基于语音提示的辅助泊车系统控制器设计与试验*

华一丁 江浩斌， 马世典 唐 斌

（1.江苏大学；2.江苏大学汽车工程研究院）

1 前言

随着我国汽车保有量的快速增加，大中型城市道路拥堵和停车场车位紧张问题日益严重，对于驾驶技术欠佳的驾驶员而言，在车位紧张的路边或停车场快速、准确地完成泊车操作是十分困难的，极易导致车辆碰撞甚至引起道路堵塞。因此，近年来辅助泊车技术备受关注。

全自动式辅助泊车系统在国外的应用较成熟，但该泊车系统往往需要很多传感器和电动助力转向机构才能完成自动泊车，导致该系统成本较高。基于语音提示的辅助泊车系统具有精度较高、加装简便、成本低等优点，因此在我国市场日益受到重视。目前，国内外学者对自动泊车的数学模型及其控制系统的研究较多，而对基于语音提示的辅助泊车系统及其控制器技术的研究较少[1～4]。为此，探讨了一种基于语音提示的辅助泊车系统控制器设计方案，并将所开发的控制器装车进行了验证试验，为辅助泊车系统控制技术的自主研发提供了参考。

2 辅助泊车系统的基本组成与工作原理

基于语音提示的辅助泊车系统由信息采集模块、控制模块（主控制器）和执行模块组成，如图1所示。信息采集模块是系统的输入部分，主要采集轮速信号和测距超声波传感器信号； 控制模块是系统的核心部分，采用8位单片机作为处理器，其任务是调理输入信号并对执行模块进行实时控制；执行模块采用语音和蜂鸣器提示方式帮助驾驶员完成泊车操作；电源模块为车载蓄电池。

辅助泊车系统的工作原理如图2所示，当汽车低速进入停车区域后，驾驶员开启辅助泊车系统，信息采集模块根据测距传感器采集的信号，确定目标车位及车辆自身相对于附近车辆的位置，并将这些数据信息传输给控制模块；控制模块根据这些数据信息，通过计算判断目标车位是否满足泊车要求，如符合泊车要求则计算出泊车路径方案和相应的控制命令 (主要是车辆移动控制命令和转向控制命令)；执行模块根据控制命令发出相应的语音或蜂鸣提示，帮助驾驶员完成一系列泊车过程的操作，实现快速准确地泊车。

辅助泊车系统的控制策略为：当驾驶员启动泊车系统后，控制器发出“请小心驾驶”指令，此时通过侧方长距离超声波传感器并结合车速传感器探测车位的长宽，如果符合要求则会提示“请停车”及“请挂倒挡向正后方低速行驶”，当车辆行驶到固定泊车起始点时，提示“请停车“及“转向盘右打满”，此时控制器计算左前轮行驶的第1段轨迹弧长，当弧长达到预设计的计算值时（如图2中点1位置）提示“请停车”、“转向盘回正”及“保持方向不动向后行驶”等。同理，达到第2段预设计的计算值时（图2中点2位置），提示“请停车”及“转向盘左打满”直至“泊车完成”。

3 控制器硬件设计

3.1 微处理器选择

图3是控制器硬件组成结构，其由XC866-2RR和若干外围辅助模块及接口模块构成。XC866-2RR是Infineon公司生产的高性能8位单片机。由于该单片机既能满足轮速信号处理所需双沿触发的外部中断向量，以及长短距离超声波传感器所需的用来产生脉宽调制信号、带有电机控制专用模式的捕获/比较单元（CCU6）的要求，也可处理从传感器接收的各种信号，并能向执行器输出具有足够驱动能力的各类控制信号，所以以该单片机作为该系统的微处理器。同时，其具有同步串行通道（SSC）可以直接与语音芯片连接，方便控制语音芯片按时工作。此外，该单片机功耗小、成本低，具有较高性价比。

3.2 轮速信号调理电路设计

采用某B级轿车作为试验样车，样车的轮速信号为频率和幅值均随车速增大而增大的正弦交变信号，必须调理成同频率的方波信号，以便于单片机处理。图4为所设计的轮速信号调理电路。

由于左、右轮速的调理电路相同，因此以右轮轮速为例，则该电路工作过程为：当车轮开始滚动后，右轮速信号WS_R由ABS获取，由于ABS中的轮速传感器获取的轮速值是用电压值表示，一旦轮速过高时会产生较大的电压而影响后一级电路的正常工作，因此采用2个稳压值为3.3 V的1N4728A阴极串联的形式，当交变正弦轮速信号通过2个稳压管时，会将正半周和负半周的幅值稳定在3.3 V。

IN4728A前端的电阻R20在电路中起限流和提高稳压效果的作用，但R20阻值过大也会造成输入与输出压差过大，导致耗电量较大。由于此时轮速信号中会存在某些频率高于160 Hz的（来自发动机或车身震动）高频干扰信号，因此在此处设计了RC低通滤波器，由R21和C19组成。

将轮速信号的正、反向输入分别接到运算放大器LF353N的同相和反相端，经过放大和过零比较后由LF353N的7号引脚输出同频率方波轮速信号。其中R19和R26作为负反馈电阻，C18作为交流旁路电容，给被放大的交流信号提供通路，防止交流信号在反馈电阻上产生压降形成交流负反馈而压缩交流放大量。

方波轮速信号经过高速光耦TLP521－4将其转换成TTL电平信号，再通过施密特触发器SN74LS14N电平转换成高低电平输入到单片机。

3.3 电源模块设计

电源模块的功能是产生控制器各芯片所需电压，图5为所设计的电源模块电路。该电路工作过程为：由于电源模块需要尽量降低电压脉动，以保证各芯片稳定工作，因此采取LCπ滤波，该滤波电路由L1、C3、C2组成。由于经滤波处理后的+12 V电压还不够稳定，因此接入L7812稳压器，其中电容器C4和C5用来减少输入和输出电压的脉动，并改善负载的瞬态响应。稳压后的+12 V电压提供给超声波传感器，将得到的稳压+12 V经过芯片A1209S－1W转换成+9 V/－9 V电压，给前面运算放大器LF353N供电。将+12V作为正向输入接到DC－DC隔离电路芯片IB1205S/D－2W的1号引脚，从6号引脚输出+5 V电压，经过滤波电容C9滤波后，再输入到稳压芯片REG1117－3.3产生稳定的+3.3 V电压，并给语音芯片和MCU供电。

3.4 语音提示模块电路设计

语音提示模块的作用是根据微处理器发出的选址信号输出预先录制的语音信号给扬声器。语音提示模块由语音芯片WTV040－16S和外围电阻电容组成，语音芯片内部自带功率放大器，所以只需配置外围电阻电容就可以放大语音信号。WTV系列语音芯片具有6K采样频率，能存储40～340 s的声音，音频输出为PWM或DAC模式，控制方式有按键、并口、串口模式等。图6为设计的语音提示模块电路。

根据以上各模块电路设计，最终完成控制器电路板的设计，如图7所示。

4 控制软件设计

根据系统功能需求，将控制软件分为主程序、轮速信号采集处理程序、测距传感器信号采集处理程序、语音及报警提示程序等，并采用模块化编程设计方法开发系统控制软件。

4.1 主程序设计

主程序的功能是对硬件进行初始化、对控制系统软件状态循环检测及对各子程序的调用[7]，主要包括初始化硬件、循环检测轮速信号状态、循环检测侧方车辆与本车的侧向距离、循环检测车辆挡位情况及根据设定条件进入泊车子程序等，如图8所示。

在自检过程中，控制器实时记录超声波测距传感器的信号，判断本车与侧方车辆的距离，并记录在特定数组中。

泊车过程从语音提示的泊车起点开始，然后根据语音指令按“弧线－直线－弧线”[8]的步骤完成泊车。以车辆左前轮为例（图9），左前轮右打满，沿轨迹1缓慢倒车在节点一处停止，完成第1段弧线路径操作；左前轮回正，沿轨迹2继续缓慢倒车至节点二处停止，完成第2段直线路径操作；左前轮左打满，沿轨迹3缓慢倒车直至泊车结束，完成第3段弧线路径操作。图9中，F为本车在泊车起点时车尾与前方障碍末端的横向距离；D为本车距前方障碍的侧向距离，一般为0.5～1.5m。为保证一次泊车的成功率，在设计主程序时，将测距传感器测出的侧向车距分为1.5～2 m、0.5～1.5m、0.2～0.5m 等 3 种情况，主程序根据 3 种侧向车距分别设计相应的泊车过程软件程序。

4.2 测距传感器信号消抖处理

行驶中的车辆因车身颠簸而造成超声测距波传感器信号抖动，因此需要对信号进行适当的消抖处理。处理方法是将多次采集的数据去除最大值和最小值，然后取平均值[9]。

5 实车测试

在试验车车身两侧各布置1个超声波传感器，车头、车尾各布置2个超声波传感器，辅助泊车控制器安装在车内仪表台上，实车测试现场和泊车过程如图10所示。为分析不同驾驶员操作效果的差异，试验时安排3名具有1～3年实际驾龄的驾驶员分别在同样的场地对同一辆车进行语音提示下的泊车操作，每位驾驶员均重复操作5次。图11为3名驾驶员完成泊车时的场景。

为评价实际泊车效果，提出了如图12所示的4个评价参数，其中，a为本车距前方障碍距离；b为本车距后方障碍物距离；c为本车左侧边缘与车位左侧边界线的平均距离；θ为本车左侧边缘线与车库左侧边界线夹角。如本车左侧边缘超出车位边界线，则c为负值。

一般比较理想的试验数据为：a为50～95 cm，b为 110～65 cm，c为±5 cm，θ为±10°。由表 1 数据可知，3名驾驶员的泊车效果差异主要在于本车位于目标车位内的前、后位移量，以及相对于车位边界线的偏离角度。从泊车结果可看出，驾驶员A的第5次泊车试验与驾驶员C的第5次泊车试验在位于目标车位内的前、后位移量存在较大误差，但误差都没超过5%，并且都可以通过驾驶员后期前后微调进行消除；驾驶员A的第1、3、5次试验、驾驶员B的第3次试验和驾驶员C的第1次试验中，虽然偏离角θ相对于其它几次试验较大，但也可通过驾驶员的微调进行消除；3名驾驶员的其它几次泊车试验在语音提示的辅助泊车系统帮助下均成功完成。因此，该试验验证了所开发的辅助泊车系统控制器的有效性。

表1 3名驾驶员的泊车结果评价指标

6 结束语

为辅助驾驶员实现对车辆快速、准确的泊车操作，设计了一种基于语音提示的辅助泊车系统控制器。将所设计的辅助泊车控制器安装在一辆B级轿车上，分别由3名驾驶员进行操作试验，并采用4个参数指标对泊车效果进行评价。试验结果表明，3名驾驶员在辅助泊车系统帮助下都成功完成了泊车操作，从而验证了所设计的辅助泊车控制器的有效性，可辅助驾驶员高效准确地完成泊车操作。

1 姜辉，郭孔辉，张建伟.基于路径规划的自动平行泊车转向控制器.吉林大学学报（工学版）.2011，2（41）:293～297.

2 Song Jinze;Dai Bin.An effective sequence image mosaicing approach towards auto－parking system.Lecture Notes in Electrical Engineering， v 137 LNEE， p 707－715， 2012.

3 Florencio M，Agostinho P，Sequeira J S.Automatic parallel parking of a car－like robots//37th International Symposium on Robotics ISR 2006.Germany，2006.

4 李红，郭孔辉，宋晓琳，等.基于Matlab的多约束自动平行泊车轨迹规划.中南大学学报（自然科学版）.2013，44（1）:101～107.

5 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计（修订版）.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

6 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术.北京：北京航空航天大学出版社，2000.

7 郭孔辉，付皓，丁海涛.基于CarSim RT的车辆稳定性系统控制器开发.汽车技术，2008（3）:1～4.

8 M B Miliam.Real－Time Optimal Trajectory Generation for Constrained DynamicalSystems.California Institute of Technology，2003.

9 谢晖，周能辉.基于32位单片机MC68376的电动汽车主控制器的开发.汽车技术，2004（3）:25～27.