高成舟 戚晓利
摘 要：全球汽车保有量的增多，直接造成城市交通的拥堵以及停车位空间的减小。随之而来的就是泊车安全性问题，新手驾驶员或疲劳驾驶人员如何能在不发生碰撞的情况下，快速安全地泊车入库，成为当下研究的热点。针对以上问题，本文将对全自动泊车系统展开研究。基于B样条曲线设计出泊车路径，基于滑模变结构与预瞄方式进行泊车路径的跟踪。最后通过搭建SIMUlink与CARSIM仿真模型进行联合仿真。
关键词：自动泊车 路径规划 模糊理论 联合仿真
从关键技术的角度而言，车位检测、路径规划、运动控制成为国内研究的重点。对于路径规划的研究，主要有三种路径规划方式：文献[1]采用模糊控制的策略、神经网络，提出了来回多段移动式的泊车路径规划方法;文献[2]提出了基于B样条曲线、五次多项式曲线、贝塞尔曲线等曲率连续的泊车路径规划方法;文献[3]提出了由圆弧和直线组成的曲率不连续的泊车路径规划方法。基于模糊控制策略、神经网络路径规划的方法，在泊车过程中不需要停车转动方向盘，但是计算量较大;基于曲率连续的路径规划，对车速的控制要求高，文献[4]中采用B样条曲线设计泊车路径，虽实现曲率的连续性，但是未考虑方向盘转速对跟踪效果的影响和车速的控制;基于曲率不连续的路径规划，特别是两段式泊车路径规划方法计算量小，但是泊车连贯性低。对于运动控制，由于泊车的起始位置相对单一，车运动过程中车速的波动，泊车终止位置范围未进行明确定义，目前的控制算法还存在很多不足。文献[5]中以滑动转向的车辆运动学模型为基础，针对不同泊车阶段分别设计出不同的模糊逻辑控制方法。
针对上述出现的问题，本文基于B样条曲线设计出泊车路径，基于滑模变结构与预瞄方式进行泊车路径的跟踪。最后通过搭建SIMUlink与CARSIM仿真模型进行联合仿真。
1 基于B样条理论的路径规划
1.1 B样条理论基础
B样曲线是针对贝塞尔曲线存在的不足，Gordon等人用n次B样条基函数改进了其不足之处，通过改进后构造出B样条曲线。相比之下，B样条曲线具有贝塞尔曲线所不具备的局部调整等优势。B样条曲线被推广到用于多阶平滑的泊车路径规划中，且通过控制点变量可对曲线进行局部调整。调整阶次来控制所规划的泊车路径的平滑度，调整控制点以此来改变路径的形状变化。
1.2 路径规划
路径规划问题可以描述为自行车辆自动检测停车位后，寻找出来的一条满足多个约束的路径曲线。路径曲线需要满足如下的几个约束：①泊车安全性问题②车辆可跟踪性，即满足车辆角约束、角速度约束，使得车辆更具有跟踪性;③避免原地转向的发生;④泊车结束后车俩个的规范停放。
本文以平行泊车为例，分析其碰撞约束条件、车辆参数约束、车辆性能约束、停车规范约束，基于B样条理论规划出满足多约束的泊车路径。泊车路径如下图1所示。
由下图可知，车辆在该工况下，从起始位置（8.35，1.24）泊入到目标位置（0.85，0），自行车辆与周围的障碍车辆不会发生碰撞，因此，基于B样条理论的多阶路径可以满足避障约束。
2 联合仿真
2.1 SIMUlink模型搭建
Carsim具有良好的扩展性，可以与Simulink进行数据的实时交换，通过上一章节设计的泊车模型，结合自行车辆的检测部分的相关模块与Carsim S-Function，搭建出满足本文所设计的泊车系统要求的一个联合仿真模块，如下图2所示。
2.2 CARSIM模型搭建
本次将用Carsim与Simulink联合搭建测试环境，车辆的基本参数选择如下：选择F-Class车型，长宽高分别为4647mm，1810mm，1468mm，前置前驱，最大功率125KW，其他参数默认选择;车辆的动力学参数设置分别为：车速-3km/h、误差±0.3km/h、运动过程中无制动设置、运动状态下处于倒挡模式、其它相关参数设置为默认值;测试场景的参数设置为：1200m单车道场景与200m Light Grass、0.8摩擦系数、自行车辆与障碍车辆的车型选择均为F-Class车型、障碍车辆的尺寸默认，有效车位的大小为7.5m×2.5m，其它参数均为默认值。如下图3所示。
2.3 仿真试验
通过Carsim与Simulink联合搭建的软件在环实验（Software in Loop），通过Simulink仿真软件搭建所设计的泊车系统结构模型，Carsim软件设置自行车辆与障碍车辆的相关参数与运动过程中所需要的道路环境相关参数，最后进行联合仿真。将通过软件在环实验联合仿真的结果与实际所测得的数据进行对比分析，通过实验分析的结果来判断所设计模型算法的控制精度是否可以满足精确泊车的需求。本次联合仿真实验所配置的自行车辆的车速大小为3km/h，各项数据仿真的结果如上图4所示。
上图（a）为车辆前轴等效转角与时间的关系，车辆的前轴等效转角在[-30°，30°]的范围内，为了防止原地转向，车辆起始时的前轴等效转角变化缓慢，泊车结束，为了车身与车轮回正，泊车结束时的前轴等效转角变化也较为缓慢。（b）图为预期的方向盘转角和实际的方向盘转角与时间的变化关系，从图中可以看出其变化范围为[-495°，495°]，当自行车辆停进车位后，自行车辆的方向盘回正，也就是说方向盘转角大小为0°。（c）图可以看出车身方位角与时间的变化关系，车辆起始与结束时的车身方位角均为0°，当时间为6.5s时候，实际的车身的方位角与预期的车身方位角从图中可以看出已经达到最大，之后随着方向盘的反向转动，车身方位角的變化也会随着方向盘的转动逐渐变小，从结果分析来看其实际的变化基本与预期的结果基本可以吻合。（d）图为泊车路径，可以将泊车的路径看作一条平滑的曲线，实际的路径跟踪与预期的路径基本重合，可以说明所设计的模型跟踪效果较为良好。
3 结语
基于B样条理论的曲线拟合方法应用于泊车路径规划中的可行性。本章对设计的泊车系统建立联合仿真模型。通过仿真可以看出本文设计的模型跟踪效果良好，模型具有一定的可行性，为试验的开展做好了铺垫。
参考文献：
[1]自动平行泊车系统的研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010.
[2]Maekawa T，Noda T，Tamura S. Curvature continuous path generation for autonomou-s vehicle using B-spline curves [J].Computer-Aided Design，2010，42（4）：350-359.
[3]张野，陈慧，程昆朋.基于两步法的平行泊车分段路径规划算法[J].计算机仿真，2013，30（6）：169-173.
[4]李红，郭孔辉，宋晓琳.基于样条理论的自动垂直泊车轨迹规划[J].湖南大学学报（自然科学版），2012，39（7）：25-30.
[5]Zhao Y，Collins E G. Fuzzy parallel parking control of autonomous ground vehicles in tight spaces[J]. IEEE International Symposium on Intelligent Control Houston Tx P-p-，2003：811-816.
