華一丁 江浩斌, 馬世典 唐 斌
(1.江蘇大學;2.江蘇大學汽車工程研究院)
隨著我國汽車保有量的快速增加,大中型城市道路擁堵和停車場車位緊張問題日益嚴重,對于駕駛技術欠佳的駕駛員而言,在車位緊張的路邊或停車場快速、準確地完成泊車操作是十分困難的,極易導致車輛碰撞甚至引起道路堵塞。因此,近年來輔助泊車技術備受關注。
全自動式輔助泊車系統(tǒng)在國外的應用較成熟,但該泊車系統(tǒng)往往需要很多傳感器和電動助力轉向機構才能完成自動泊車,導致該系統(tǒng)成本較高?;谡Z音提示的輔助泊車系統(tǒng)具有精度較高、加裝簡便、成本低等優(yōu)點,因此在我國市場日益受到重視。目前,國內(nèi)外學者對自動泊車的數(shù)學模型及其控制系統(tǒng)的研究較多,而對基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)及其控制器技術的研究較少[1~4]。為此,探討了一種基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)控制器設計方案,并將所開發(fā)的控制器裝車進行了驗證試驗,為輔助泊車系統(tǒng)控制技術的自主研發(fā)提供了參考。
基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)由信息采集模塊、控制模塊(主控制器)和執(zhí)行模塊組成,如圖1所示。信息采集模塊是系統(tǒng)的輸入部分,主要采集輪速信號和測距超聲波傳感器信號; 控制模塊是系統(tǒng)的核心部分,采用8位單片機作為處理器,其任務是調理輸入信號并對執(zhí)行模塊進行實時控制;執(zhí)行模塊采用語音和蜂鳴器提示方式幫助駕駛員完成泊車操作;電源模塊為車載蓄電池。
輔助泊車系統(tǒng)的工作原理如圖2所示,當汽車低速進入停車區(qū)域后,駕駛員開啟輔助泊車系統(tǒng),信息采集模塊根據(jù)測距傳感器采集的信號,確定目標車位及車輛自身相對于附近車輛的位置,并將這些數(shù)據(jù)信息傳輸給控制模塊;控制模塊根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息,通過計算判斷目標車位是否滿足泊車要求,如符合泊車要求則計算出泊車路徑方案和相應的控制命令 (主要是車輛移動控制命令和轉向控制命令);執(zhí)行模塊根據(jù)控制命令發(fā)出相應的語音或蜂鳴提示,幫助駕駛員完成一系列泊車過程的操作,實現(xiàn)快速準確地泊車。
輔助泊車系統(tǒng)的控制策略為:當駕駛員啟動泊車系統(tǒng)后,控制器發(fā)出“請小心駕駛”指令,此時通過側方長距離超聲波傳感器并結合車速傳感器探測車位的長寬,如果符合要求則會提示“請停車”及“請掛倒擋向正后方低速行駛”,當車輛行駛到固定泊車起始點時,提示“請停車“及“轉向盤右打滿”,此時控制器計算左前輪行駛的第1段軌跡弧長,當弧長達到預設計的計算值時(如圖2中點1位置)提示“請停車”、“轉向盤回正”及“保持方向不動向后行駛”等。同理,達到第2段預設計的計算值時(圖2中點2位置),提示“請停車”及“轉向盤左打滿”直至“泊車完成”。
圖3是控制器硬件組成結構,其由XC866-2RR和若干外圍輔助模塊及接口模塊構成。XC866-2RR是Infineon公司生產(chǎn)的高性能8位單片機。由于該單片機既能滿足輪速信號處理所需雙沿觸發(fā)的外部中斷向量,以及長短距離超聲波傳感器所需的用來產(chǎn)生脈寬調制信號、帶有電機控制專用模式的捕獲/比較單元(CCU6)的要求,也可處理從傳感器接收的各種信號,并能向執(zhí)行器輸出具有足夠驅動能力的各類控制信號,所以以該單片機作為該系統(tǒng)的微處理器。同時,其具有同步串行通道(SSC)可以直接與語音芯片連接,方便控制語音芯片按時工作。此外,該單片機功耗小、成本低,具有較高性價比。
采用某B級轎車作為試驗樣車,樣車的輪速信號為頻率和幅值均隨車速增大而增大的正弦交變信號,必須調理成同頻率的方波信號,以便于單片機處理。圖4為所設計的輪速信號調理電路。
由于左、右輪速的調理電路相同,因此以右輪輪速為例,則該電路工作過程為:當車輪開始滾動后,右輪速信號WS_R由ABS獲取,由于ABS中的輪速傳感器獲取的輪速值是用電壓值表示,一旦輪速過高時會產(chǎn)生較大的電壓而影響后一級電路的正常工作,因此采用2個穩(wěn)壓值為3.3 V的1N4728A陰極串聯(lián)的形式,當交變正弦輪速信號通過2個穩(wěn)壓管時,會將正半周和負半周的幅值穩(wěn)定在3.3 V。
IN4728A前端的電阻R20在電路中起限流和提高穩(wěn)壓效果的作用,但R20阻值過大也會造成輸入與輸出壓差過大,導致耗電量較大。由于此時輪速信號中會存在某些頻率高于160 Hz的(來自發(fā)動機或車身震動)高頻干擾信號,因此在此處設計了RC低通濾波器,由R21和C19組成。
將輪速信號的正、反向輸入分別接到運算放大器LF353N的同相和反相端,經(jīng)過放大和過零比較后由LF353N的7號引腳輸出同頻率方波輪速信號。其中R19和R26作為負反饋電阻,C18作為交流旁路電容,給被放大的交流信號提供通路,防止交流信號在反饋電阻上產(chǎn)生壓降形成交流負反饋而壓縮交流放大量。
方波輪速信號經(jīng)過高速光耦TLP521-4將其轉換成TTL電平信號,再通過施密特觸發(fā)器SN74LS14N電平轉換成高低電平輸入到單片機。
電源模塊的功能是產(chǎn)生控制器各芯片所需電壓,圖5為所設計的電源模塊電路。該電路工作過程為:由于電源模塊需要盡量降低電壓脈動,以保證各芯片穩(wěn)定工作,因此采取LCπ濾波,該濾波電路由L1、C3、C2組成。由于經(jīng)濾波處理后的+12 V電壓還不夠穩(wěn)定,因此接入L7812穩(wěn)壓器,其中電容器C4和C5用來減少輸入和輸出電壓的脈動,并改善負載的瞬態(tài)響應。穩(wěn)壓后的+12 V電壓提供給超聲波傳感器,將得到的穩(wěn)壓+12 V經(jīng)過芯片A1209S-1W轉換成+9 V/-9 V電壓,給前面運算放大器LF353N供電。將+12V作為正向輸入接到DC-DC隔離電路芯片IB1205S/D-2W的1號引腳,從6號引腳輸出+5 V電壓,經(jīng)過濾波電容C9濾波后,再輸入到穩(wěn)壓芯片REG1117-3.3產(chǎn)生穩(wěn)定的+3.3 V電壓,并給語音芯片和MCU供電。
語音提示模塊的作用是根據(jù)微處理器發(fā)出的選址信號輸出預先錄制的語音信號給揚聲器。語音提示模塊由語音芯片WTV040-16S和外圍電阻電容組成,語音芯片內(nèi)部自帶功率放大器,所以只需配置外圍電阻電容就可以放大語音信號。WTV系列語音芯片具有6K采樣頻率,能存儲40~340 s的聲音,音頻輸出為PWM或DAC模式,控制方式有按鍵、并口、串口模式等。圖6為設計的語音提示模塊電路。
根據(jù)以上各模塊電路設計,最終完成控制器電路板的設計,如圖7所示。
根據(jù)系統(tǒng)功能需求,將控制軟件分為主程序、輪速信號采集處理程序、測距傳感器信號采集處理程序、語音及報警提示程序等,并采用模塊化編程設計方法開發(fā)系統(tǒng)控制軟件。
主程序的功能是對硬件進行初始化、對控制系統(tǒng)軟件狀態(tài)循環(huán)檢測及對各子程序的調用[7],主要包括初始化硬件、循環(huán)檢測輪速信號狀態(tài)、循環(huán)檢測側方車輛與本車的側向距離、循環(huán)檢測車輛擋位情況及根據(jù)設定條件進入泊車子程序等,如圖8所示。
在自檢過程中,控制器實時記錄超聲波測距傳感器的信號,判斷本車與側方車輛的距離,并記錄在特定數(shù)組中。
泊車過程從語音提示的泊車起點開始,然后根據(jù)語音指令按“弧線-直線-弧線”[8]的步驟完成泊車。以車輛左前輪為例(圖9),左前輪右打滿,沿軌跡1緩慢倒車在節(jié)點一處停止,完成第1段弧線路徑操作;左前輪回正,沿軌跡2繼續(xù)緩慢倒車至節(jié)點二處停止,完成第2段直線路徑操作;左前輪左打滿,沿軌跡3緩慢倒車直至泊車結束,完成第3段弧線路徑操作。圖9中,F(xiàn)為本車在泊車起點時車尾與前方障礙末端的橫向距離;D為本車距前方障礙的側向距離,一般為0.5~1.5m。為保證一次泊車的成功率,在設計主程序時,將測距傳感器測出的側向車距分為1.5~2 m、0.5~1.5m、0.2~0.5m 等 3 種情況,主程序根據(jù) 3 種側向車距分別設計相應的泊車過程軟件程序。
行駛中的車輛因車身顛簸而造成超聲測距波傳感器信號抖動,因此需要對信號進行適當?shù)南短幚?。處理方法是將多次采集的?shù)據(jù)去除最大值和最小值,然后取平均值[9]。
在試驗車車身兩側各布置1個超聲波傳感器,車頭、車尾各布置2個超聲波傳感器,輔助泊車控制器安裝在車內(nèi)儀表臺上,實車測試現(xiàn)場和泊車過程如圖10所示。為分析不同駕駛員操作效果的差異,試驗時安排3名具有1~3年實際駕齡的駕駛員分別在同樣的場地對同一輛車進行語音提示下的泊車操作,每位駕駛員均重復操作5次。圖11為3名駕駛員完成泊車時的場景。
為評價實際泊車效果,提出了如圖12所示的4個評價參數(shù),其中,a為本車距前方障礙距離;b為本車距后方障礙物距離;c為本車左側邊緣與車位左側邊界線的平均距離;θ為本車左側邊緣線與車庫左側邊界線夾角。如本車左側邊緣超出車位邊界線,則c為負值。
一般比較理想的試驗數(shù)據(jù)為:a為50~95 cm,b為 110~65 cm,c為±5 cm,θ為±10°。由表 1 數(shù)據(jù)可知,3名駕駛員的泊車效果差異主要在于本車位于目標車位內(nèi)的前、后位移量,以及相對于車位邊界線的偏離角度。從泊車結果可看出,駕駛員A的第5次泊車試驗與駕駛員C的第5次泊車試驗在位于目標車位內(nèi)的前、后位移量存在較大誤差,但誤差都沒超過5%,并且都可以通過駕駛員后期前后微調進行消除;駕駛員A的第1、3、5次試驗、駕駛員B的第3次試驗和駕駛員C的第1次試驗中,雖然偏離角θ相對于其它幾次試驗較大,但也可通過駕駛員的微調進行消除;3名駕駛員的其它幾次泊車試驗在語音提示的輔助泊車系統(tǒng)幫助下均成功完成。因此,該試驗驗證了所開發(fā)的輔助泊車系統(tǒng)控制器的有效性。
表1 3名駕駛員的泊車結果評價指標
為輔助駕駛員實現(xiàn)對車輛快速、準確的泊車操作,設計了一種基于語音提示的輔助泊車系統(tǒng)控制器。將所設計的輔助泊車控制器安裝在一輛B級轎車上,分別由3名駕駛員進行操作試驗,并采用4個參數(shù)指標對泊車效果進行評價。試驗結果表明,3名駕駛員在輔助泊車系統(tǒng)幫助下都成功完成了泊車操作,從而驗證了所設計的輔助泊車控制器的有效性,可輔助駕駛員高效準確地完成泊車操作。
1 姜輝,郭孔輝,張建偉.基于路徑規(guī)劃的自動平行泊車轉向控制器.吉林大學學報(工學版).2011,2(41):293~297.
2 Song Jinze;Dai Bin.An effective sequence image mosaicing approach towards auto-parking system.Lecture Notes in Electrical Engineering, v 137 LNEE, p 707-715, 2012.
3 Florencio M,Agostinho P,Sequeira J S.Automatic parallel parking of a car-like robots//37th International Symposium on Robotics ISR 2006.Germany,2006.
4 李紅,郭孔輝,宋曉琳,等.基于Matlab的多約束自動平行泊車軌跡規(guī)劃.中南大學學報(自然科學版).2013,44(1):101~107.
5 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計(修訂版).北京:北京航空航天大學出版社,2003.
6 王幸之.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術.北京:北京航空航天大學出版社,2000.
7 郭孔輝,付皓,丁海濤.基于CarSim RT的車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)控制器開發(fā).汽車技術,2008(3):1~4.
8 M B Miliam.Real-Time Optimal Trajectory Generation for Constrained DynamicalSystems.California Institute of Technology,2003.
9 謝暉,周能輝.基于32位單片機MC68376的電動汽車主控制器的開發(fā).汽車技術,2004(3):25~27.