基于模糊控制理论的平行泊车系统研究①

王 萍

(同济大学汽车学院，上海200092)

1 自动泊车技术发展前景良好

随着人民生活水平的不断提高，汽车已经成为日常生活中不可缺少的一部分，但是，与此同时停车问题也成为困扰很多驾驶员的一个难题．一方面，在经济快速发展的带动下，越来越多的汽车进入千家万户，这样导致公路旁边、街道两旁、停车场以及居民小区等拥挤不堪，泊车空间越来越少;另一方面，越来越多的让人学习开车，导致缺乏驾驶经验的新手逐年增加，这样在泊车时经常会导致各种问题．

研究表明，在泊汽车时主要有三个方面的困难点:一是有限的视野阻碍驾车者看清楚后方的情况，仅能通过后视镜来观察车尾部情况．但是后视镜的位置和当天的天气状况将会影响其发挥作用;二是通过后视镜来观察车尾情况，需要推理反向视角的变化，又需要常常扭头观察真实情况，同时还需要控制方向盘、油门和刹车等，而经验较少的驾驶员对一系列的操作较为生疏，容易造成操作失误;三是当驾驶员遇到不熟悉的环境或者车位狭窄的情况时，泊车比较困难，尤其对于驾车新手，缺乏经验技巧，或者对车型部件的灵敏度不熟悉，往往难以将汽车进行快速准确的泊位．

汽车成为当今社会非常重要的交通工具，在人们的生活和工作中发挥着越来越重要的作用．汽车制造商意识到消费者的需求，非常关注汽车电子的发展，并大力研究应用车载智能感应设备和半自动、自动电子控制设备．各大汽车制造商看好自动泊车技术的应用前景和市场意义，目前市场上装备自动泊车系统的产品包括:雷克萨斯的LS460、雪铁龙的大C4毕加索、奔驰B200、沃尔沃的S60、大众CC、途观和新帕萨特等．

2 平行泊车过程分析

根据实际驾驶经验，将平行自动泊车过程简化如下:

(1)寻找车位和起始位

寻找一个合适的泊车位，其条件是空间要比车身长度前后各长出1m左右，这样才能保证车辆可以在车位中调整位置．找到车位后，首先要调整车身与临近障碍物的距离(根据驾驶经验，一般控制在0．5～0．8m左右)，然后沿着停车位方向，使车身与停车位基本平行，即车身方向与X轴方向的夹角为0，而后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，停车如图1所示．

图1 寻找车位和起始位

(2)挂档倒车，朝车位方向打方向

挂倒车档，开始倒车，朝停车位方向打方向盘，(车位在车身右边情况时顺时针打方向盘，车位在车身左边情况时逆时针打方向盘)，低速将车往停车位方向倒入．此时车身与X轴向的夹角将逐渐加大，当加大到大约45°时．

图2 挂档倒车，朝车位方向打方向

(3)朝停车位相反的方向打方向盘，倒车入库

将车身与X轴的方向(停车位方向)成大约45°夹角时，朝着相反方向打方向盘(当车位在车身右边时逆时钟打方向盘，当车位在车身左边时顺时钟打方向盘)，继续往车位方向倒车，使车身与X轴方向的夹角逐渐减小．当车身回正，车辆就能进入停车位．

图3 朝车位反方向打方向，倒车入库

(4)调整车位

完成了以上三个步骤以后，有时可能车身有些斜，可根据实际的情况进行微调，将车辆在车库内调正位置．

图4 调整车位

以上对实际平行泊车过程进行了分析，先总结如下:主要分四步，第一步骤和第四步较简单，驾驶员很容易完成;而第二和第三两步较复杂，因为需要控制车辆的转角大小和转向时间．通过分析车辆低速情况下的运动学模型可知，平行泊车过程中第二和第三步的路径轨迹是S形轨迹．由于这段参考路径是S形路径，现在很多相关的研究会把整条路径由两段相切的圆弧组成．其数学建模主要的难点有两点:一是两段圆弧半径的选取，二是两段圆弧相切的切点位置确定．

图5 平行泊车S形路径

图6 S形参考路径两个阶段

3 基于模糊控制理论的平行泊车分析

模糊控制系统定义为:以模糊数学、模糊语言的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环控制系统，其组成核心是智能化的模糊控制器．因为模糊逻辑控制的方法有许多优越性，比如:可以模拟人类的思考方式、控制简单、易于理解等．近几年，汽车行业运用模糊逻辑控制已经逐渐成为一种产业化的趋势，各大型汽车厂商对模糊控制的应用表现出浓厚的兴趣，并进行了广泛深入的研究和开发，如发动机控制、变速器控制、四驱控制、ESP控制、反锁刹车控制和有源车身弹性缓冲系统等．

图7 S形参考路径第一阶段示意图

图8 第一阶段模糊控制器设计图

图9 S形参考路径第二阶段示意图

为了便于研究，在这里我先把S形参考路径分为两段不等半径的圆弧组成，称为S形参考路径的两个阶段．

第一阶段是指从初始位置So倒车到图上点C位置(基本近似两个圆弧的切点);第二阶段是指从C位置倒车到图中点D位置．接下来，我们要用模糊控制理论对S形路径的两个阶段模糊控制器进行分析．

图10 第二阶段模糊控制器设计图

3．1 S形路径中对第一阶段模糊控制器的分析

因为泊车速度小于或等于5km/h，假设无打滑现象．所以第一阶段模糊控制器的输入变量是车辆的偏向角α(这里假设:取逆时针为正，顺时针为负)和由导航系统测量车辆行驶的距离Li．在设计控制器时，我们还假定车辆是匀速行驶的，所以输出变量只有车辆的方向盘转角θ，同样取逆时针为正，顺时针为负，则θ的取值范围是[－540，540]，但考虑到在第一阶段的时候，车辆一直向右转向，所以转角取值为负数，范围为[－540，0]，如图7所示．

第一阶段模糊控制器的输入变量是车辆的偏向角α和车辆行驶的距离Li，其中α比较好取值，但是Li就要进行预处理．假设在第一阶段中，标准的行驶距离为Lc，用Lc来为行驶距离Li进行判断．假设车辆从始发点So行驶到切点－C点，并设汽车行驶过程中的当前点为Si，用传感器测量得知汽车在当前点Si时，行驶的距离为Li，当前偏向角为α．由于标准的行驶距离为Lc，对由传感器测量得到的输入变量Li进行预处理，使处理结果映射到有限的区域内，处理结果为Di，预处理函数为:

对Li预处理后的输入值Di取值范围为[0，l]，车身偏向角α取值范围为[45，90]．

总结:在第一阶段，模糊控制器的输入变量为Di(传感器测量的距离经过预处理后的结果)，其论域为[0，l]，车身偏向角 α，论域为[45，90]，模糊控制器的输出变量为车辆方向盘的转角θ，其论域为[－540，0]．第一阶段模糊控制分析如下:

模糊控制规则是当车辆的偏向角α和预处理结果Di都是大时，这种情况不存在，不做研究;

当车辆的偏向角α大而预处理结果Di小时，根据实际的倒车经验，这是一第一阶段开始不久的情况，需要继续增大角度转弯行驶;

当车辆的偏向角α小而预处理结果Di大时，结合实际的倒车经验，当接近C点时，要减小转弯弧度，准备向另一个方向转向;

当车辆的偏向角α和预处理结果Di都小时，此时将到达C点，要减小转弯弧度，准备向另一个方向转向．

第一阶段模糊控制设计如图8所示．

图11 平行泊车流程图

3．2 S形路径中对第二阶段模糊控制器的分析

在第二个阶段的模糊控制器的输入变量与第一阶段类似，由车辆的车偏向角α(取逆时针为正，顺时针为负)，惯性导航系统测量车辆行驶的距离Li，由于泊车过程中，车辆速度很慢，因此在设计控制器时，假定车辆是匀速行驶的，所以输出变量只有车辆的方向盘转角θ，θ的取值范围是[－540，540](取逆时针为正，顺时针为负)，但因为在第二阶段，车辆一直向左转，所转角取值为正值，范围为[0，540]，如图9 所示．

首先也要和第一阶段一样，对输入变量Li进行预处理，车辆从始发点到切点C，然后行驶到终点位置D点，设车辆行驶过程中当前位置为Ci，通过传感器测量得知车辆在当前点Ci时的行驶距离为Li，车辆的偏向角为α．假设标准行驶距离为LD，然后对输入变量Li(传感器测量得到的距离)进行预处理，使处理结果映射到有限的区域，假设预处理结果为Di，预处理函数为:

预处理后输入Di取值范围为[0，1]，α取值范围为[45，90]．

经过预处理后，第一阶段模糊控制器的输入变量为Di(传感器测量结果经过预处理后的量)，其论域为[0，1]，车身偏向角为 α，其论域为[45，90]，输出变量为方向盘的转角 θ，其论域为[0，540]．第二阶段模糊控制分析如下:

当车辆的偏向角α和预处理处理结果Di都大时，意味着车辆快到目标位置了，此时要回正方向盘，所以要输出较小的转向角;

当车辆的偏向角α大而预处理结果Di小时，这说明车辆开始运动不久的情况，因此要继续大角度转弯行驶;

当车辆的偏向角α小而预处理处理结果Di大时，此时情况不存在;

当车辆的偏向角α和预处理处理结果Di都小时，这是刚开始运动不久的情况，所以还是要继续增大转向角行驶车辆．

第二阶段模糊控制器设计如图10所示．

3．3 基于模糊控制理论的平行泊车系统流程图

平行泊车流程图如图9，整个系统从“START”开始，驾驶员先启动自动泊车系统，车辆在车位附近缓慢行驶，此时装备在车头和车尾的自动探测系统开始工作，搜索车位．车位搜索的情况分三种，车位的前方和后方都有车辆或障碍物，只有车位前方有车辆或障碍物和只有车位后方有车辆或障碍物．如果找到合适的车位，系统转向泊车过程;如果没找到合适的车位，程序返回，继续开始找车位．

现在我们假设系统已经找到合适的停车位置了，车辆停止在某个初始点，开始准备泊车．前面的内容已经分析过，在这里我们把车辆泊车时的路径分为两个阶段，在系统设计的时候我们也把两段路径分开来研究，一是为了方便系统的设计和程序的编写，二是如果在泊车过程中遇到障碍物等情况，车辆泊车终止，我们而可以从中间过程开始，不用回到原点重新开始．所以可以看到在这个流程图里面，先进行S形路径第一阶段的路线，如果途中遇到障碍物而导致泊车停止，系统返回第一阶段开始时的程序，只是重新开始S形路径第一阶段的泊车过程．如果第一阶段泊车完成，那么程序继续第二阶段的泊车过程．第二阶段也是和第一阶段一样的，如果在泊车过程中遇到障碍物而导致泊车停止，系统返回第二阶段开始时的程序，直到第二阶段的结束．如果此时车辆已经很适合地在车位里面，整个泊车过程结束．如果此时车辆还有一些歪斜等情况，驾驶员可以在车位里面进行微调，直到车辆成功进入车位．

4 总结

本文主要研究了在底速泊车情况下，分析平行泊车的几个步骤，简化车辆模型和泊车步骤，抽象出泊车过程中相关参数，研究模糊控制理论，并把模糊控制应用到平行自动泊车系统中，为泊车过程中每个步骤设计输入量、输出量以及模糊控制规则，并设计平行泊车工作流程图。自动泊车技术是现代车辆智能化的研究热点之一，一些相关的汽车消费者研究表明，中国消费者对自动泊车系统的认知度很高，自动泊车系统在中国汽车市场有很好的应用前景，很多汽车厂家在做产品规划工作时都考虑了自动泊车装备的应用，希望相关的研究继续深入．

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