超聲波測距的模糊控制泊車(chē)系統模型設計

摘要：設計了一種基于超聲波測距的自動(dòng)泊車(chē)系統模型。首先對小車(chē)運動(dòng)模型進(jìn)行分析，結合實(shí)際設計垂直、平行、斜行三種泊車(chē)模糊控制器，并且在Matlab的Simulink中分別進(jìn)行仿真驗證。采用超聲波測距技術(shù)、視頻采集技術(shù)等來(lái)獲取周?chē)h(huán)境數據，按照實(shí)際車(chē)輛和車(chē)庫的大小，通過(guò)等比例縮放設計小車(chē)模型和車(chē)庫模型，并把驗證通過(guò)的模糊控制器轉換為C代碼，嵌入到飛思卡爾K60主控制板中進(jìn)行自動(dòng)泊車(chē)可行性測試。經(jīng)測試，當模型車(chē)的航向角在-32°～+32°范圍內時(shí)，實(shí)現了模型車(chē)在0.92倍標準大小模型車(chē)庫內的自主泊車(chē)。

引言

近年來(lái)隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，擁有汽車(chē)的家庭越來(lái)越多，對于經(jīng)驗不足的駕駛員來(lái)講，在擁擠的停車(chē)場(chǎng)、車(chē)庫以及路邊實(shí)現安全泊車(chē)的問(wèn)題越來(lái)越突出。自動(dòng)泊車(chē)系統的出現提高了泊車(chē)過(guò)程的準確度。相對于國外研發(fā)的自主泊車(chē)系統，目前國內關(guān)于自動(dòng)泊車(chē)系統的研究仍處于初級階段，僅有少數的高檔轎車(chē)上才配有自動(dòng)泊車(chē)輔助系統。設計泊車(chē)系統模型對泊車(chē)控制算法進(jìn)行驗證，可以為真實(shí)車(chē)輛研發(fā)自動(dòng)泊車(chē)系統提供一定理論依據，促使自動(dòng)泊車(chē)系統代替駕駛員觀(guān)察并判斷，實(shí)現自動(dòng)泊車(chē)到位，從而減少泊車(chē)事故的發(fā)生。

1 原理與算法

1.1 超聲波測距原理

超聲波是頻率高于20 000 Hz的聲波，它指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。通過(guò)超聲波發(fā)射裝置向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的同時(shí)開(kāi)啟計時(shí)器計時(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后立即停止計時(shí)。通過(guò)超聲波在空氣中傳播的速度v和計時(shí)器所記錄的時(shí)間t，利用公式

s=v×t/2

就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。

本系統對測量精度要求較高，由于超聲波傳播的速度受溫度變化的影響較大，所以采用溫度補償的方法對溫度進(jìn)行校正。由下面計算公式得到：

其中：τ為攝氏溫度。

系統使用8個(gè)超聲波裝置分別放置在模型車(chē)四周組成環(huán)境測量裝置，可以對環(huán)境中車(chē)位精確定位以及由周?chē)h(huán)境獲取車(chē)身姿態(tài)角，保證了系統的可靠性。

1.2 運動(dòng)模型建模

為了更加直觀(guān)、簡(jiǎn)便地求解自動(dòng)泊車(chē)這一特殊的行車(chē)過(guò)程，對模型小車(chē)建立車(chē)輛運動(dòng)學(xué)模型，即把小車(chē)簡(jiǎn)化成一個(gè)矩形的剛體，建立基于阿克曼轉向幾何的小車(chē)運動(dòng)學(xué)模型。對于本文研究的小車(chē)模型，可將其簡(jiǎn)化為兩輪車(chē)模型，以車(chē)輛前后軸中點(diǎn)為參考來(lái)描述車(chē)輛的運動(dòng)，建立的阿克曼轉向模型如圖1所示。

圖中(xf，yf)、(xr，yr)分別表示車(chē)輛前、后軸中點(diǎn)坐標;φ表示前輪轉角;θ表示車(chē)身航向角;l表示車(chē)輛軸距;vr表示后軸中心點(diǎn)速度，化簡(jiǎn)的車(chē)輛運動(dòng)學(xué)方程組為：

由以上運動(dòng)學(xué)方程組分析得：在低速運動(dòng)下，模型車(chē)的后軸中心點(diǎn)運動(dòng)軌跡為一個(gè)定圓，且該圓半徑僅與車(chē)輛前輪轉角φ有關(guān)。

設計中根據實(shí)際車(chē)輛大小，按比例設計小車(chē)模型及泊車(chē)環(huán)境，并且在Matlab/Simulink中建立阿克曼轉向模型，為下面的模糊控制器器設計提供了良好的理論依據。

1.3 自動(dòng)泊車(chē)模糊控制器設計

模糊控制是以模糊語(yǔ)言變量、模糊集合理論及模糊推理為基礎的一類(lèi)計算機控制方法，適合用于數學(xué)模型復雜的系統。模糊控制繼承了人類(lèi)對概念模式和思維圖像的自然語(yǔ)言習慣，相比其他傳統的控制方法，模糊控制在自動(dòng)泊車(chē)系統中的應用更加廣泛。自動(dòng)泊車(chē)模糊控制器設計包括垂直泊車(chē)模糊控制器設計、平行泊車(chē)模糊控制器設計和斜行泊車(chē)模糊控制器設計，由于三種控制器設計方式類(lèi)似，本文以垂直泊車(chē)為例討論模糊控制器設計。本設計的模糊自動(dòng)泊車(chē)系統控制框圖如圖2所示。

其中模糊化、模糊推理、模糊判斷和模糊規則4部分構成模糊控制器。CPU主要通過(guò)以下3個(gè)步驟實(shí)現模糊控制：

①首先通過(guò)超聲波陣列獲取車(chē)輛后軸中心點(diǎn)坐標(Xr，yr)和車(chē)身航向角θ，將超聲波傳感器采樣到的數據進(jìn)行模糊化。

②根據模糊控制規則，結合駕駛員的實(shí)際泊車(chē)經(jīng)驗推理計算出模糊控制量。

③對模糊控制量進(jìn)行判決，得出確切的輸出量給轉向舵機，控制模型車(chē)前輪轉向。

通過(guò)對上述模糊控制器進(jìn)行仿真分析，在實(shí)際運行中適當進(jìn)行調整，反復調試最終實(shí)現精確泊車(chē)控制。

2 硬件設計與仿真

本設計硬件電路主要包括飛思卡爾K60最小系統模塊設計、超聲波電路設計、轉向電機驅動(dòng)電路設計、直流電機驅動(dòng)電路設計、語(yǔ)音模塊電路設計。硬件系統電路框圖如圖3所示。

車(chē)輛駛過(guò)停車(chē)位置時(shí)，超聲傳感器的信號由控制器接收，從而識別并存儲車(chē)位的尺度信息，建立泊車(chē)區域的地圖。啟動(dòng)泊車(chē)系統，核心控制器控制舵機驅動(dòng)電路驅動(dòng)轉向舵機，由雙軸陀螺儀采集舵機轉角反饋到核心控制器，形成PID閉環(huán)控制，獲得精確的前輪轉角控制量φ。直流電機驅動(dòng)電路驅動(dòng)直流電機，由編碼器獲取當前的速度反饋給核心控制器，行車(chē)第2個(gè)PID閉環(huán)控制，使車(chē)速平穩，系統更加穩定。泊車(chē)過(guò)程中，由攝像頭獲取倒車(chē)影像存儲到核心控制器K60的內部DMA控制器中，最后顯示在顯示器上。當發(fā)現合適停車(chē)位和泊車(chē)結束時(shí)，控制語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提醒，使系統更加智能化。

2.1 直流電機驅動(dòng)電路

直流電機驅動(dòng)電路主要用來(lái)控制直流電機的轉動(dòng)方向和轉動(dòng)速度?？梢酝ㄟ^(guò)改變直流電機兩端的電壓來(lái)控 自動(dòng)泊車(chē)系統啟動(dòng)泊車(chē)操作，由超聲波感知周?chē)h(huán)境信息，通過(guò)模糊控制實(shí)現泊車(chē)入庫，圖7為自動(dòng)泊車(chē)子系統流程圖。制電機的轉向;而控制直流電機的轉速則有不同的方案，常規的方法則是采用PWM控制。驅動(dòng)電路直接選用英飛凌大功率驅動(dòng)芯片BTS7960組成的全H橋驅動(dòng)模塊。BTS7960內含電流檢測電路、控制驅動(dòng)電路，以及1個(gè)P型和1個(gè)N型MOSFET管，可以靈活應用于2相或3相、直流有刷或無(wú)刷電機的控制驅動(dòng)電路中，不僅可以簡(jiǎn)化電路設計，而且使得控制更加簡(jiǎn)單。電機驅動(dòng)原理圖如圖4所示。

2.2 電源電路

電源電路的穩定性對系統的穩定性起決定性的作用，電源電路為不同的模塊電路提供不同等級的電壓。本模型車(chē)設計需要3.3V、5V、12 V三個(gè)等級電壓。電源由12 V鋰離子電池提供。電源電路原理圖如圖5所示。

系統采用LM1117芯片對12 V電壓降壓到3.3 V，為飛思卡爾單片機供電;串聯(lián)穩壓芯片LM2940穩壓，輸出5 V電壓，為CMOS攝像頭、超聲波模塊和液晶屏顯示器供電。舵機驅動(dòng)采用穩壓可調芯片LM2596-ADJ穩壓至5 V，接入舵機驅動(dòng)模塊，以驅動(dòng)舵機轉向舵機。

3 系統軟件設計

自動(dòng)泊車(chē)系統模型，啟動(dòng)自動(dòng)泊車(chē)系統后，選擇垂直、平行和斜行3種泊車(chē)方式，超聲波測距得到車(chē)輛后輪軸中心坐標(xr，yr)和前輪轉角φ以及車(chē)身航向角θ，輸入模糊控制器中控制車(chē)輛倒車(chē)運行狀態(tài)，實(shí)現自動(dòng)泊車(chē)。系統軟件流程圖如圖6所示。

自動(dòng)泊車(chē)系統啟動(dòng)泊車(chē)操作，由超聲波感知周?chē)h(huán)境信息，通過(guò)模糊控制實(shí)現泊車(chē)入庫，圖7為自動(dòng)泊車(chē)子系統流程圖。

4 測試與分析

本設計建立基于超聲波測距的模糊控制泊車(chē)系統模型，通過(guò)超聲波測量車(chē)輛模型后輪軸中心點(diǎn)坐標作為泊車(chē)的起始位置，在Matlab Simulink建立車(chē)輛運動(dòng)學(xué)模型和模糊控制器，并對自動(dòng)泊車(chē)過(guò)程進(jìn)行仿真，驗證了模糊控制器設計的合理性和本設計的準確性。其中Matlab Simulink仿真結果如圖8所示。

在軟件仿真的基礎上進(jìn)行硬件電路設計，同時(shí)以2個(gè)同等大小模型車(chē)作為參考車(chē)，兩紙盒中間按實(shí)際車(chē)庫比例預留空車(chē)位，由搭建好的模型進(jìn)行實(shí)際模型車(chē)測試，測試結果如表1所列。

由測試結果可以看出，模型車(chē)航向角控制在0～32°范圍內，小車(chē)模型均可實(shí)現快速自動(dòng)泊車(chē)，泊車(chē)入庫精度高，系統穩定性好。當航向角大于32°時(shí)，由于車(chē)身傾斜造成超聲波傳感器對實(shí)際距離的檢測失去一定的準確性，從而使模型車(chē)對車(chē)位以及自身所處位置造成誤判斷，最終導致泊車(chē)失敗。在進(jìn)行平行和斜行式泊車(chē)測試時(shí)，出現相同的情況。對超聲波模塊以不同角度斜面進(jìn)行距離測試，由測試結果可知，當航向角大于32°時(shí)，由于超聲波測距造成的誤差使得自動(dòng)泊車(chē)系統造成車(chē)位誤判斷。

結語(yǔ)

設計的自動(dòng)泊車(chē)系統，不僅能夠完成模型小車(chē)自動(dòng)尋找最小空車(chē)位，采用模糊控制法實(shí)現3種停車(chē)位的泊車(chē)，而且采用語(yǔ)音模塊實(shí)現語(yǔ)音提醒，以及在車(chē)載顯示屏上顯示倒車(chē)后面的路況信息，使實(shí)驗室泊車(chē)系統模型設計更加人性化、智能化。