、2 6 代入公式2 3 得到后轮轴线中间点在x 、y 方向的速度分别为：ft = v c o s0cos#vcosc o slt =。1 一= 懈i n 胁i 1 1 痧q 。7 然后将公式2 6 对时间积分，最后代入公式2 7 后，在对时间微分即可求得后轮轴线中心点的轨迹方程式为：= p c o s 目c o s 矽刃= j c o t 加半吩 = p s i l l 臼血刃= 一c a t o o s 芦笋力+ ，c o s 。2 删薯2 + 一，c o t 分= u c o t 妒根据图2 4 中坐标位置的几何关系，可进一步求出左后轮、右后轮和后轴中心点的运动轨迹方程式分别为：左后轮：h ( f ) = ( h o t 矽一詈) 州半f )( f ) = 一( h 。t 一詈) c o s ( 半叶h o t 矽硫2 + ( 耽一z c o t 矽) 2 = ( 1 - c o t # 一詈) 21 0第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成右后轮：= c o t 矽一詈) s i n ( y s ，i n 矽。)( ，) = ( ，c o t 矽一詈) c o s ( 半叶，c o t 矽二( 2 - 1 0 )2 + ( 。c 州) 2 = mc o t 矽一詈) 2由公式2 9 和公式2 1 0 可知，当泊车时处于低速情况，不考虑轮胎侧滑因素时，后轮的运动轨迹与车辆的轮距、轴距以及前轮轴线中心点的转向角有关，而与泊车速度的大小无关，通过公式2 9 和2 1 0 的方程式可以知道，车辆泊车时其运动轨迹可以认为是一个标准的圆，也就是车辆运行时可以认为是一个个的圆弧组成的圆周运动。2 2 2 车辆转向过程分析一、转向过程分析知道车辆的运动学模型以后，车辆运动时，其运动轨迹为一段一段的圆弧叠加而成，但是车辆运动过程中，其运动轨迹是由方向盘控制的，所以有必要研究一下车辆行驶时其运动半径和方向盘转角之间的关系。汽车设计时，为了避免汽车转向时产生的路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎的过快磨损，要求车辆的转向系统能保证在汽车转向时，所有汽车均作纯滚动运动。显然，只有在所有车轮的转向轴线均交于一点时方能实现，此交点o 称为转向中心，如图2 5 所示。由图2 5 可见，内转向轮偏转角应大于外转向轮偏转角口。i i - 2 一。图2 5 双轴汽车转向时转角与转向半径关系的分析图在泊车情况下，车速较低，此时车辆车轮的轮胎侧偏角近似为0 ，因此可假1 1第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成设车轮为绝对刚体，汽车导向轮旋转平面与车轮中心平面重合，就可以根据导向轮的转角来计算车轮的转弯半径。那么外侧车轮转角口和内侧转角p 的关系式如下：c t g a ：c t 9 8 + 等( 2 - 1 1 )其中：b 为车两侧主销轴线与地面相交点之间的距离。l 为汽车轴距。由图2 5 可知，计算车辆后轮的轨迹需要确定三个参数，转动中心o 至内侧车轮的距离m ，后轮内侧转弯半径r , i ，后轮外侧转弯半径r z 。通过图2 5 的几何关系有：足i = m = l xc t g a 一曰( 2 - 1 2 )墨2 = l x c t g a( 2 1 3 )二、实验标定由第一部分的内容分析可知，根据公式2 1 2 和2 1 3 就可以计算泊车时后车轮的轨迹线，但前轮外侧转角口无法直接测得。汽车的方向盘转角口一般可以通过传感器直接测得，而方向盘转角口与前轮外侧转角口之间有如下关系：0 = 如口( 2 1 4 )其中：7 1 一方向盘到转向器摇臂的传动比0 2 一转向器摇臂到转向轮的传动比从公式1 3 可知，方向盘转角0 和前轮转角口之间有一一对应的关系，0 = k 口( 2 1 5 )可以通过实验，在一定的方向盘转角伊下测得前轮转角口，从而获得它们之间的传动比k 。这样就可以在任意的方向盘转角下计算出外侧车轮的转向角度，从而确定转弯半径。由于朝不同方向转时，外侧车轮对应不同的前轮，所以前左右两轮需要各标定一次，计算出参数k 。把公式2 1 5 带入公式2 1 2 ，1 1 3 可得霸= 工c 留( 专o ) - b( 2 - 1 6 )1耳2 = 1 c t g ( - x 0 )( 2 - 1 7 )另外，圆心位置相对于左右后轮中心位置的偏移量为：m = l x c f g 唼力一壹口( 2 - 1 8 )1 2第二章自动甲行泊车的模型建立和参考路径的生成2 3 实际平行泊车过程分析根据实际生活中平行泊车的过程，首先分析一下实际生活中泊车过程的流程，总结实际生活中水平泊车过程，一个有经验的驾驶员泊车时，一般要经过以下三个步骤：步骤一：查找泊车位和选择泊车起始位置。首先找到一个合适的泊车位，一般要比车声长度前后各长大约1 米左右即可。找到车位后，调整车身与旁边障碍物( 一般为车位前后已经停放好的车辆) 的距离，一般控制在0 5 米左右，然后从停车位旁边经过，同时使车身与停车位基本平行，即车身方向与x 轴向( 停车位的方向) 的夹角0 尽量控制为0 。，将车前进使得车身尾部与前方障碍物( 一般为已经停放好的车辆) 基本平行，如图2 6 所示。然后停车，完成第一个步骤，查找停车位和停到泊车起始位置。其中找到一个合适的泊车起始位，对后面的泊车成功与否起关键性作用。图2 6 步骤一指示图步骤二：朝停车位方向打方向盘( 车位在车身右边情况时顺时钟打方向盘) ，倒车入车位。查找到车位完成步骤一以后，朝停车位方向打方向盘( 车位在车身右边情况时顺时钟打方向盘) ，挂倒车档，将车往停车位方向倒入。如图2 7 所示，此时车身与x 轴向( 停车位方向) 的夹角0 将逐渐加大，当加大到大约4 5 。时，完成第二个步骤。图2 7 步骤二指示图1 3第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成步骤三：朝停车位相反的方向打方向盘( ( 车位在车身右边情况时逆时钟打方向盘) ，继续倒车入车位。当车身与x 轴向( 停车位方向) 的夹角口大约为4 5 。后，往反方向打方向盘，继续往车位方向倒车，使车身与x 轴向( 停车位方向) 的夹角曰逐渐减小，如图2 8 所示。当车身回正，即与x 轴向( 停车位方向) 的夹角口基本为0 时，车辆就能进入停车位，此时完成了步骤三，也完成了整个泊车过程。有时可能车身有些斜，可根据情况进行微调，将车调正。图2 8 步骤三指示图2 4 平行泊车参考路径的生成由2 2 节内容中分析的泊车过程运动学数学模型可知，满足运动学模型约束条件的小车，其运动轨迹为一标准的圆弧，整个倒车过程可以看成是若干相切圆弧的组合，其中直线行驶可看作是半径无限大的圆弧。小车在某个位置可用车身上的某一个点的坐标表示，同时车身的姿态用与x 轴向的夹角口表示其偏向角，知道车身一个点坐标，然后根据车身的几何形状和车身偏向角就可推导出车身每个位置的状态。假设车身上某一个点的状态变量为( x ，y ，口) 。泊车过程就是车辆由初始状态( 而，y o ，o o ) 运动到目的状态( ，儿，乃) 的一个过程。现在要解决的问题是，泊车空间已经知道，也就是车辆最后停车位置是可以知道的，即给定目的状态的情况下( 车身的停车位置( x d ，y d ) 已经确定，小车最终的偏向角应为屹，如何找到一个合适的起始状态( ，o o ) ( 即开始倒车的位置) 并根据不同的起始状态确定整个泊车过程中车身状态变化的运动轨迹。1 4第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成2 4 1 三步骤最简单平行泊车路径的生成图2 9 两段圆弧都是最小转弯半径的泊车路径示意图通过2 3 节内容对实际平行泊车过程的分析可知，车辆进行平行泊车是有三个步骤，第一个步骤很简单，车辆沿着停车位平行行驶过去，一般由驾驶员完成。而第二第三两个步骤就比较复杂，行驶时难以控制车辆的转角大小和转向时间。通过2 2 节中对车辆低速情况下的运动学模型的分析可知，平行泊车过程中最简单的路径轨迹可以由两个恒定半径相切的圆弧所组成的s 形轨迹，如图2 9 所示。图2 9 中以车辆后轴中心位置一个点的坐标代表整个车辆的运动轨迹，只要知道这个点的位置，根据车辆的几何尺寸和当前的转向角1 5 y 就可以计算得到车辆每个点的坐标位置。假设车辆的初始位置在s o ( ，岛) 处，目标位置在s d ( ，虼，够) 处。跟2 3 节中分析的实际泊车过程一样，车辆首先向右打死方向盘，以o l 为圆心，以车辆的最小转弯半径r m i n 为半径作转向运动。到达点c 处后，此时车身的偏向角为口。然后车辆向反方向( 向左) 打死方向盘，以点0 2 为圆心，同样以车辆的最小转向半r m i n 为转弯半径作转向运动。最终车辆到达目的地驶入停车位内。整个泊车过程，车辆从起始位置s 0 到目标位置s d ，车辆在x 、y 轴上的位移分别为d x ，d y 。假设起始位置s 0 和目的位置s d 的坐标分别为( x 0 ，y 0 ) ，( x d ，y d ) 。通过图2 9 做几何分析可知，则有以下等式：i 破m - 一x o = 2 墨m j n ( 1 一c o s t z )【d y = 儿一= _ z s i n 6 ， 1 0 、一，由公式2 1 9 消去变量“得1 5( 2 2 0 )第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成在平行泊车过程中，车辆沿车道前进，首先进行车位检测。由于车辆保持向正前方运动，即车身基本和停车位平行，因此车辆与停车位在x 方向距离在前进过程中基本不变，这个距离就是公式2 2 0 中的d x ，它可通过测距传感器测得。将测得的测量值经过转化后代入式公式2 2 0 i i p 可计算出小车开始倒车时的起始位置与停车位的目的位置在y 方向的距离d y ，通过测距传感器并结合车位检测的结果，即可确定合适的泊车的起始始位置( 而，岛) 。通过上述分析可知，通过该方法能简单快速的完成整个泊车过程，同时由于整个过程车辆时以最小转弯半径行驶的，所以车辆行走的路程也是最短的，所以本论文认为由该方法求解得到的泊车位也是最小泊车位空间。图2 9 所描述的倒车路径中，虽然能够简单高效快速的完成泊车过程，但是其起始位置是固定的，但是实际生活中，起始位置是由驾驶员找到的，由于每个驾驶员的驾驶技术和驾驶习惯并不一样，所以很难保证平时泊车时每个驾驶员都能开到由图2 9 中计算得到的理想的起始位置( ，e o ) 。不同的人主要表现在最后停车开始倒车的位置不一样，从而使得d x 、d y 不是理想中计算得到的。若严格要求驾驶员泊车前将车准确的停在由图2 9 计算得到的起始位置，则会加大驾驶员的驾驶难度，驾驶员将花费很大的精力在确定起始位置上，这样就达不到方便驾驶员平行泊车入车位了。从而在实际泊车过程中按图中设计的轨迹运行，将不能很好的将车辆准确驶入停车位中。通过分析可知，不同的起始位置，会导致切点c 位置随d x 、d y 的变化而变化，这样就会增加控制的难度。一是转弯半径的确定和实际泊车过程转弯半径的控制，二是切点位置c 的坐标的计算和实际控制时运动n c 点时的判断条件。针对上述倒车路径的不足，本论文提出了一种更可靠有效的解决方案，能够有效的加大驾驶员查找起始泊车位置的范围，驾驶员只要将车停到大概的位置即可将车自动行驶入停车位内，使得泊车变得更加简便。2 4 2 三步骤不等转弯半径平行泊车路径的生成通过2 4 1 节中分析的最简单泊车路径是不合理的路径，但通过上述分析可知，当起始点位置不一样时，会导致转弯半径和切点c 的位置的判断很难，但是如果我们先将c 点的位置固定下来，然后根据不同的泊车起始位置，通过将第一段半径改为r 1 ( r l r m i n ) 而不是r m i n ，圆心位置也变为另一个地方，如图2 1 0所示。这样泊车时从新的起始位置( ，o o ) 先以o l 为圆心，以r l 为半径做半径恒定的一段圆弧运动到达点c 位置，这样由原来两段最小转弯半径相切的圆弧组成的泊车路径，改成一段是半径变化和一段是最小转弯半径相切的圆弧组成的泊车路径，这样就能适应驾驶员到达不同起始倒车位置开始泊车的问题，通过该方法能较好的将车倒入停车位内。1 6第二章自动平行泊车的模型建立和参考路径的生成y位图2 1 0 两段不同转弯半径的倒车路径示意图上述方法能解决在泊车过程中由于不同驾驶员选择的起始泊车位置不一样而导致泊车失败的问题。通过分析可以知道，纵向位置很好调整，只要驾驶员直接继续往前直行一段距离，或者进入自动泊车模式后在纵向y 轴向方向上多行驶一段距离即可调整好起始位置，但是当横向距离不一样时，即图2 1 0 中的d x 段不一样大小时，会导致起始点位置不一样，在横向x 轴向的距离可以通过测距传感器测得，但是起始泊车位置的纵向( y 轴向) 的距离就比较难得到了，此时若不知道纵向y 轴向的距离也就很难确定起始倒车位置。从而使得无法确定倒车半径，也就无法控制泊车的倒车路径了。但是当简单改变泊车半径和圆心位置做第一段圆弧运动时，因为前面假设了c 点的位置是固定的，所以根据已知条件可以知道切点c 的坐标( x c ，y c ) ，至于c 点坐标的确定可以根据不同车型进行标定求得或者离线计算得到。但是求解c 点的坐标时，要满足车辆从c 点开始左打死方向盘倒车，不会跟前方障碍物发生碰撞。然后根据测距传感器，我们可以测到一些点的具体坐标值，根据整个泊车轨迹要满足的一些几何条件，我们还是可以求解得到不同起始位置下