自動泊車系統關鍵技術及應用分析

于棟，沈崢楠

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鎮江分院，江蘇 鎮江 212009；2.江蘇大學汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212000）

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自動泊車系統關鍵技術及應用分析

于棟，沈崢楠

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鎮江分院，江蘇 鎮江 212009；2.江蘇大學汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212000）

摘 要：針對城市泊車位越來越狹小、泊車環境變得更復雜的問題，總結了國內外自動泊車系統的研究及應用現狀，重點闡述了泊車過程中的車位檢測、路徑規劃、路徑跟蹤。進而歸納出目前自泊車系統存在的問題及未來發展的趨勢。

關鍵詞：車位檢測；路徑規劃；自動控制

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.035

沈崢楠，就讀于江蘇大學汽車工程研究院，碩士生，主要研究方向為智能汽車。

項目支撐：江蘇省科技廳產學研聯合創新資金-前瞻性聯合研究項目—智能泊車與EPS集成控制關鍵技術研究開發。項目號：BY2012173

CLC NO.: U471.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-103-03

前言

自動泊車系統作為汽車智能化發展的一個重要研究方向，是目前國內外汽車整車廠及汽車零部件供應商爭相開發的技術。隨著城市人口密度、汽車車身尺寸進一步增大，以及汽車保有量的持續增加，使得城市泊車位相對更為狹小，泊車環境更為復雜[1]。自動泊車系統的出現有助于降低停車帶來的風險，當啟動泊車系統后，駕駛員將汽車從車位一側低速駛過，系統會自動尋找有效車位；在車位尋找完成后提示駕駛員在指定地點停車并倒車進入車位，系統在征得駕駛員同意的情況下，控制方向盤的轉動改變汽車行駛方向實現自動泊車入位[2-3]。自動泊車技術的出現大大緩解了駕駛員泊車時的緊張程度，降低泊車難度，提高駕駛的舒適性，提高了泊車過程中的安全性。

本文對通過車位檢測、路徑規劃、路徑跟蹤三個部分，對自動泊車系統的研究現狀進行了回顧。最后提出當前自動泊車系統存在的問題，并對今后的應用發展進行了展望。

1、自動泊車系統車位檢測技術

目前，自動泊車系統車位檢測通常有兩種實現方式，一種只采用超聲波傳感器，另一種采用超聲波傳感器和圖像傳感器。

基于超聲波傳感器的檢測方法是自動泊車應用中最為廣泛的方法。當汽車經過停車位時，超聲波傳感器自動檢測本車與周圍車輛的距離信息，同時根據里程計算可知檢測車位的長度是否滿足停車要求。臺灣Run Ray-Shine等通過對超聲波探頭多次探測的車位長度與實際長度進行對比，對車位探測長度做了修正補償，提高了探測車位長度的準確性[4]；韓國Park等利用多個不同精度的超聲波傳感器，在不同車位環境下進行檢測并獲取相應數據，結果證明采用對角兩個超聲波傳感器可更快速精確獲取車位信息[5]。

隨著圖像處理技術和模式識別技術的快速發展，機器視覺開始被應用于自動泊車系統的庫位檢測。該自動泊車系統在探測車位時，超聲波傳感器和圖像傳感器同時工作，并進行相關的數據融合，來判斷車位是否滿足停車要求。超聲波傳感器和圖像傳感器的結合，有利于提高了車位識別的準確性和多樣性，符合汽車智能化發展的趨勢。英國劍橋大學Ozkul等研究了基于視覺信息的泊車系統，車上的中央處理器從兩個攝像頭的圖像中提取重要的輸入信息[6]；上海交通大學的甘志梅采用雙目視覺和陀螺儀，感知周圍的三維信息，探測車位和障礙物，并估測車輛自身位置[7]。文獻[8-10]通過里程計和連續抓拍的圖像給司機提供一張3D虛擬圖像，協助司機尋找目標停車位。

2、自動泊車系統路徑規劃技術

路徑規劃指的是，中央處理器根據汽車與目標停車位的相對位置信息，對后續泊車過程的運動路線進行分析，規劃計算出最佳的泊車路徑。國內外關于泊車路徑的研究較多，常見的泊車路徑可分為平行式和垂直式。

圖1為平行泊車路徑規劃示意圖，目標停車位前后方已停有車輛,其中L1和L2分別為車位的寬度和長度，d為車身縱向中軸線與路邊車輛的距離，三段泊車路徑分別為圓弧、P1 2P段直線和圓弧。圓弧與圖中虛線相切，圓弧和的半徑R1不能小于汽車最小轉彎半徑Rmin。此外，為了解決圓弧過渡不圓滑的缺陷，文獻[11]在兩段式圓弧泊車路徑的基礎上，利用貝塞爾曲線對規劃路徑中曲線的接合處做了平滑處理。文獻[12]采用三段式路徑規劃方法，并利用移動式小車做模擬試驗。文獻[13]同樣釆用類似三段式路徑規劃方法，但在點之后增加了一段直線倒車階段。三段式路徑規劃中間多了一段直線段，將轉向輪的突變分為兩次進行，較好的緩解了兩段圓弧直接對接時轉向輪突變的問題。

圖1　兩段式泊車路徑規劃

圖2為垂直泊車路徑規劃示意圖，在垂直泊車過程中需要完成車身方向角90度的改變，并需要注意左右兩側的停車間隙，方便乘客上下車。具體泊車路徑需要完成向前后向的三步行駛，主要包括：左打向前行駛，即弧線右打向后行駛，即弧線直行倒車，即線段P3P0。

圖2　三段式泊車路徑規劃

4、自動泊車系統路徑跟蹤技術

自動泊車系統中的路徑跟蹤，是指中央處理器控制汽車轉向角和車速，引導汽車按照事先規劃好的路徑泊車。通常情況下，汽車泊車方式主要采取倒車行為，倒車過程為一個低速行駛的過程，速度一般不超過10km/h。因而在車輛緩慢行駛的過程中，可以默認為沒有側向力，車輪滾動時沒有側向滑動。一般汽車均采用四個車輪，其動力學模型可以轉化為非完整鏈式系統[14]，基于非完整鏈式系統可以設計相應的控制算法。但自動泊車過程具有非線性、時變、多變量等特點，很難建立起非完整鏈式系統的準確模型，即使模型建立起來，相應的控制算法也非常復雜，計算量很大，因此在實際應用中，這種方法很難推廣應用。文獻[15]提出了一種非線性運動控制器，并利用李亞普諾夫直接法證明該控制器具有較好的穩定性；文獻[16]以汽車坐標位置誤差和車身角誤差為輸出，以前輪轉角為輸入，設計了一種模糊控制器。文獻[17]以前輪轉角為控制器輸出，以速度誤差為控制器輸入，設計了Fuzzy-PID控制器。文獻[18]以汽車后軸中心位置、車身姿態方向、車速和軌跡曲率作為輸入，以行進方向、車速以及目標曲率大小為輸出，并將該模糊控制器在實驗車上做了試驗。文獻[19]根據圖像傳感器采集的圖像信息，設計神經網絡控制器和模糊神經混合控制器，控制前輪轉角，實現自動泊車。由于市場上的汽車種類繁多，且尺寸大小各不相同，性能也各不相同，對于每一種車型，控制器的參數都需要重新標定，設計的模糊控制規則也不盡相同，神經網絡控制要重新訓練，且計算量大。因此，許多控制器的可移植性較差。

5、總結

目前市場上應用的自動泊車系統智能化水平仍然較低,在車位識別方面，主流應用的超聲波雷達傳感器測距精度低，且無法識別障礙物類型；在路徑規劃方面，以平行車位和垂直車位規劃為主，并未涉及斜車位、圓弧車位等多場景的路徑規劃；在路徑跟蹤方面，實際工程化的控制器較為簡單，復雜的跟蹤算法移植性較差。

汽車智能化、電動化、輕量化是汽車未來發展的總體趨勢。智能汽車在安全性、舒適性、環保性等方面的諸多優勢，使其成為汽車行業研究的熱點[20]。自動泊車系統作為汽車智能系統的子部分，其未來的發展趨勢體現在以下2個方面：

（1）采用多傳感器信息融合技術。目前主流應用的自動泊車系統采用單一的超聲波雷達傳感器，如大眾帕薩特、日產天籟等，只有少量產品如雷克薩斯 LS460L結合了機器視覺識別車位線。隨著電子技術的不斷發展，多傳感器信息融合技術在汽車上的應用會越來越廣泛。利用超聲波雷達、激光雷達、攝像頭等多傳感器的信息融合，自動選取最適合的泊車方式，不僅可以實現平行位、垂直位泊車，還可實現斜車位、圓弧位泊車，既增加了環境感知的準確性和車位場景識別的多樣性，又提高了駕駛員操作的便利性和安全性。

（2）應用無線通信技術。手持式智能裝備，如智能手機和智能手表，目前已經越來越普及，如何實現手持式智能裝備與汽車之間的互聯是當前研究的一個熱點。駕駛員利用3G/4G移動網絡，通過智能手機（智能手表）向汽車發送泊車指令，讓汽車自動駛入或駛出車位，并非不可實現。如法雷奧最新研發的Valet Park4U系統，駕駛者可以將車輛停在停車場入口，通過智能手機遠程啟動Valet Park4U的自動停車功能，車輛就能夠自動尋找合適的停車位，并停車入庫。

參考文獻

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新能源汽車

The Overview and Application Development of the Automatic Parking System

Yu Dong, Shen Zhengnan
( 1.Zhenjiang Branch of Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute in Jiangsu Province, Jiangsu Zhenjiang 212009; 2.Automotive Engineering Research Institute, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212000 )

Abstract:With the consideration of issues that the parking space is increasingly narrow in cities and parking environment becomes more complex,summarize the study and application of automatic parking system at home and abroad,focus on space detection, path planning, path tracking in the process of parking.And then sum up the current problems and the future trend of the Automatic Parking System.

Keywords:Space detection; Path planning; Path tracking

作者簡介：于棟，就職于江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鎮江分院，主要從事特種車輛安全檢測技術工作。

中圖分類號：U471.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-103-03