基于自動(dòng)泊車的自動(dòng)駕駛控制算法設(shè)計(jì)與研究

安林芳 宋圓圓 蔣 帆 丁潔瑾 王 云

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.浙江大華技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000）

1 自動(dòng)泊車系統(tǒng)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)（Automated Parking Assist，APA）利用車輛搭載的傳感器感知車輛周邊環(huán)境，掃描滿足當(dāng)前車輛停放的障礙物空間車位或線車位，并通過(guò)人機(jī)交互（Human Machine Interface，HMI）獲取駕駛員對(duì)目標(biāo)車位的選擇或自動(dòng)確定目標(biāo)車位，自動(dòng)規(guī)劃泊車路徑，通過(guò)控制器向車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送橫向及縱向運(yùn)動(dòng)控制指令[1]，最終實(shí)現(xiàn)車輛安全、準(zhǔn)確、高效地泊入目標(biāo)車位，如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)泊車功能，一般將APA系統(tǒng)分為車位掃描、路徑規(guī)劃以及決策控制三個(gè)模塊，對(duì)各模塊功能描述如下：

（1）車位掃描模塊：利用車輛配置的傳感器對(duì)障礙物邊界（車、路沿等）形成的障礙物邊界車位和有車位線標(biāo)記的線車位進(jìn)行識(shí)別和掃描，輸出車位地圖信息和車輛定位信息。同時(shí)按照車位類型對(duì)上述兩類車位進(jìn)行區(qū)分，又可分為平行車位、垂直車位及傾斜車位三種類型。

目前主流APA系統(tǒng)主要是通過(guò)配置的超聲波雷達(dá)和攝像頭傳感器實(shí)現(xiàn)車位掃描，兩種類型的APA系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種類型APA系統(tǒng)對(duì)比

由表1可以看出，超聲波雷達(dá)只能對(duì)障礙物邊界進(jìn)行測(cè)距，對(duì)車位線無(wú)法識(shí)別，而采用360°全景式攝像頭彌補(bǔ)了線車位無(wú)法識(shí)別掃描的缺點(diǎn)，并且通過(guò)對(duì)圖像信息的分析處理能提供更豐富的障礙物類型等信息。因此，在超聲波雷達(dá)和攝像頭融合的APA系統(tǒng)中，對(duì)線車位的識(shí)別率大幅增加，即車位檢出率得到提高。另外，將360°全景式影像（Around View Monitor，AVM）與APA系統(tǒng)在人機(jī)交互方面進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，為用戶在泊車過(guò)程中提供全景式視角，用戶能通過(guò)全景式影像界面直接選擇泊車的目標(biāo)車位，包括空曠區(qū)域自選車位、APA系統(tǒng)掃描出多個(gè)可泊車位供自選等場(chǎng)景，提升了用戶的體驗(yàn)感與參與感。

（2）路徑規(guī)劃模塊：根據(jù)車位掃描模塊輸出的地圖信息，結(jié)合車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)車輛泊入目標(biāo)車位的路徑進(jìn)行規(guī)劃。

（3）決策控制模塊：根據(jù)車位掃描模塊提供的地圖信息以及路徑規(guī)劃模塊提供的路徑信息對(duì)車輛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，使車輛按照路徑規(guī)劃的軌跡進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)車輛安全準(zhǔn)確泊入。決策控制模塊需同時(shí)對(duì)車輛的橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

2 APA硬件架構(gòu)

目前市場(chǎng)上典型的APA硬件架構(gòu)如圖2所示，主要包括傳感器、集成控制器、人機(jī)交互（HMI）及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

APA系統(tǒng)通常配置12個(gè)超聲波雷達(dá)，其中包含4個(gè)長(zhǎng)距離超聲波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身兩側(cè)障礙物距離的探測(cè)；8個(gè)短距離超聲波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車前和車后障礙物距離的探測(cè)，如圖3所示。

同時(shí)，APA系統(tǒng)與AVM系統(tǒng)共用4個(gè)高清魚(yú)眼攝像頭，實(shí)現(xiàn)車輛前后左右四處視角圖像的采集以及360°全景式影像的獲取，如圖4所示。

3 APA泊車控制算法設(shè)計(jì)

3.1 APA算法功能需求分析

自動(dòng)泊車系統(tǒng)APA開(kāi)啟后，利用配置的傳感器（超聲波雷達(dá)、360°環(huán)視攝像頭）自動(dòng)搜索周邊環(huán)境中的可停車位，在駕駛員確認(rèn)目標(biāo)車位后[2]，APA自動(dòng)進(jìn)行路徑規(guī)劃并通過(guò)決策控制模塊對(duì)車輛橫、縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，包括方向盤轉(zhuǎn)角、檔位、車速等方面，控制車輛自動(dòng)泊入目標(biāo)車位。結(jié)合使用場(chǎng)景和功能控制過(guò)程，對(duì)APA算法的功能需求分析如下：

（1）系統(tǒng)適用車速較低（一般在5 km/h以下）的工況。

（2）車輛能夠?qū)崿F(xiàn)包括平行車位、垂直車位以及傾斜車位三種類型車位泊車入庫(kù)功能。

（3）泊車過(guò)程中APA系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)EPS、ESP、EMS、TCU、EPB、VCU的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛橫、縱向運(yùn)動(dòng)的控制。

（4）駕駛員可以利用HMI對(duì)APA功能的開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)行控制。

（5）在整個(gè)泊車過(guò)程中，涉及用戶操作部分由HMI明確提示，形成良好的人機(jī)交互。

3.2 APA控制系統(tǒng)接口確定

根據(jù)APA算法功能需求和硬件架構(gòu)，確定APA控制系統(tǒng)輸入/輸出接口及信號(hào)如圖5所示。

3.3 APA平行泊車控制算法設(shè)計(jì)

3.3.1 掃描車位校驗(yàn)?zāi)K

掃描車位校驗(yàn)?zāi)K主要對(duì)環(huán)境感知模塊掃描識(shí)別后輸出的車位進(jìn)行校驗(yàn)。結(jié)合傳感器輸出的車位信息（B點(diǎn)坐標(biāo)）和車身參數(shù)，以車輛泊入過(guò)程安全無(wú)碰撞為約束條件，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前車輛能夠成功泊車入庫(kù)的最短泊車空間距離（L）。將當(dāng)前車輛實(shí)際可泊入車位尺寸進(jìn)行比較，若滿足可泊入條件，則將當(dāng)前識(shí)別出的車位進(jìn)行輸出，否則繼續(xù)尋找可泊車位。以平行泊車為例，泊車過(guò)程如圖6所示。

車輛無(wú)碰撞軌跡連續(xù)最短泊車空間為：

式中：r為車輛后懸距離；Rmin為內(nèi)側(cè)輪最小轉(zhuǎn)彎半徑；d為車寬；By為待校驗(yàn)車位B點(diǎn)y坐標(biāo)；l為車頭到后軸距離。

經(jīng)校驗(yàn)后的可泊車位信息經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換傳輸給控制決策模塊，一方面，可以用于AVM顯示，利用HMI提示實(shí)現(xiàn)駕駛員對(duì)可泊車位的選擇；另一方面，可用于路徑規(guī)劃，便于后續(xù)的算法處理和車輛運(yùn)動(dòng)控制。

3.3.2 泊車初始位置校驗(yàn)?zāi)K

泊車初始位置校驗(yàn)?zāi)K主要對(duì)掃描車位校驗(yàn)?zāi)K輸出的車位進(jìn)行二次校驗(yàn)。基于車輛當(dāng)前位置和需要泊入車位的位置，以兩圓相切理論為規(guī)劃約束對(duì)當(dāng)前車位是否可泊入進(jìn)行校驗(yàn)，如圖7所示。

R2圓弧通常設(shè)置為車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑，以兩圓相切和車輛參數(shù)為約束，計(jì)算出允許泊車的初始位置范圍為（Px，Py）。將當(dāng)前車輛位置與（Px，Py）進(jìn)行比較，如在范圍內(nèi)，則說(shuō)明當(dāng)前車位滿足可泊入條件，否則繼續(xù)尋找可泊入車位。

3.3.3 泊車路徑規(guī)劃模塊

在利用HMI接口實(shí)現(xiàn)最終泊車車位的選擇后，車輛在控制決策系統(tǒng)的控制下逐漸停穩(wěn)。基于兩圓相切原理，泊車路徑規(guī)劃模塊主要完成車輛當(dāng)前位置即預(yù)備倒車起始位置，到泊車終點(diǎn)目標(biāo)位置的局部路徑規(guī)劃，形成圓弧-圓弧組合形式的泊車路徑，如圖8所示。

3.3.4 軌跡跟蹤控制模塊

軌跡跟蹤控制模塊基于泊車路徑規(guī)劃模塊輸出的擬合泊車路徑，生成車輛橫向控制及縱向控制的目標(biāo)值，即方向盤轉(zhuǎn)角、檔位、車位、加速度等輸出信號(hào)，同時(shí)根據(jù)車輛實(shí)時(shí)反饋的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行修正控制，保證車輛實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤規(guī)劃軌跡。

3.3.5 泊車狀態(tài)控制模塊

泊車狀態(tài)控制模塊的主要功能是進(jìn)行泊車狀態(tài)邏輯的控制，需要根據(jù)HMI、車輛與車位的相對(duì)位置關(guān)系、駕駛員的操作等信息動(dòng)態(tài)調(diào)整和反饋。

泊車主要狀態(tài)包括：

（1）OFF，泊車功能關(guān)閉；

（2）Standby，泊車功能開(kāi)啟準(zhǔn)備；

（3）ParkingSpace_Search，尋找車位；

（4）ParkingSpace_Appears，車位有效；

（5）AutoParking_Assist，輔助泊車；

（6）Parking_Finish，泊車完成；

（7）Fail，泊車失敗。

3.3.6 HMI交互顯示模塊

HMI交互顯示模塊的功能是根據(jù)APA的運(yùn)行狀態(tài)，與駕駛員進(jìn)行交互，包括車位掃描結(jié)果的顯示、泊入目標(biāo)車位的選擇等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合主流的自動(dòng)泊車硬件平臺(tái)，對(duì)自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。基于車輛配置確定控制算法接口，結(jié)合車輛實(shí)際泊車過(guò)程確定控制算法流程，環(huán)境感知模塊利用超聲波雷達(dá)和攝像頭傳感器進(jìn)行車位掃描，路徑規(guī)劃模塊主要采用圓弧-圓弧方式進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，控制決策模塊根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行跟蹤和執(zhí)行器控制。整個(gè)控制算法設(shè)計(jì)合理有效，為自動(dòng)駕駛研究奠定了一定的基礎(chǔ)。