超聲波測距的模糊控制泊車系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)＊

千承輝，苗紅松，付玉靜，康寧

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春130022）

引 言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，擁有汽車的家庭越來越多，對于經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛員來講，在擁擠的停車場、車庫以及路邊實(shí)現(xiàn)安全泊車的問題越來越突出。自動泊車系統(tǒng)[1-7]的出現(xiàn)提高了泊車過程的準(zhǔn)確度。相對于國外研發(fā)的自主泊車系統(tǒng)，目前國內(nèi)關(guān)于自動泊車系統(tǒng)的研究仍處于初級階段，僅有少數(shù)的高檔轎車上才配有自動泊車輔助系統(tǒng)[8]。設(shè)計(jì)泊車系統(tǒng)模型對泊車控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，可以為真實(shí)車輛研發(fā)自動泊車系統(tǒng)提供一定理論依據(jù)，促使自動泊車系統(tǒng)代替駕駛員觀察并判斷，實(shí)現(xiàn)自動泊車到位，從而減少泊車事故的發(fā)生。

1 原理與算法

1.1 超聲波測距原理

超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，它指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。通過超聲波發(fā)射裝置向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的同時(shí)開啟計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)。通過超聲波在空氣中傳播的速度v和計(jì)時(shí)器所記錄的時(shí)間t，利用公式

s＝v×t/2

就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。

本系統(tǒng)對測量精度要求較高，由于超聲波傳播的速度受溫度變化的影響較大，所以采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽囟冗M(jìn)行校正。由下面計(jì)算公式得到：

其中：τ為攝氏溫度。

系統(tǒng)使用8個超聲波裝置分別放置在模型車四周組成環(huán)境測量裝置，可以對環(huán)境中車位精確定位以及由周圍環(huán)境獲取車身姿態(tài)角，保證了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 運(yùn)動模型建模

為了更加直觀、簡便地求解自動泊車這一特殊的行車過程，對模型小車建立車輛運(yùn)動學(xué)模型，即把小車簡化成一個矩形的剛體，建立基于阿克曼轉(zhuǎn)向幾何的小車運(yùn)動學(xué)模型[9-11]。對于本文研究的小車模型，可將其簡化為兩輪車模型，以車輛前后軸中點(diǎn)為參考來描述車輛的運(yùn)動，建立的阿克曼轉(zhuǎn)向模型如圖1所示。

圖1 阿克曼轉(zhuǎn)向模型

圖中（xf，yf）、（xr，yr）分別表示車輛前、后軸中點(diǎn)坐標(biāo)；φ表示前輪轉(zhuǎn)角；θ表示車身航向角；l表示車輛軸距；vr表示后軸中心點(diǎn)速度，化簡的車輛運(yùn)動學(xué)方程組為：

由以上運(yùn)動學(xué)方程組分析得：在低速運(yùn)動下，模型車的后軸中心點(diǎn)運(yùn)動軌跡為一個定圓，且該圓半徑僅與車輛前輪轉(zhuǎn)角φ有關(guān)。

設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際車輛大小，按比例設(shè)計(jì)小車模型及泊車環(huán)境，并且在Matlab/Simulink中建立阿克曼轉(zhuǎn)向模型，為下面的模糊控制器器設(shè)計(jì)提供了良好的理論依據(jù)。

1.3 自動泊車模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是以模糊語言變量、模糊集合理論及模糊推理為基礎(chǔ)的一類計(jì)算機(jī)控制方法，適合用于數(shù)學(xué)模型復(fù)雜的系統(tǒng)。模糊控制繼承了人類對概念模式和思維圖像的自然語言習(xí)慣，相比其他傳統(tǒng)的控制方法，模糊控制在自動泊車系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛[12]。自動泊車模糊控制器[13-16]設(shè)計(jì)包括垂直泊車模糊控制器設(shè)計(jì)、平行泊車模糊控制器設(shè)計(jì)和斜行泊車模糊控制器設(shè)計(jì)，由于三種控制器設(shè)計(jì)方式類似，本文以垂直泊車為例討論模糊控制器設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的模糊自動泊車系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 模糊自動泊車系統(tǒng)控制框圖

其中模糊化、模糊推理、模糊判斷和模糊規(guī)則4部分構(gòu)成模糊控制器。CPU主要通過以下3個步驟實(shí)現(xiàn)模糊控制：

①首先通過超聲波陣列獲取車輛后軸中心點(diǎn)坐標(biāo)（xr，yr）和車身航向角θ，將超聲波傳感器采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化。

②根據(jù)模糊控制規(guī)則，結(jié)合駕駛員的實(shí)際泊車經(jīng)驗(yàn)推理計(jì)算出模糊控制量。

③對模糊控制量進(jìn)行判決，得出確切的輸出量給轉(zhuǎn)向舵機(jī)，控制模型車前輪轉(zhuǎn)向。

通過對上述模糊控制器進(jìn)行仿真分析，在實(shí)際運(yùn)行中適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)精確泊車控制。

2 硬件設(shè)計(jì)與仿真

本設(shè)計(jì)硬件電路主要包括飛思卡爾K60最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)、超聲波電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、語音模塊電路設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)電路框圖如圖3所示。

車輛駛過停車位置時(shí)，超聲傳感器的信號由控制器接收，從而識別并存儲車位的尺度信息，建立泊車區(qū)域的地圖。啟動泊車系統(tǒng)，核心控制器控制舵機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動轉(zhuǎn)向舵機(jī)，由雙軸陀螺儀采集舵機(jī)轉(zhuǎn)角反饋到核心控制器，形成PID閉環(huán)控制，獲得精確的前輪轉(zhuǎn)角控制量φ。直流電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機(jī)，由編碼器獲取當(dāng)前的速度反饋給核心控制器，行車第2個PID閉環(huán)控制，使車速平穩(wěn)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。泊車過程中，由攝像頭獲取倒車影像存儲到核心控制器K60的內(nèi)部DMA控制器中，最后顯示在顯示器上。當(dāng)發(fā)現(xiàn)合適停車位和泊車結(jié)束時(shí)，控制語音模塊進(jìn)行語音提醒，使系統(tǒng)更加智能化。

2.1 直流電機(jī)驅(qū)動電路

圖3 硬件系統(tǒng)電路框圖

直流電機(jī)驅(qū)動電路主要用來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度。可以通過改變直流電機(jī)兩端的電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速則有不同的方案，常規(guī)的方法則是采用PWM控制。驅(qū)動電路直接選用英飛凌大功率驅(qū)動芯片BTS7960組成的全H橋驅(qū)動模塊。BTS7960內(nèi)含電流檢測電路、控制驅(qū)動電路，以及1個P型和1個N型MOSFET管，可以靈活應(yīng)用于2相或3相、直流有刷或無刷電機(jī)的控制驅(qū)動電路中，不僅可以簡化電路設(shè)計(jì)，而且使得控制更加簡單。電機(jī)驅(qū)動原理圖如圖4所示。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動原理圖

2.2 電源電路

電源電路的穩(wěn)定性對系統(tǒng)的穩(wěn)定性起決定性的作用，電源電路為不同的模塊電路提供不同等級的電壓。本模型車設(shè)計(jì)需要3.3 V、5 V、12 V三個等級電壓。電源由12 V鋰離子電池提供。電源電路原理圖如圖5所示。

圖5 電源電路原理圖

系統(tǒng)采用LM1117芯片對12 V電壓降壓到3.3 V，為飛思卡爾單片機(jī)供電；串聯(lián)穩(wěn)壓芯片LM2940穩(wěn)壓，輸出5 V電壓，為CMOS攝像頭、超聲波模塊和液晶屏顯示器供電。舵機(jī)驅(qū)動采用穩(wěn)壓可調(diào)芯片LM2596-ADJ穩(wěn)壓至5 V，接入舵機(jī)驅(qū)動模塊，以驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)向舵機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動泊車系統(tǒng)模型，啟動自動泊車系統(tǒng)后，選擇垂直、平行和斜行3種泊車方式，超聲波測距得到車輛后輪軸中心坐標(biāo)（xr，yr）和前輪轉(zhuǎn)角φ以及車身航向角θ，輸入模糊控制器中控制車輛倒車運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動泊車。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

自動泊車系統(tǒng)啟動泊車操作，由超聲波感知周圍環(huán)境信息，通過模糊控制實(shí)現(xiàn)泊車入庫，圖7為自動泊車子系統(tǒng)流程圖。

圖7 自動泊車子系統(tǒng)流程圖

4 測試與分析

本設(shè)計(jì)建立基于超聲波測距的模糊控制泊車系統(tǒng)模型，通過超聲波測量車輛模型后輪軸中心點(diǎn)坐標(biāo)作為泊車的起始位置，在Matlab Simulink建立車輛運(yùn)動學(xué)模型和模糊控制器，并對自動泊車過程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了模糊控制器設(shè)計(jì)的合理性和本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。其中Matlab Simulink仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 垂直泊車Matlab Simulink仿真結(jié)果

在軟件仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)以2個同等大小模型車作為參考車，兩紙盒中間按實(shí)際車庫比例預(yù)留空車位，由搭建好的模型進(jìn)行實(shí)際模型車測試，測試結(jié)果如表1所列。

表1 垂直泊車實(shí)測結(jié)果

由測試結(jié)果可以看出，模型車航向角控制在0～32°范圍內(nèi)，小車模型均可實(shí)現(xiàn)快速自動泊車，泊車入庫精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。當(dāng)航向角大于32°時(shí)，由于車身傾斜造成超聲波傳感器對實(shí)際距離的檢測失去一定的準(zhǔn)確性，從而使模型車對車位以及自身所處位置造成誤判斷，最終導(dǎo)致泊車失敗。在進(jìn)行平行和斜行式泊車測試時(shí)，出現(xiàn)相同的情況。對超聲波模塊以不同角度斜面進(jìn)行距離測試，由測試結(jié)果可知，當(dāng)航向角大于32°時(shí)，由于超聲波測距造成的誤差使得自動泊車系統(tǒng)造成車位誤判斷。

結(jié) 語

設(shè)計(jì)的自動泊車系統(tǒng)，不僅能夠完成模型小車自動尋找最小空車位，采用模糊控制法實(shí)現(xiàn)3種停車位的泊車，而且采用語音模塊實(shí)現(xiàn)語音提醒，以及在車載顯示屏上顯示倒車后面的路況信息，使實(shí)驗(yàn)室泊車系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)更加人性化、智能化。

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