基于Matlab的自動泊車系統

董燕麗，賈 正

（晉中信息學院 智能工程學院，山西 太谷 030800）

1 自動泊車系統

1.1 自動泊車系統組成

自動泊車系統是由環境感知模塊、泊車控制器、人機交互模塊三大模塊組成。環境感知模塊主要采集車輛周邊信息，通過測距雷達和視覺傳感器獲得環境信息和車位信息，選定與車輛匹配的停車位。泊車控制器主要負責根據測得的環境信息規劃泊車路徑，利用軌跡跟蹤算法測算車輛的轉角，控制方向盤、車速和剎車系統來完成自動泊車，當車輛的泊車路徑與規劃路徑有偏差時，泊車控制器要完成校正。人機交互模塊主要提供顯示畫面和語音，駕駛員通過交互模塊提供的顯示和實時語音提示了解泊車情況和車輛周邊信息，以便出現緊急狀況時駕駛員及時介入處理，確保行車安全。

1.2 自動泊車系統流程

自動泊車輔助系統的工作流程為系統啟動后按下自動泊車鍵，確認儀表盤上自動泊車功能已經打開，以低于30 km/h的速度行駛，超聲波傳感器探測車位，直至檢測到有效車位，車子會在中央的行車電腦顯示屏上發出“請停車”的提示信息。接著打開轉向燈，顯示屏顯示路徑跟蹤控制，此時主要通過環視攝像頭觀察車輛周圍的情況，發現異常，立刻人工剎車；若無異常，自動泊車輔助系統會控制車子進行轉向、加速和制動，直到車輛進入車位后退出泊車系統。

2 環境感知傳感器

2.1 超聲波雷達

超聲波雷達即倒車雷達，主要由傳聲器、收聲器、控制單元等組成。超聲波雷達能準確地測出汽車與周圍障礙物間的距離，當汽車與障礙物達到極限距離時，能發出急促的警告聲或用顯示器顯示等方式提醒駕駛者注意制動，特別是汽車周圍有行人出現時，會重復地發出語音警告聲提醒行人注意，有的汽車此時會主動駐停。

超聲波傳感器是一種振動頻率高于20 kHz的機械波，其顯著特點是方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能。車載超聲波雷達一般采用40 kHz，可在復雜的環境下應用，具有防塵、防水、探測角度廣等特點，非常適用于泊車場景。

2.2 視覺傳感器

視覺傳感器即攝像頭，是與人眼最相似的獲取環境信息的傳感器。攝像頭一般包括前視攝像頭、后視攝像頭、環視攝像頭三大類。常見的全景環視系統，也叫360°全景影像系統，主要由安裝在汽車四周的多個攝像頭、圖像獲取部件、圖像合成或處理部件、圖像無縫拼接融合部件、車載顯示器組成。通過多攝像頭獲取捕捉車輛周圍狀況，再經過數學算法進行畫面合成和畫面修正，合成一幅車身周圍的全景俯視圖顯示在車載屏幕上，讓駕駛者清楚查看到車輛周邊是否存在障礙物，幫助駕駛者輕松停泊車輛。

2.3 基于多傳感器測距技術的車位檢測

停車位的精確探測與識別是自動泊車輔助系統的關鍵，常見的車位檢測主要是采用雷達探測或攝像頭識別。雷達探測一般選用超聲波雷達探測車位，因為雷達張角限制導致探測精度不高；另一種是通過視覺傳感器直接識別車輛，或通過攝像頭拍攝的泊車線圖像數據處理后識別停車位，這種方法容易受到外界環境因素如天氣、光線的干擾。

此系統主要針對平行車位的自動泊車，采用多傳感器數據融合技術進行車位識別，通過融合超聲波雷達和視覺傳感器的數據來識別車位，有效提高了車位探測的準確度和安全性。基于多傳感器車位檢測數據融合的技術具有容錯性、互補性、實時性等優勢，已成為自動泊車領域的熱點技術。

3 自動泊車路徑規劃算法研究

本文采用基于多傳感器數據融合的路徑規劃，該方法在滿足車輛約束條件和環境約束條件的情況下，尋找自動泊車的安全路徑。

3.1 多傳感器數據融合的原理

多傳感器數據融合技術是指各種類型傳感器實時感知到環境信息數據，將圖像、數據、文字、信號、波形等這些數據信息無縫拼接融合，再經過數學算法合成畫面并實時修正畫面呈現在車載屏幕上的技術。汽車通過多個傳感器相互協作獲取到外部環境信息后將其轉化為數據發送給單片機或者PC機，如果有模擬傳感器，需要把模擬信號進行A/D轉換成數字信號，再通過數據預處理提取出各自的特征，最后通過融合算法把數據進行融合得出相應的結果。數據融合，就是各個傳感器的特征容錯、優勢互補、消除干擾等，從而實現對障礙物的精確分析，做出相應的判斷。

對于多傳感器數據融合，一般有多傳感器采集的數據、模擬數字轉換器、數據預處理、特征提取、融合計算、輸出結果這幾個環節，流程如圖2所示。

圖1 多傳感器數據融合的流程Fig.1 The flow chart of multi-sensor data fusion

3.2 平行泊車路徑規劃方法研究

通過研究車輛運動時的運動軌跡，建立車輛泊車過程的動力學模型作，為后面研究的理論基礎。根據車輛信息建立車輛運動學模型，研究平行泊車路徑規劃。進行平行泊車路徑規劃時，首先需要對車輛進行約束限制，以防止車輛碰撞障礙物，而無法完成泊車。

根據車輛的初始狀態和終點狀態規劃平行泊車的參考路徑，首先方向盤向右打一定角度使車輛作轉向運動，邊倒車邊調整方向，到達一定位置，然后方向盤向反方向打，相反方向作轉向運動，轉過固定角度后到達終點。

4 泊車路徑的Matlab仿真

Matlab是一種主要用于數值計算及可視化圖形處理的工程語言。本文利用GUI功能制作自動泊車仿真系統，該系統可以設置車輛信息和泊車條件，可對不同車輛進行泊車路徑仿真。GUI泊車演示界面的制作步驟如下。①建立GUI對象。在Matlab命令窗口輸入Guide指令并回車，方可進入GUI界面，新建GUI并選擇保存路徑，點擊確定進入編輯界面。②編輯界面布局。仿真系統用到的控件包括：按鈕、面板、靜態文本框、可編輯文本框和坐標軸控件等，將各控件放到合適位置，并設置控件屬性，填寫車輛信息。③編寫回調函數。仿真界面所需要的回調函數主要有“初始化”“仿真”“停止仿真”“留下軌跡”，它們包含了本文研究的自動泊車系統仿真程序的主要內容。

具體仿真過程如下：當鼠標單擊“初始化”按鈕時，即將參數盤、車位參數讀到程序里面，啟動平行泊車仿真程序，會出現一個十字交叉點，然后用鼠標隨機點取一個起始點就會出現一個不留軌跡的自動泊車路線，如果發現碰撞，停止仿真，然后初始化再換個起始點仿真泊車，依次循環，直到找到一條可以完成自動泊車的路徑，然后用鼠標單擊“留下軌跡”即可得到自動泊車系統GUI路徑仿真圖。本文采取的車位寬度為3 m，長度為7.5 m，仿真的結果見圖2所示。

圖2 自動泊車系統GUI四段式路徑仿真
Fig.2 Thefour segment path simulation of automatic parking system GUI