基于模糊控制算法的超声波自动泊车系统的研究与设计.pdf

第 卷第期 年月兰州文理学院学报(自然科学版)J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fA r t sa n dS c i e n c e(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o S e p t 收稿日期:基金项目:安徽省高校优秀青年人才支持计划一般项目(g x y q );安徽省高等学校自然科学研究重点项目(AH ,K J A ,K J A ,K J A );安徽省高等学校自然科学研究一般项目(K J B );安徽省质量工程教学研究项目(j y x m ,j y x m ,j y x m );安徽省质量工程课程思政示范课程项目(s z s f k c );安徽省职业与成人教育学会教育科研规划课题一般项目(A z c j )作者简介:仲济艳(),女,江苏连云港人,讲师,硕士,研究方向为智能控制技术 E m a i l:q q c o m文章编号:()基于模糊控制算法的超声波自动泊车系统的研究与设计仲济艳,张佑春,沈丽娜(安徽工商职业学院 应用工程学院,安徽 合肥 )摘要:为了解决驾驶员泊车困难和降低泊车事故发生率等问题,设计了基于模糊控制技术的超声波感知自动泊车系统该系统硬件主要包括主控K 芯片、超声波传感器、双轴陀螺仪、车辆驱动电路、语音、图像和电源电路设计等软件主要完成自动泊车主程序和自动泊车子程序的设计为了提高自动泊车的精准度,采用温度补偿与模糊控制算法经过C a r s i m和M a t l a b S i m u l i n k联合仿真,完成了平行泊车与垂直泊车功能经过系统实测,前轮转角在 时,系统均实现了快速精准的自动泊车功能关键词:自动泊车;超声波;模糊控制;温度补偿中图分类号:T P 文献标志码:AR e s e a r c ha n dD e s i g no fU l t r a s o n i cA u t o m a t i cP a r k i n gS y s t e mB a s e do nF u z z yC o n t r o lA l g o r i t h mZHONGJ i y a n,ZHANGY o u c h u n,SHENL i n a(S c h o o l o fA p p l i c a t i o nE n g i n e e r i n g,A n h u iB u s i n e s sa n dT e c h n o l o g yC o l l e g e,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h ed i f f i c u l t yo fp a r k i n ga n dr e d u c e t h eo c c u r r e n c eo fp a r k i n ga c c i d e n t s,a nu l t r a s o n i cs e n s i n ga u t o m a t i cp a r k i n gs y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi sd e s i g n e d T h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m m a i n l yi n c l u d e sK c h i p,u l t r a s o n i cs e n s o r,b i a x i a lg y r o s c o p e,v e h i c l ed r i v i n gc i r c u i t,v o i c e,i m a g ea n dp o w e rc i r c u i td e s i g n I nt e r m so fs o f t w a r e,t h em a i np r o g r a mo fa u t o m a t i cp a r k i n ga n dt h es u b p r o g r a mo fa u t o m a t i cp a r k i n ga r ed e s i g n e d I no r d e r t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fa u t o m a t i cp a r k i n g,t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na n df u z z yc o n t r o l a l g o r i t h ma r ea d o p t e d T h r o u g ht h e j o i n ts i m u l a t i o no fC a r s i ma n dMAT L A BS i m u l i n k,t h es y s t e mh a s c o m p l e t e dt h ep a r a l l e l p a r k i n ga n dv e r t i c a l p a r k i n g f u n c t i o n s A c c o r d i n gt ot h ea c t u a lm e a s u r e m e n to f t h es y s t e m,w h e nt h e f r o n tw h e e l a n g l e i sb e t w e e n ,t h es y s t e mr e a l i z e s t h er a p i da n da c c u r a t ea u t o m a t i cp a r k i n gf u n c t i o n K e yw o r d s:a u t o m a t i cp a r k i n g;u l t r a s o n i c;f u z z yc o n t r o l;t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n由于部分驾驶员停车经验不足,在面对复杂状态道路停车位和拥挤停车库时,存在严重的泊车安全隐患随着信息化技术的发展,国内外车企都在加快自动泊车系统的研究与开发,并且在部分高档汽车进行了实践应用由目前的泊车系统价位高,因此无法大面积普及为了解决上述问题,设计了基于模糊控制技术的超声波自动泊车系统该系统利用超声波传感器完成车辆车位环境数据采集、双轴陀螺仪完成前轮转角数据采集和视频采集技术及倒车影像与泊车车位地图采集,并将采集参数通过模型控制方 法 实 现 自 动 泊 车 系 统经 过C a r s i m和M a t l a b S i m u l i n k仿真与实际测试,自动泊车系统均成功完成了垂直泊车与平行泊车在 ,前轮转角泊车过程中,均实现了快速准确自动泊车功能1自动泊车系统建模设计1 1.1 1超声波温度补偿测距设计超声波在传播过程中遇到障碍物会立刻折返,通过计时器记录下声波发射时间与接收时间节点,然后计算出发射设备与障碍物之间的距离设声波的速度为v,往返时间为t,障碍物距离为s,得到距离计算公式为:sv/为了降低温度变动对超声波传播的干扰,提高系统的距离测量精度,设计了温度补偿校正方法设温度值为,得到基于温度补偿的声波传播速度为:v ()m/s 为了完成车辆的精确定位和车辆姿态角度的数据采集,系统采用个超声波设备组成了信号四周采集测量装配,从而保障系统的稳定性和可靠性1 1.2 2自动泊车系统阿克曼建模设计为了方便完成自动泊车运动模型建立,将车辆简化成矩形刚体,以汽车的前轴与后轴的中心坐标为参考节点,得到汽车自动泊车运动的阿克曼转向几何模型如图所示图阿克曼转向模型图中,xf,yf()代表汽车的前轴坐标系数,xr,yr()代表后轴坐标系数;代表汽车前转轮的转向角度数值;代表汽车自身的转角数值设xr,yr()后轴中心点的运动速度为vr,则汽车阿克曼转向几何运动方程式为:xrvfc o sc o svrc o s()yrvfs i nc o svrs i n()vfs i nlvrt a nl()由式()()()可知,在低速自动泊车环境下,xr,yr()后轴节点运动为一个固定圆形轨迹,且定圆的半径值仅与汽车前轮转向角度数值相关1 1.3 3模糊控制功能设计为了实现自动泊车阿克曼转向几何运动模型,设计了自动泊车模糊控制方法相对于传统运动控制技术,模糊控制集成了自然语言习惯,更加适用于自动泊车系统中自动泊车模糊控制的方法主要包括:环境采集通过个超声波装置完成车辆前后轴坐标xf,yf()与xr,yr()和车自身转角的数据记录,然后将坐标值与转角值进行数据预处理,最后完成数据的模糊化;模糊推理利用汽车驾驶员的传统泊车数据与模糊控制规则,完成模糊判断与模糊控制量计算;转向舵机自动泊车舵机利用模糊控制输出值自动控制汽车前轮转向角度,最终实现自动泊车功能自动泊车模糊控制结构如图所示图模糊自动泊车系统控制结构2自动泊车硬件系统设计自动泊车硬件系统主要包括:飞思卡尔K 核心控制器,负责泊车数据自动处理;超声波接收装置,部署了路超声波传感器,用于识别车位位置信息与泊车区域视图建立;摄像头,完成倒车影像的数据采集,增强系统的智能化水平;语音模块,在自动泊车过程中,通过实时语音提醒车主车辆运动状态;电源电路,为系统提供供电支持自动泊车硬件架构如图所示图自动泊车硬件系统电路自动泊车系统启动后,K 直接控制舵机驱动电路,双轴陀螺仪将采集的汽车自身转角传兰州文理学院学报(自然科学版)第 卷输至K ,通过第次P I D控制算法,精准完成汽车前轮转角的数据采集与输出利用直流电机驱动与编码器速度反馈至K ,通过第次P I D算法控制,完成自动泊车的平稳执行2 2.1 1系统直流电机驱动电路设计直流电机驱动电路采用了H桥驱动芯片B T S ,直接控制直流电机的转向与速度该电路功能包括了电流检测、驱动电机控制和P型与N型电路相位控制等,电路设计如图所示图自动泊车直流电机驱动电路2 2.2 2系统电源电路设计等级电压采用了L M 芯片实现 V降维至 V,为主控芯片K 供电稳压电路采用了L M 芯片,实现V电压稳定输出,实现摄像头电路、超声波电路和显示器电路持续稳压供电舵机供电采用了L M A D J芯片,实现V可调电压的舵机驱动,电源电路连接设计如图所示图自动泊车电源电路连接设计3自动泊车软件系统设计当车辆进入预设位置后,人为启动自动泊车系统,同时完成泊车方式选择泊车方式主要包括:平时泊车模式车辆直行,并利用摄像头自动搜索平行车位当完成车位识别后,进行平行泊车并自动泊车;垂直泊车车辆直行,并利用摄像头自动搜索垂直车位当完成车位识别后,进行平行泊车并自动泊车利用超声波传感器和双轴陀螺仪采集汽车后轴坐标xr,yr()、前轮转角和汽车车身航向角数据后,将参数输入模糊控制器中,从而实现车辆自动泊车运行状态的控制 自动泊车系统总体流程如图所示图自动泊车系统总体流程自动泊车系统利用后置摄像头完成车位自动扫描和倒车影像启动,通过个超声波传感器自动感知车位周边环境与自动采集泊车数据,应用模糊控制算法完成自动泊车过程中的车身姿态自动调整实现泊车功能自动泊车子系统设计流程如图所示图自动泊车子系统流程4系统仿真与测试C a r s i m作为一款汽车仿真软件,可以模拟驾驶员操 控、道 路 情 况 和 车 辆 动 力 输 出 等利 用第期仲济艳等:基于模糊控制算法的超声波自动泊车系统的研究与设计C a r s i m和M a t l a b S i m u l i n k整合建模,设置C a r s i mS F u n c t i o n的输入与输出参数:输入参数I MP_S T E E R_L 为 车 辆 前 轮 偏 转 角,I MP_S T E E R_R 为车身偏航角,I MP_S T E E R_R 为制动器的压力值;输出参数后轴中心点坐标为X,后轴中心点Y坐标Y和车辆航向角Ya w4 4.1 1平行泊车 C Ca ar rs si im m 仿真选择平行泊车起点坐标为(,),车位设置为单步式平行泊车最小车位尺寸,平行泊车仿真实验运动过程如图所示图平行泊车仿真序列由仿真结果可知,平行泊车运动过程中车辆没有碰撞到车位边线,满足泊车避障约束要求4 4.2 2垂直泊车 C Ca ar rs si im m 仿真选择垂直泊车起点为(,),垂直泊车仿真运动过程如图所示由仿真结果可知,垂直泊车运动过程中车辆没有碰撞到车位边线,满足泊车安全避障约束条件图垂直泊车仿真序列4 4.3 3系统实测结果分析应用C a r s i m和M a t l a b S i m u l i n k软件完成自动泊车硬件系统搭建与测试测试系统选用个大小一样的模型车作为参考,按照实际车位比例预留空车位,完成自动泊车系统模型测试自动泊车系统实际测试结果如表所列由表可知,当车辆的前轮转角控制在 之间的次泊车过程中,车辆模型均实现了快速准确的自动泊车功能,且精确度好、稳定性高当前轮转角超过 时,由于超声波测距装置的准确度受到干扰,车身定位与车位扫描的失误判断造成了自动泊车失败表自动泊车系统实测结果测试次数入库时间/(t/s)前轮转角/()是否成功 是 是 是 是 否 否 是 是5结语基于模糊控制算法的超声波感知自动泊车系统完成了主控芯片K 、超声波传感器电路、双轴陀螺仪、直流舵机电路设计、语音、图像采集和电源电路等模块的设计系统通过温度补偿,提高了超声波感知的精准度系统采用了次P I D模糊控制,实现了平行泊车和垂直泊车功能为了提升系统的人性化与智能化,添加了自动倒车影像车载显示与语音实时提醒功能通过仿真与测试结果表明,该自动泊车系统的软硬件设计均满足设计初衷,具备一定的实用价值参考文献:范思奇,李刚基于触须算法的自动平行泊车规划J辽宁工业大学学报,():任秉韬,王淅淅,邓伟文基于混合A和可变半径R S曲线的自动泊车路径优化方法J中国公路学报,():秦钰彧,夏丰领,黄国勇面向协同的高超声速巡航导弹航迹规划J探测与控制学报,():曾宏,张伟斌,郑钰鹏,等无人船自主航行轨迹规划策略J舰船科学技术,():柏鉴,徐元浩,冀杰基于图搜索和几何曲线的自主代客泊车路径规划J重庆理工大学学报(自然科学),():李丁,张辉,蒋建军太阳能无人机总体设计技术要点J空天技术,():胡杰,张敏超,徐文才自动驾驶车辆的平行泊车轨迹规划J汽车工程,():毕锟,范英微小初始角度的多段式泊车路径规划J中北大学学报,():王红星,马学娇,张长森一种凹多边形区域的无人机覆盖路径规划算法J航空兵器,():李艳,郭继峰,罗汝斌基于遗传算法与D u b i n s理论的高速无人系统在多障碍环境中的路径规划J无人系统技术,():责任编辑:李岚兰州文理学院学报(自然科学版)第 卷