基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)控制器設(shè)計與試驗*

華一丁 江浩斌， 馬世典 唐 斌

（1.江蘇大學(xué)；2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院）

1 前言

隨著我國汽車保有量的快速增加，大中型城市道路擁堵和停車場車位緊張問題日益嚴(yán)重，對于駕駛技術(shù)欠佳的駕駛員而言，在車位緊張的路邊或停車場快速、準(zhǔn)確地完成泊車操作是十分困難的，極易導(dǎo)致車輛碰撞甚至引起道路堵塞。因此，近年來輔助泊車技術(shù)備受關(guān)注。

全自動式輔助泊車系統(tǒng)在國外的應(yīng)用較成熟，但該泊車系統(tǒng)往往需要很多傳感器和電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)才能完成自動泊車，導(dǎo)致該系統(tǒng)成本較高。基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)具有精度較高、加裝簡便、成本低等優(yōu)點，因此在我國市場日益受到重視。目前，國內(nèi)外學(xué)者對自動泊車的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)的研究較多，而對基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)及其控制器技術(shù)的研究較少[1～4]。為此，探討了一種基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)控制器設(shè)計方案，并將所開發(fā)的控制器裝車進(jìn)行了驗證試驗，為輔助泊車系統(tǒng)控制技術(shù)的自主研發(fā)提供了參考。

2 輔助泊車系統(tǒng)的基本組成與工作原理

基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)由信息采集模塊、控制模塊（主控制器）和執(zhí)行模塊組成，如圖1所示。信息采集模塊是系統(tǒng)的輸入部分，主要采集輪速信號和測距超聲波傳感器信號； 控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，采用8位單片機作為處理器，其任務(wù)是調(diào)理輸入信號并對執(zhí)行模塊進(jìn)行實時控制；執(zhí)行模塊采用語音和蜂鳴器提示方式幫助駕駛員完成泊車操作；電源模塊為車載蓄電池。

輔助泊車系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，當(dāng)汽車低速進(jìn)入停車區(qū)域后，駕駛員開啟輔助泊車系統(tǒng)，信息采集模塊根據(jù)測距傳感器采集的信號，確定目標(biāo)車位及車輛自身相對于附近車輛的位置，并將這些數(shù)據(jù)信息傳輸給控制模塊；控制模塊根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息，通過計算判斷目標(biāo)車位是否滿足泊車要求，如符合泊車要求則計算出泊車路徑方案和相應(yīng)的控制命令 (主要是車輛移動控制命令和轉(zhuǎn)向控制命令)；執(zhí)行模塊根據(jù)控制命令發(fā)出相應(yīng)的語音或蜂鳴提示，幫助駕駛員完成一系列泊車過程的操作，實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地泊車。

輔助泊車系統(tǒng)的控制策略為：當(dāng)駕駛員啟動泊車系統(tǒng)后，控制器發(fā)出“請小心駕駛”指令，此時通過側(cè)方長距離超聲波傳感器并結(jié)合車速傳感器探測車位的長寬，如果符合要求則會提示“請停車”及“請掛倒擋向正后方低速行駛”，當(dāng)車輛行駛到固定泊車起始點時，提示“請停車“及“轉(zhuǎn)向盤右打滿”，此時控制器計算左前輪行駛的第1段軌跡弧長，當(dāng)弧長達(dá)到預(yù)設(shè)計的計算值時（如圖2中點1位置）提示“請停車”、“轉(zhuǎn)向盤回正”及“保持方向不動向后行駛”等。同理，達(dá)到第2段預(yù)設(shè)計的計算值時（圖2中點2位置），提示“請停車”及“轉(zhuǎn)向盤左打滿”直至“泊車完成”。

3 控制器硬件設(shè)計

3.1 微處理器選擇

圖3是控制器硬件組成結(jié)構(gòu)，其由XC866-2RR和若干外圍輔助模塊及接口模塊構(gòu)成。XC866-2RR是Infineon公司生產(chǎn)的高性能8位單片機。由于該單片機既能滿足輪速信號處理所需雙沿觸發(fā)的外部中斷向量，以及長短距離超聲波傳感器所需的用來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號、帶有電機控制專用模式的捕獲/比較單元（CCU6）的要求，也可處理從傳感器接收的各種信號，并能向執(zhí)行器輸出具有足夠驅(qū)動能力的各類控制信號，所以以該單片機作為該系統(tǒng)的微處理器。同時，其具有同步串行通道（SSC）可以直接與語音芯片連接，方便控制語音芯片按時工作。此外，該單片機功耗小、成本低，具有較高性價比。

3.2 輪速信號調(diào)理電路設(shè)計

采用某B級轎車作為試驗樣車，樣車的輪速信號為頻率和幅值均隨車速增大而增大的正弦交變信號，必須調(diào)理成同頻率的方波信號，以便于單片機處理。圖4為所設(shè)計的輪速信號調(diào)理電路。

由于左、右輪速的調(diào)理電路相同，因此以右輪輪速為例，則該電路工作過程為：當(dāng)車輪開始滾動后，右輪速信號WS_R由ABS獲取，由于ABS中的輪速傳感器獲取的輪速值是用電壓值表示，一旦輪速過高時會產(chǎn)生較大的電壓而影響后一級電路的正常工作，因此采用2個穩(wěn)壓值為3.3 V的1N4728A陰極串聯(lián)的形式，當(dāng)交變正弦輪速信號通過2個穩(wěn)壓管時，會將正半周和負(fù)半周的幅值穩(wěn)定在3.3 V。

IN4728A前端的電阻R20在電路中起限流和提高穩(wěn)壓效果的作用，但R20阻值過大也會造成輸入與輸出壓差過大，導(dǎo)致耗電量較大。由于此時輪速信號中會存在某些頻率高于160 Hz的（來自發(fā)動機或車身震動）高頻干擾信號，因此在此處設(shè)計了RC低通濾波器，由R21和C19組成。

將輪速信號的正、反向輸入分別接到運算放大器LF353N的同相和反相端，經(jīng)過放大和過零比較后由LF353N的7號引腳輸出同頻率方波輪速信號。其中R19和R26作為負(fù)反饋電阻，C18作為交流旁路電容，給被放大的交流信號提供通路，防止交流信號在反饋電阻上產(chǎn)生壓降形成交流負(fù)反饋而壓縮交流放大量。

方波輪速信號經(jīng)過高速光耦TLP521－4將其轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，再通過施密特觸發(fā)器SN74LS14N電平轉(zhuǎn)換成高低電平輸入到單片機。

3.3 電源模塊設(shè)計

電源模塊的功能是產(chǎn)生控制器各芯片所需電壓，圖5為所設(shè)計的電源模塊電路。該電路工作過程為：由于電源模塊需要盡量降低電壓脈動，以保證各芯片穩(wěn)定工作，因此采取LCπ濾波，該濾波電路由L1、C3、C2組成。由于經(jīng)濾波處理后的+12 V電壓還不夠穩(wěn)定，因此接入L7812穩(wěn)壓器，其中電容器C4和C5用來減少輸入和輸出電壓的脈動，并改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。穩(wěn)壓后的+12 V電壓提供給超聲波傳感器，將得到的穩(wěn)壓+12 V經(jīng)過芯片A1209S－1W轉(zhuǎn)換成+9 V/－9 V電壓，給前面運算放大器LF353N供電。將+12V作為正向輸入接到DC－DC隔離電路芯片IB1205S/D－2W的1號引腳，從6號引腳輸出+5 V電壓，經(jīng)過濾波電容C9濾波后，再輸入到穩(wěn)壓芯片REG1117－3.3產(chǎn)生穩(wěn)定的+3.3 V電壓，并給語音芯片和MCU供電。

3.4 語音提示模塊電路設(shè)計

語音提示模塊的作用是根據(jù)微處理器發(fā)出的選址信號輸出預(yù)先錄制的語音信號給揚聲器。語音提示模塊由語音芯片WTV040－16S和外圍電阻電容組成，語音芯片內(nèi)部自帶功率放大器，所以只需配置外圍電阻電容就可以放大語音信號。WTV系列語音芯片具有6K采樣頻率，能存儲40～340 s的聲音，音頻輸出為PWM或DAC模式，控制方式有按鍵、并口、串口模式等。圖6為設(shè)計的語音提示模塊電路。

根據(jù)以上各模塊電路設(shè)計，最終完成控制器電路板的設(shè)計，如圖7所示。

4 控制軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將控制軟件分為主程序、輪速信號采集處理程序、測距傳感器信號采集處理程序、語音及報警提示程序等，并采用模塊化編程設(shè)計方法開發(fā)系統(tǒng)控制軟件。

4.1 主程序設(shè)計

主程序的功能是對硬件進(jìn)行初始化、對控制系統(tǒng)軟件狀態(tài)循環(huán)檢測及對各子程序的調(diào)用[7]，主要包括初始化硬件、循環(huán)檢測輪速信號狀態(tài)、循環(huán)檢測側(cè)方車輛與本車的側(cè)向距離、循環(huán)檢測車輛擋位情況及根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)入泊車子程序等，如圖8所示。

在自檢過程中，控制器實時記錄超聲波測距傳感器的信號，判斷本車與側(cè)方車輛的距離，并記錄在特定數(shù)組中。

泊車過程從語音提示的泊車起點開始，然后根據(jù)語音指令按“弧線－直線－弧線”[8]的步驟完成泊車。以車輛左前輪為例（圖9），左前輪右打滿，沿軌跡1緩慢倒車在節(jié)點一處停止，完成第1段弧線路徑操作；左前輪回正，沿軌跡2繼續(xù)緩慢倒車至節(jié)點二處停止，完成第2段直線路徑操作；左前輪左打滿，沿軌跡3緩慢倒車直至泊車結(jié)束，完成第3段弧線路徑操作。圖9中，F(xiàn)為本車在泊車起點時車尾與前方障礙末端的橫向距離；D為本車距前方障礙的側(cè)向距離，一般為0.5～1.5m。為保證一次泊車的成功率，在設(shè)計主程序時，將測距傳感器測出的側(cè)向車距分為1.5～2 m、0.5～1.5m、0.2～0.5m 等 3 種情況，主程序根據(jù) 3 種側(cè)向車距分別設(shè)計相應(yīng)的泊車過程軟件程序。

4.2 測距傳感器信號消抖處理

行駛中的車輛因車身顛簸而造成超聲測距波傳感器信號抖動，因此需要對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)南短幚怼Ｌ幚矸椒ㄊ菍⒍啻尾杉臄?shù)據(jù)去除最大值和最小值，然后取平均值[9]。

5 實車測試

在試驗車車身兩側(cè)各布置1個超聲波傳感器，車頭、車尾各布置2個超聲波傳感器，輔助泊車控制器安裝在車內(nèi)儀表臺上，實車測試現(xiàn)場和泊車過程如圖10所示。為分析不同駕駛員操作效果的差異，試驗時安排3名具有1～3年實際駕齡的駕駛員分別在同樣的場地對同一輛車進(jìn)行語音提示下的泊車操作，每位駕駛員均重復(fù)操作5次。圖11為3名駕駛員完成泊車時的場景。

為評價實際泊車效果，提出了如圖12所示的4個評價參數(shù)，其中，a為本車距前方障礙距離；b為本車距后方障礙物距離；c為本車左側(cè)邊緣與車位左側(cè)邊界線的平均距離；θ為本車左側(cè)邊緣線與車庫左側(cè)邊界線夾角。如本車左側(cè)邊緣超出車位邊界線，則c為負(fù)值。

一般比較理想的試驗數(shù)據(jù)為：a為50～95 cm，b為 110～65 cm，c為±5 cm，θ為±10°。由表 1 數(shù)據(jù)可知，3名駕駛員的泊車效果差異主要在于本車位于目標(biāo)車位內(nèi)的前、后位移量，以及相對于車位邊界線的偏離角度。從泊車結(jié)果可看出，駕駛員A的第5次泊車試驗與駕駛員C的第5次泊車試驗在位于目標(biāo)車位內(nèi)的前、后位移量存在較大誤差，但誤差都沒超過5%，并且都可以通過駕駛員后期前后微調(diào)進(jìn)行消除；駕駛員A的第1、3、5次試驗、駕駛員B的第3次試驗和駕駛員C的第1次試驗中，雖然偏離角θ相對于其它幾次試驗較大，但也可通過駕駛員的微調(diào)進(jìn)行消除；3名駕駛員的其它幾次泊車試驗在語音提示的輔助泊車系統(tǒng)幫助下均成功完成。因此，該試驗驗證了所開發(fā)的輔助泊車系統(tǒng)控制器的有效性。

表1 3名駕駛員的泊車結(jié)果評價指標(biāo)

6 結(jié)束語

為輔助駕駛員實現(xiàn)對車輛快速、準(zhǔn)確的泊車操作，設(shè)計了一種基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)控制器。將所設(shè)計的輔助泊車控制器安裝在一輛B級轎車上，分別由3名駕駛員進(jìn)行操作試驗，并采用4個參數(shù)指標(biāo)對泊車效果進(jìn)行評價。試驗結(jié)果表明，3名駕駛員在輔助泊車系統(tǒng)幫助下都成功完成了泊車操作，從而驗證了所設(shè)計的輔助泊車控制器的有效性，可輔助駕駛員高效準(zhǔn)確地完成泊車操作。

1 姜輝，郭孔輝，張建偉.基于路徑規(guī)劃的自動平行泊車轉(zhuǎn)向控制器.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)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 李紅，郭孔輝，宋曉琳，等.基于Matlab的多約束自動平行泊車軌跡規(guī)劃.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2013，44（1）:101～107.

5 馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計（修訂版）.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

6 王幸之.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

7 郭孔輝，付皓，丁海濤.基于CarSim RT的車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制器開發(fā).汽車技術(shù)，2008（3）:1～4.

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

9 謝暉，周能輝.基于32位單片機MC68376的電動汽車主控制器的開發(fā).汽車技術(shù)，2004（3）:25～27.