自動(dòng)泊車系統(tǒng)模擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

國 芳, 夏 帥, 李德才, 李 琨

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院,江蘇 徐州 221008）

自動(dòng)泊車系統(tǒng)模擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制作

國 芳1, 夏 帥2, 李德才2, 李 琨2

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院,江蘇 徐州 221008）

隨著汽車數(shù)量的飛速增加，城市停車空間日趨緊張，泊車環(huán)境越來越復(fù)雜，車輛泊車入位困難問題日益突出，自動(dòng)泊車系統(tǒng)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)體積大、成本高、系統(tǒng)復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)制作了適用于實(shí)驗(yàn)室研究的模擬樣機(jī)，對(duì)自動(dòng)泊車路線進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，并在模擬樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)水平式、垂直式兩種車位的自動(dòng)泊車功能。

自動(dòng)泊車;模擬樣機(jī);路徑規(guī)劃;最小轉(zhuǎn)彎半徑

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提高了人們的生活水平，汽車的普及在為出行提供便利的同時(shí)也遇到了諸如停車位不足、停車位空間緊湊、泊車?yán)щy等問題，泊車操作過程中出現(xiàn)的事故頻繁發(fā)生。據(jù)2006年密歇根大學(xué)交通研究所的交通事故調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)：因泊車操作引起的交通事故，占所調(diào)查全部交通事故的44%，其中進(jìn)入車位事故發(fā)生率為34%，駛離車位事故發(fā)生率為10%[1]。為提高汽車使用的安全性和舒適性，滿足消費(fèi)者對(duì)泊車系統(tǒng)的需求，自動(dòng)泊車系統(tǒng)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

20世紀(jì)40年代開始了對(duì)自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)的研究，通過泊車輔助裝置引導(dǎo)駕駛員轉(zhuǎn)向操作，輔助駕駛員完成泊車。20世紀(jì)80年代后期，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的產(chǎn)生推動(dòng)了自動(dòng)泊車系統(tǒng)的研究，電控轉(zhuǎn)向技術(shù)的日趨成熟使泊車系統(tǒng)研究取得了較大進(jìn)展。目前，國外已經(jīng)有多家公司為高端豪華車型配備了自動(dòng)泊車功能，但國內(nèi)對(duì)于自動(dòng)泊車系統(tǒng)的研究起步較晚，與國外公司仍存在較大差距。

自動(dòng)泊車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題主要包括全車位檢測(cè)、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等三大問題。自動(dòng)泊車實(shí)際系統(tǒng)體積大、造價(jià)高、場(chǎng)地要求高、實(shí)驗(yàn)存在較大安風(fēng)險(xiǎn)，不利于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室研究和教學(xué)工作，基于以上問題，此文設(shè)計(jì)制作了一套自動(dòng)泊車系統(tǒng)的模擬樣機(jī)。

1 模擬樣機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)泊車模擬樣機(jī)以全國大學(xué)生智能車競(jìng)賽專用A車模作為控制對(duì)象，該車模采用7.8V充電電池供電，便于傳感器、電路板的安裝。根據(jù)自動(dòng)泊車系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)硬件主要包括車位檢測(cè)、轉(zhuǎn)向控制、路徑測(cè)量、車速控制、人機(jī)交互接口、電源管理等部分，自動(dòng)泊車系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)泊車系統(tǒng)整體硬件框圖

1.1 自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)不僅要采集車位、車速等信息，還要進(jìn)行復(fù)雜的路徑規(guī)劃和轉(zhuǎn)向、車速控制[2]，綜合以上因素，選擇飛思卡爾公司生產(chǎn)的Kinetis K60型號(hào)單片機(jī)為自動(dòng)泊車系統(tǒng)的控制芯片。K60為基于ARM Cortex M4內(nèi)核的混合信號(hào)為處理器，采用32位處理器內(nèi)核，總線頻率可達(dá)200MHz，合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號(hào)能力，并且具備PWM、DMA、ADC、DAC等豐富的外設(shè)資源，可滿足自動(dòng)泊車系統(tǒng)的控制需要。

1.2 車位檢測(cè)與轉(zhuǎn)向控制

1.2.1 測(cè)距傳感器選擇與布置

常用的測(cè)距模塊包括紅外測(cè)距、激光測(cè)距、攝像頭測(cè)距、超聲波測(cè)距等，表1為幾種測(cè)距方式的對(duì)比分。綜合探測(cè)距離、響應(yīng)時(shí)間、成本等因素考慮，最終確定本系統(tǒng)采用型號(hào)為HC-SR04的超聲波傳感器進(jìn)行距離檢測(cè)。

表1 幾種測(cè)距方式的對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)對(duì)車位的準(zhǔn)確檢測(cè)，本模擬樣機(jī)共采用8只超聲波傳感器，空間布置如圖2所示。

轉(zhuǎn)向控制采用型 號(hào) 為 Futaba S3010舵機(jī)伺服器，該舵機(jī)6V時(shí)扭力可達(dá)6.5kg.cm，動(dòng)作速度0.16±0.02sec/60°，可滿足模擬樣機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。

1.3 路徑測(cè)量與車速控制

自動(dòng)泊車系統(tǒng)運(yùn)行中，需要根據(jù)路徑確定轉(zhuǎn)向、速度，因此需要實(shí)時(shí)獲取車模的位置，本設(shè)計(jì)中采用歐姆龍E6A2-CW3C型 200線增量式編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，通過對(duì)轉(zhuǎn)速的積分獲取路徑信息。

圖2 超聲波傳感器的空間布局

泊車過程中，需要對(duì)車模運(yùn)行速度進(jìn)行控制，模擬樣機(jī)是通過一直流電機(jī)帶動(dòng)車模運(yùn)行，因此需要設(shè)計(jì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。本模擬樣機(jī)中采用了由兩片BTS7970驅(qū)動(dòng)芯片組成的H橋式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖3所示。

圖3 車速控制電路設(shè)計(jì)

1.4 電源管理電路

模擬樣機(jī)采用7.8V電池提供電能，而單片機(jī)最小系統(tǒng)需要3.3V供電，超聲波模塊和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要5V供電，舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要6V供電，因此在向各個(gè)模塊提供電能時(shí)，需要進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，已確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作，圖4給出了系統(tǒng)電源管理電路的框圖。

2 車位檢測(cè)與路徑規(guī)劃

2.1 自動(dòng)泊車最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算

最小轉(zhuǎn)彎半徑指的是當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，車輛以能使車輛穩(wěn)定的最低車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，其外側(cè)轉(zhuǎn)向輪中心平面在地面上滾動(dòng)的軌跡圓半徑。它所表征的是車輛能夠通過彎曲狹窄地帶或者能夠繞過不可越過障礙物能力。轉(zhuǎn)彎的半徑越小，車輛的機(jī)動(dòng)性能就越好。

圖4 模擬樣機(jī)電源管理電路框圖

圖5 最小轉(zhuǎn)彎半徑軌跡

根據(jù)圖2所示的車模參數(shù)，其中，La表示車長，Wa表示車寬，不包含后視鏡、轉(zhuǎn)向燈等部位；軸距用Lb表示；前懸長用Lc表示；后懸長設(shè)為Ld。結(jié)合圖5所示的最小轉(zhuǎn)彎半徑軌跡可得：

車道內(nèi)邊沿所在的圓的半徑：

車輛外輪廓運(yùn)動(dòng)軌跡所在圓的最外沿半徑：

以最小半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)車道安全寬度：

2.2 超聲波測(cè)距與車位檢測(cè)

當(dāng)超聲波從空氣垂直入射到固體表面時(shí)，產(chǎn)生全反射，反射回來的回波具有足夠的能量被接收探頭收到，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的計(jì)算公式如式（5）所示。

其中：v表示超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度，Ts表示單片機(jī)中設(shè)定的中斷周期，M表示在一個(gè)脈沖讀取周期內(nèi)進(jìn)入中斷的次數(shù)。

以水平式車位自動(dòng)泊車為例說明車位檢測(cè)的原理。當(dāng)自動(dòng)泊車功能啟動(dòng)后，位于車模右側(cè)的傳感器器實(shí)時(shí)車模右側(cè)距離是否大于車模寬度，同時(shí)，編碼器路徑測(cè)量模塊記錄車位長度。當(dāng)車位寬度和長度均大于設(shè)定值時(shí)，表明該車位可停車，實(shí)現(xiàn)車位的檢測(cè)。

2.3 自動(dòng)泊車路徑規(guī)劃

當(dāng)車位通過可行性驗(yàn)證后，自動(dòng)泊車系統(tǒng)開始規(guī)劃路徑進(jìn)行泊車。此文針對(duì)兩種最常見的水平式、垂直式泊車位闡述路徑規(guī)劃原理和泊車過程。

2.3.1 水平式泊車位路徑規(guī)劃

結(jié)合圖6闡述水平式泊車位路徑規(guī)劃過程：

（a）尋找空閑車位：找到最小轉(zhuǎn)彎半徑圓所指的圓心。（b）進(jìn)入第一個(gè)最小圓軌跡：確定車位水平距離。（c）進(jìn)入第一個(gè)最小圓與第二個(gè)最小圓軌跡的交點(diǎn)。（d）車輛到達(dá)預(yù)定位置，車輛進(jìn)行局部調(diào)整。

圖6 水平車位自動(dòng)泊車路徑規(guī)劃

2.3.2 垂直式泊車位路徑規(guī)劃

結(jié)合圖7闡述垂直式泊車位路徑規(guī)劃過程：

（a）四分之一圓軌跡路徑。（b）車輛泊車后期的局部調(diào)整。

3 自動(dòng)泊車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

需要泊車時(shí)，通過功能按鍵啟動(dòng)自動(dòng)泊車功能，選擇車位類型，控制系統(tǒng)通過車位檢測(cè)單元檢測(cè)車位數(shù)據(jù)并進(jìn)行泊車路徑規(guī)劃并進(jìn)行可行性分析。只有當(dāng)可行性驗(yàn)證通過后，路徑測(cè)量模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車位置，并調(diào)整汽車運(yùn)行速度，并將汽車位置在液晶顯示器輸出顯示。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。

編寫自動(dòng)泊車系統(tǒng)的程序，并在實(shí)驗(yàn)室搭建簡易停車位進(jìn)行水平式、垂直式兩種停車位的自動(dòng)泊車實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)泊車過程如圖9、10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的車位檢測(cè)、路徑規(guī)劃及轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)了模擬樣機(jī)的自動(dòng)泊車功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖7 垂直式車位自動(dòng)泊車路徑規(guī)劃

圖8 自動(dòng)泊車系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

此文設(shè)計(jì)制作了一種自動(dòng)泊車系統(tǒng)模擬樣機(jī)，通過8只超聲波傳感器器獲取車位數(shù)據(jù)，采用最小轉(zhuǎn)彎半徑原理對(duì)自動(dòng)泊車路徑進(jìn)行了規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了水平式、垂直式兩種車位的自動(dòng)泊車功能。

圖9 水平式停車位自動(dòng)泊車系統(tǒng)測(cè)試

圖10 垂直式停車位自動(dòng)泊車系統(tǒng)測(cè)試

[1]李紅.自動(dòng)泊車系統(tǒng)路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究[D].長沙：湖南大學(xué),2014.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.038

國芳（1985-）,女,碩士,中級(jí),主要研究方向：電力系統(tǒng)分析。