一種聲定位自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化城市交通擁堵，泊車(chē)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(chē)系統(tǒng)，則可以較好地實(shí)現(xiàn)

車(chē)輛的安全停泊，乃至最終實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(chē)提供了可能。自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)可以解決駕駛員尤其是初學(xué)者的煩惱，提升汽車(chē)的主動(dòng)性安全水平，減少泊車(chē)入位所消耗的時(shí)間，減緩?fù)＼?chē)場(chǎng)的擁堵程度，提高停車(chē)場(chǎng)的利用率。

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

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 停車(chē)場(chǎng)及車(chē)輛模塊設(shè)置

設(shè)計(jì)停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位分布(如圖1所示)。停車(chē)場(chǎng)共設(shè)30個(gè)車(chē)位，每個(gè)車(chē)位下邊埋有車(chē)位檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)車(chē)位的占用情況。停車(chē)場(chǎng)四周的邊框?yàn)橥＼?chē)場(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(chē)輛發(fā)出的超聲波來(lái)對(duì)聲源(車(chē)輛)進(jìn)行定位。在停車(chē)場(chǎng)中還設(shè)有無(wú)線電通信設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛的無(wú)線通信。停車(chē)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(chē)輛進(jìn)行通信。停車(chē)場(chǎng)的模塊設(shè)置及信號(hào)關(guān)系如圖2所示。

在車(chē)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(chē)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(chē)輛可能遇到的障礙物或其他車(chē)量，避免發(fā)生危險(xiǎn)。在車(chē)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(chē)場(chǎng)主控中心的無(wú)線通信。車(chē)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(chē)輛進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)之后，啟動(dòng)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)。車(chē)輛檢測(cè)器檢測(cè)每個(gè)車(chē)位是否被占用，將車(chē)位占用信息傳給停車(chē)場(chǎng)主控中心來(lái)進(jìn)行車(chē)位分配，得到要停入的車(chē)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(chē)輛的坐標(biāo)信息并傳給主控中心;停車(chē)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(chē)輛內(nèi)的車(chē)輛運(yùn)行控制中心，車(chē)輛運(yùn)行控制中心根據(jù)得到的坐標(biāo)信息和停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位、道路分布情況，規(guī)劃出泊車(chē)路徑，控制車(chē)輛自動(dòng)運(yùn)行、停車(chē)入位。在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)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(chē)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(chē)輛運(yùn)行控制中心實(shí)施剎車(chē)，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(chē)輛檢測(cè)模塊

車(chē)輛檢測(cè)模塊主要用于檢測(cè)車(chē)位上方是否已有車(chē)輛停放。目前停車(chē)場(chǎng)一般采用超聲波探測(cè)器或車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛的判斷，并輸出相關(guān)信號(hào)。

車(chē)輛檢測(cè)器工作原理：在室外停車(chē)場(chǎng)停車(chē)處地面下方埋放地感線圈，對(duì)線圈上方有車(chē)或無(wú)車(chē)時(shí)的電感量的區(qū)別，通過(guò)車(chē)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(chē)輛檢測(cè)器。車(chē)輛檢測(cè)器輸出車(chē)位是否被占用的信號(hào)給停車(chē)場(chǎng)主控中心，由停車(chē)場(chǎng)主控中心根據(jù)預(yù)定的車(chē)位分配方案分配要停入的車(chē)位，得到要停入車(chē)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(chē)輛的坐標(biāo)信息。

移動(dòng)聲源：在車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)場(chǎng)主控中心，停車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛前方或后方是否有障礙物，比如前后駛來(lái)的車(chē)輛等。在車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛運(yùn)行自動(dòng)控制模塊

車(chē)輛運(yùn)行自動(dòng)控制模塊用來(lái)規(guī)劃自動(dòng)泊車(chē)路徑，制定車(chē)輛運(yùn)動(dòng)策略，將車(chē)輛驅(qū)動(dòng)到目標(biāo)停車(chē)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(chē)以最低穩(wěn)定車(chē)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(chē)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(chē)的機(jī)動(dòng)性能越好。假設(shè)車(chē)輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑為Rmin，當(dāng)車(chē)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(chē)場(chǎng)空間的要求。

為了保證車(chē)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(chē)輛的位置可由聲源定位模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳給車(chē)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(chē)輛的方向盤(pán)、油門(mén)、剎車(chē)來(lái)控制車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)、停止、加速、減速。自動(dòng)泊車(chē)過(guò)程中，需要不斷監(jiān)視車(chē)的情況，在車(chē)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(chē)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(chē)輛運(yùn)行控制器可以立刻控制車(chē)輛停止，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

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

車(chē)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(chē)輛停入車(chē)位的過(guò)程屬于車(chē)輛行駛方向與車(chē)位垂直的情況，倒車(chē)入車(chē)位的步驟可總結(jié)如下：

1)控制車(chē)輛向前駛過(guò)停車(chē)位，使自己的車(chē)輛中心處與要停入的車(chē)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(chē)輛方向與車(chē)位方向平行;

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

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

最后，由車(chē)輛運(yùn)行控制器來(lái)控制車(chē)輛的泊車(chē)過(guò)程，直至泊車(chē)入位。在泊車(chē)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(chē))，車(chē)輛運(yùn)行控制器可根據(jù)車(chē)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(chē)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(chē)系統(tǒng)的工作過(guò)程，為自動(dòng)泊車(chē)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(chē)周?chē)惭b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(mén)停車(chē)場(chǎng)環(huán)境)下，尋找足夠的空間來(lái)當(dāng)作停車(chē)車(chē)位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)。