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,掃描滿足當前車輛停放的障礙物空間車位或線車位,并通過人機交互(HumanMachine Interface,HMI)獲取駕駛員對目標車位的選擇或自動確定目標車位,自動規(guī)劃泊車路徑,通過控制器向車輛執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送橫向及縱向運動控制指令,最終實現(xiàn)車輛安全、準確、高效地泊入目標車位,如圖1所示。

為實現(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記的線車位進行識別和掃描,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和攝像頭傳感器實現(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,超聲波雷達只能對障礙物邊界進行測距,對車位線無法識別,而采用360°全景式攝像頭彌補了線車位無法識別掃描的缺點,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)在人機交互方面進行融合設(shè)計,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)合車輛運動學模型,對車輛泊入目標車位的路徑進行規(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行運動控制,使車輛按照路徑規(guī)劃的軌跡進行跟蹤,實現(xiàn)車輛安全準確泊入。決策控制模塊需同時對車輛的橫向運動和縱向運動進行控制。

2.APA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、人機交互(HMI)及執(zhí)行機構(gòu)。

APA系統(tǒng)通常配置12個超聲波雷達,其中包含4個長距離超聲波雷達,實現(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,實現(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。

3. APA泊車控制算法設(shè)計

3.1 APA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、360О環(huán)視攝像頭)自動搜索周邊環(huán)境中的可停車位,在駕駛員確認目標車位后,APA自動進行路徑規(guī)劃并通過決策控制模塊對車輛橫、縱向運動進行控制,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的控制實現(xiàn)對車輛橫、縱向運動的控制。

(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,形成良好的人機交互。

3.2 APA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。

3.3 APA平行泊車控制算法設(shè)計

3.3.1 掃描車位校驗模塊

掃描車位校驗模塊主要對環(huán)境感知模塊掃描識別后輸出的車位進行校驗。結(jié)合傳感器輸出的車位信息(B點坐標)和車身參數(shù),以車輛泊入過程安全無碰撞為約束條件,實時計算當前車輛能夠成功泊車入庫的最短泊車空間距離(L)。將當前車輛實際可泊入車位尺寸進行比較,若滿足可泊入條件,則將當前識別出的車位進行輸出,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為待校驗車位B點y坐標:l為車頭到后軸距離。

經(jīng)校驗后的可泊車位信息經(jīng)坐標轉(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動控制。

3.3.2 泊車初始位置校驗模塊

泊車初始位置校驗模塊主要對掃描車位校驗模塊輸出的車位進行二次校驗。基于車輛當前位置和需要泊入車位的位置,以兩圓相切理論為規(guī)劃約束對當前車位是否可泊入進行校驗,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,計算出允許泊車的初始位置范圍為(Px,Py)。將當前車輛位置與(Px,Py)進行比較,如在范圍內(nèi),則說明當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前位置即預備倒車起始位置,到泊車終點目標位置的局部路徑規(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)車輛實時反饋的狀態(tài)信號進行修正控制,保證車輛實時準確地跟蹤規(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的運行狀態(tài),與駕駛員進行交互,包括車位掃描結(jié)果的顯示、泊入目標車位的選擇等。

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)進行了設(shè)計?；谲囕v配置確定控制算法接口,結(jié)合車輛實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和攝像頭傳感器進行車位掃描,路徑規(guī)劃模塊主要采用圓弧-圓弧方式進行局部路徑規(guī)劃,控制決策模塊根據(jù)規(guī)劃路徑進行跟蹤和執(zhí)行器控制。整個控制算法設(shè)計合理有效,為自動駕駛研究奠定了一定的基礎(chǔ)。