一種聲定位自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化城市交通擁堵，泊車要求較高的駕駛技術(shù)，且可能導(dǎo)致交通阻塞、駕駛員神經(jīng)疲憊和保險(xiǎn)杠撞彎等不良后果。如果利用微機(jī)控制的自動(dòng)泊車系統(tǒng)，則可以較好地實(shí)現(xiàn)

車輛的安全停泊，乃至最終實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)駕駛?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器與檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展為自動(dòng)泊車提供了可能。自動(dòng)泊車系統(tǒng)可以解決駕駛員尤其是初學(xué)者的煩惱，提升汽車的主動(dòng)性安全水平，減少泊車入位所消耗的時(shí)間，減緩?fù)＼噲?chǎng)的擁堵程度，提高停車場(chǎng)的利用率。

目前，很多的停車場(chǎng)車位引導(dǎo)系統(tǒng)能夠引導(dǎo)車輛順利進(jìn)入目的車位，但還需駕駛員根據(jù)停車場(chǎng)顯示屏中所顯示的車位引導(dǎo)信息來(lái)駕駛車輛，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)泊車。本文所設(shè)計(jì)的方案首先檢測(cè)出每個(gè)車位是否有車輛停放，由給定的停車車位分配方法得到下一輛車進(jìn)入停車場(chǎng)之后所要停放的車位;以聲源定位為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)測(cè)量出車輛在停車場(chǎng)中所處的位置，通過(guò)無(wú)線電通訊，與車內(nèi)的車輛運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸，控制車輛的運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)車輛的自主泊車。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 停車場(chǎng)及車輛模塊設(shè)置

設(shè)計(jì)停車場(chǎng)的車位分布(如圖1所示)。停車場(chǎng)共設(shè)30個(gè)車位，每個(gè)車位下邊埋有車位檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)車位的占用情況。停車場(chǎng)四周的邊框?yàn)橥＼噲?chǎng)的邊界，建立平面直角坐標(biāo)系XOY(見(jiàn)圖1)。在A點(diǎn)和B點(diǎn)分別安裝超聲波接收器，用以檢測(cè)車輛發(fā)出的超聲波來(lái)對(duì)聲源(車輛)進(jìn)行定位。在停車場(chǎng)中還設(shè)有無(wú)線電通信設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)與車輛的無(wú)線通信。停車場(chǎng)主控中心負(fù)責(zé)將地面各個(gè)傳感器得到的信息進(jìn)行處理，并控制無(wú)線通信模塊與車輛進(jìn)行通信。停車場(chǎng)的模塊設(shè)置及信號(hào)關(guān)系如圖2所示。

在車輛頂部中央裝有超聲波發(fā)射器，用以發(fā)射超聲波來(lái)進(jìn)行聲源定位。在車輛的頭部和尾部中央處安裝有超聲波發(fā)射接收裝置，用來(lái)檢測(cè)車輛可能遇到的障礙物或其他車量，避免發(fā)生危險(xiǎn)。在車輛的頂部還裝有無(wú)線電發(fā)射和接收裝置，以實(shí)現(xiàn)和停車場(chǎng)主控中心的無(wú)線通信。車輛各模塊設(shè)置及信號(hào)關(guān)系如圖3所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如下：

當(dāng)車輛進(jìn)入停車場(chǎng)之后，啟動(dòng)自動(dòng)泊車系統(tǒng)。車輛檢測(cè)器檢測(cè)每個(gè)車位是否被占用，將車位占用信息傳給停車場(chǎng)主控中心來(lái)進(jìn)行車位分配，得到要停入的車位坐標(biāo);聲源檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行聲源定位，得到車輛的坐標(biāo)信息并傳給主控中心;停車場(chǎng)主控中心通過(guò)無(wú)線通信模塊將以上兩個(gè)坐標(biāo)信息傳給車輛內(nèi)的車輛運(yùn)行控制中心，車輛運(yùn)行控制中心根據(jù)得到的坐標(biāo)信息和停車場(chǎng)的車位、道路分布情況，規(guī)劃出泊車路徑，控制車輛自動(dòng)運(yùn)行、停車入位。在車輛運(yùn)行過(guò)程中，車輛前方和后方的超聲波發(fā)射接收裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛前后是否有障礙物。一旦發(fā)現(xiàn)有障礙物，則立即通過(guò)車輛運(yùn)行控制中心實(shí)施剎車，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

2 各模塊設(shè)計(jì)

2.1 車輛檢測(cè)模塊

車輛檢測(cè)模塊主要用于檢測(cè)車位上方是否已有車輛停放。目前停車場(chǎng)一般采用超聲波探測(cè)器或車輛探測(cè)器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

超聲波探測(cè)器工作原理：在停車場(chǎng)上方安裝超聲波探測(cè)器，由上向下發(fā)射超聲波，對(duì)從地面或車輛上反射回來(lái)的反射波的區(qū)別，通過(guò)處理器進(jìn)行分析，從而做出有無(wú)車輛的判斷，并輸出相關(guān)信號(hào)。

車輛檢測(cè)器工作原理：在室外停車場(chǎng)停車處地面下方埋放地感線圈，對(duì)線圈上方有車或無(wú)車時(shí)的電感量的區(qū)別，通過(guò)車輛檢測(cè)器的處理器進(jìn)行分析，并輸出相關(guān)信號(hào)。

超聲波探測(cè)器在室外使用時(shí)受其它聲源干擾較大，而且本方案在聲源定位模塊和障礙物檢測(cè)模塊均使用了超聲波，因此在此處采用車輛檢測(cè)器。車輛檢測(cè)器輸出車位是否被占用的信號(hào)給停車場(chǎng)主控中心，由停車場(chǎng)主控中心根據(jù)預(yù)定的車位分配方案分配要停入的車位，得到要停入車位的坐標(biāo)信息。

2.2 聲源定位模塊

聲源定位模塊用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)聲源的位置，得到車輛的坐標(biāo)信息。

移動(dòng)聲源：在車輛的頂部安裝超聲波發(fā)生器。鑒于系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，聲波頻率多而雜，若使用頻率較低的聲波極易受到干擾，造成車輛坐標(biāo)檢測(cè)錯(cuò)誤。因此，選用超聲下的高頻段頻率40 kHz，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在發(fā)射聲波的同時(shí)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，通知停車場(chǎng)主控中心，以開(kāi)始計(jì)時(shí)。

由于聲源定位模塊發(fā)射的信號(hào)為超聲波信號(hào)，且整個(gè)系統(tǒng)是完全協(xié)同工作的模式，為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度與系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性，可采用比較傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)方法，即利用車輛發(fā)送超聲波信號(hào)的同時(shí)發(fā)出無(wú)線電信號(hào)，告知停車場(chǎng)主控中心，停車場(chǎng)主控中心及時(shí)打開(kāi)定時(shí)器，當(dāng)主控中心判定收到聲波信號(hào)時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，然后計(jì)算兩者的差值△t，即可獲得時(shí)延估計(jì)值。

超聲波發(fā)射的時(shí)間間隔：需要注意超聲波發(fā)射時(shí)間間隔T的選擇。由于超聲波和無(wú)線電信號(hào)是同時(shí)發(fā)出的，如果時(shí)間間隔T太小，則會(huì)導(dǎo)致接收器在接收到聲波信號(hào)之前又接收到下一次發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量聲源的位置;如果時(shí)間間隔T太大，則在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)距離的測(cè)量次數(shù)過(guò)少，所測(cè)的結(jié)果實(shí)時(shí)性差。本停車場(chǎng)的對(duì)角線長(zhǎng)不超過(guò)60 m，可得超聲波最大傳播時(shí)間tmax為：

其中，v0為聲波在空氣中傳播的速度，約為340 m/s。故，時(shí)間間隔T應(yīng)?。篢≥tmax。

在一定范圍內(nèi)，時(shí)間間隔應(yīng)越小越好，以增強(qiáng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，故取時(shí)間間隔T為tmax。

考慮系統(tǒng)本身的要求，本方案采用了二維的定位方法。假設(shè)移動(dòng)聲源的初始位置在S點(diǎn)，由時(shí)延估算法可以得到SA和SB的值，AB的距離在停車場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)規(guī)劃好，為已知量。通過(guò)下面的算法可以得到小車在平面直角坐標(biāo)系XOY中的坐標(biāo)：

2.3 障礙物檢測(cè)模塊

障礙物檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)車輛前方或后方是否有障礙物，比如前后駛來(lái)的車輛等。在車的最前端中央和最后端中央分別安裝超聲波發(fā)射接收裝置，通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接收到超聲波的時(shí)間差就可以得到障礙物的距離。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開(kāi)始計(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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出車輛距障礙物的距離S：

超聲波測(cè)距框圖如圖5所示。

需要注意的是此超聲波的頻率不能和車頂部用來(lái)定位用的超聲波頻率相同，否則會(huì)引起干擾，發(fā)射的時(shí)間間隔也需特別注意。

2.4 車輛運(yùn)行自動(dòng)控制模塊

車輛運(yùn)行自動(dòng)控制模塊用來(lái)規(guī)劃自動(dòng)泊車路徑，制定車輛運(yùn)動(dòng)策略，將車輛驅(qū)動(dòng)到目標(biāo)停車位。

最小轉(zhuǎn)彎半徑是指：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)到極限位置，汽車以最低穩(wěn)定車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的中心平面在支承平面上滾過(guò)的軌跡圓半徑。它在很大程度上表征了汽車能夠通過(guò)狹窄彎曲地帶或繞過(guò)不可越過(guò)的障礙物的能力。轉(zhuǎn)彎半徑越小，汽車的機(jī)動(dòng)性能越好。假設(shè)車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑為Rmin，當(dāng)車輛在道路上轉(zhuǎn)彎時(shí)，均以此最小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)執(zhí)行，以降低對(duì)停車場(chǎng)空間的要求。

為了保證車輛準(zhǔn)確沿著直線運(yùn)動(dòng)，需要使用慣性導(dǎo)航儀的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的方向校正;車輛的位置可由聲源定位模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳給車輛內(nèi)的自動(dòng)運(yùn)行控制器;最后，使用步進(jìn)電機(jī)分別控制車輛的方向盤(pán)、油門、剎車來(lái)控制車輛的運(yùn)動(dòng)、停止、加速、減速。自動(dòng)泊車過(guò)程中，需要不斷監(jiān)視車的情況，在車輛的前后中央處分別安裝超聲波發(fā)射接收裝置，來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)定車輛的前部和后部與可能出現(xiàn)的障礙物的距離，一旦出現(xiàn)意外情況，車輛運(yùn)行控制器可以立刻控制車輛停止，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

車輛運(yùn)行控制器接收到主控中心傳來(lái)的目標(biāo)車位坐標(biāo)和車輛所處的坐標(biāo)后，結(jié)合停車場(chǎng)的車位、道路、環(huán)境等預(yù)知的實(shí)際情況，規(guī)劃出泊車路徑，制定泊車策略，控制車輛的前進(jìn)、后退、油門、轉(zhuǎn)彎、剎車等，使車輛最終停入目標(biāo)車位。

車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)可控制步進(jìn)電機(jī)將方向盤(pán)打到最大位置，以最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎。本方案設(shè)計(jì)的車輛停入車位的過(guò)程屬于車輛行駛方向與車位垂直的情況，倒車入車位的步驟可總結(jié)如下：

1)控制車輛向前駛過(guò)停車位，使自己的車輛中心處與要停入的車位中心在X軸上的距離為最小轉(zhuǎn)向半徑;

2)原地將方向盤(pán)往相反方向打到最大位置，慢速后退，直至車輛方向與車位方向平行;

3)回正方向盤(pán)，讓車平行后退，直至到達(dá)目標(biāo)位置。

假設(shè)目標(biāo)車位為24號(hào)車位，可做如圖6所示的路徑規(guī)劃：

最后，由車輛運(yùn)行控制器來(lái)控制車輛的泊車過(guò)程，直至泊車入位。在泊車過(guò)程中，一旦遇到意外情況(例如前方或后方又駛來(lái)一輛車)，車輛運(yùn)行控制器可根據(jù)車輛前后中央安裝的超聲波發(fā)射接收裝置探測(cè)到的距離信息立刻控制車輛停止，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從原理層面設(shè)計(jì)了聲定位自動(dòng)泊車系統(tǒng)的工作過(guò)程，為自動(dòng)泊車系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了思路。本方案具有以下特點(diǎn)：

1)本方案集傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理等多種高技術(shù)于一體。設(shè)計(jì)合理，且可以實(shí)時(shí)檢測(cè)障礙物，避免發(fā)生危險(xiǎn);

2)本方案采用超聲波和平面直角坐標(biāo)系定位，給出了位置標(biāo)定的一種新方法;

3)本方案中還可以在小車周圍安裝超聲波傳感器或攝像頭以及其他裝置來(lái)在野外環(huán)境(非專門停車場(chǎng)環(huán)境)下，尋找足夠的空間來(lái)當(dāng)作停車車位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車。