自动泊车的运动轨迹规划
2023-01-28
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第55卷第9期 农业装备与车辆工程 2017年9月 Vo1.55 No.9 AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING September 2017 doi:10.3969/j.issn.1673—3142.2017.09.019 自动泊车的运动轨迹规划 吴玲玉,白国振,管登诗 (200093上海市上海理512大学) [摘要]为了解决反正切函数进行平行泊车轨迹规划时未考虑泊车速度变化及转向盘转角方向变化速度过快而 产生的误差,提出了基于Clothoid曲线与圆弧相结合的方法来规划泊车轨迹。介绍了基于Clothoid曲线与圆弧 规划轨迹的详细过程。首先建立需要的Clothoid曲线的数学模型,在MATLAB中验证模型的可行性,确定车位 尺寸极限值。其次在MATLAB中创建泊车环境,对初始航向角为零的情况规划泊车轨迹,对车身的整个泊车过 程进行仿真。仿真结果表明:基于Clothoid曲线与圆弧相结合的方法,可以满足无碰撞泊车的要求。 [关键词]自动泊车;运动轨迹规划;数学模型;Clothoid曲线 [中图分类号]U462.3 [文献标志码]A [文章编号]1673—3 142(2017)09—0085—05 Trajectory Planning of Automatic Parking Wu Lingyu,Bai Guozhen,Guan Dengshi (University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China) [Abstract]In order to solve the etTor of the parallel parking trajeetory planning without considering the change of parking speed and the speed of the steering wheel rotation angle,the method based on the clothoid curve and ale is proposed to plan the park- ing trajectory.This paper introduces the specific process of the trajectory of clothoid curve and circular arc.Fisrt,establish the mathematical model of the clothoid curve,verify the feasibility of the model in MATLAB,and determine the parking space size. Second,the parking environment is created in MATLAB,the parking trajectory is planned to the situation of zero direction an- gle,and the whole parking process of the body is simulated.The simulation results show that the method based on clothoid curve and ale can meet the requirements of collision-free parking. [Key words]automatic parking;motion trajectory planning;mathematical model;Clothoid curve O引言 Clothoid曲线是在Fresnel积分的基础上建立 如今,人们的生活已然离不开汽车的参与。但 起来的,其特点就是曲率随曲线弧长线性变化『3]。 是,停车位数量的增长却完全不能跟上汽车数量 它在极坐标下的表达式为 的增长,数量上的悬殊使得泊车环境变得倍加复 pl-A (1) 杂,泊车车位日益紧张。狭小的泊车空间内进行泊 式中:p——曲线上某点的曲率半径;z——曲线上 车,极有可能与其他行驶的车辆、行人或者周边存 某点到原点的曲线长;A——曲线参数。在/=0处 在的其他障碍物发生碰撞。因此,自动泊车辅助系 的点定义为曲线的原点,以曲线上的夹角为参数, 统(简称APA系统)的工程应用前景将日益广阔。 则在笛卡尔坐标系下回转曲线终点坐标为: 顾名思义,自动泊车辅助系统就是不用人工干预. 自动停车入位的系统。其工作原理是:车辆周围的 雷达通过探测自身与周围物体之间的距离和角 ㈤ 度,通过车载电脑计算出操作流程配合车速调整 方向盘的转动,驾驶者只需控制车速即可。可以说 』 研发自动泊车系统势在必行。 式中:A——终点处切线与 轴处夹角: _螫 点处的曲率。 1 CIothoid曲线 从表达式可看出,其曲线曲率与曲线弧长线 性相关,曲率连续。 收稿13期:2017—02—16 修回13期:2017—02—23 农业装备与车辆T程 2基于Clothoid曲线与圆弧相结合的方法 规划泊车轨迹 2.1问题提出 。。= = 1 yo .P十 rri n(3 OS O ̄ ㈤ 除此之外,泊车车辆于原点处的转向半径尺 以及OO 与Y轴的夹角的求解公式如下: 尺 =、/ 0, D. =arctan 基于反正切函数的进行泊车轨迹规化时发现, 车辆的转向盘转角发生了3次跳变。为解决上述问 (5) (6) 题.提出了基于Clothoid曲线以及圆弧相结合轨迹 的方法I 。本文中.以车辆位于泊车起始位置时候 的方向盘的跳变为例.在利用Clothoid曲线后,泊 车轨迹可南口点成功过渡到b点,如图l所示。 两轨迹圆心与泊车起始位置几何关系如图3。 。, 02 图3两轨迹圆, 与泊车起始位置几何关系图 Fig.3 Geometric relationship between track center and parking start position 图1方向盘转角跳变问题 圆心0 、0 的坐标分别为( D。,y0。)、( O , yD )。圆心0:以及车辆泊车起始位置坐标求解依 据公式如下: 01Fig.1 Steering wheel angle jump problem 2.2 Clothoid在泊车轨迹上的应用 车辆在起始位置(点0处)倒挡泊车,此时泊 车车辆的转向半径为无穷大[4-5]。当车辆到达e 点时,此时的转向半径为最小转向半径兄…,第一 ) + — .) =(2 (7) (8) 旷 f)’)2+( -y )2= 2 段Clothoid曲线轨迹结束时即e点处,转向盘处 在打死状态,此时所走过的弧长设为£ 如图2。 xo,yo为泊车起始位置的横纵坐标.其中yo由 传感器系统直接探测得到,圆心0。已求出,因此 泊车轨迹可以得到( 。 其中:d=V(=o-xo,y+O ̄o-yo,)2 3Roz—L2-2dcos/3=0 (9) f101 根据余弦定理对 进行求解,求解公式如下: 依据上面的公式,在Matlab中进行仿真计 算,从而得到后轴中心的泊车轨迹,结果如图4。 rJ 位置 图2Clothoid曲线图 Fig.2 The graph of Clothoid 得到点e的坐标值为 A qr= ( ) (3) ( 圆心坐标: ) 图4后轴中心轨迹图 Fig.4 Rear axle center track 第55卷第9期 吴玲玉等:自动泊车的运动轨迹规划 87 图4中泊车轨迹规划成功。初步检验了基于 此时轨迹中心0点到车位边界B点之间的距离。 求解公式如下: (13) Clothoid曲线与圆弧相结合的方法规划平行泊车 轨迹的方法是行之有效的。从图4可见,按照泊车 顺序,泊车轨迹可以分为3个阶段『71。 2.3确定泊车车位尺寸极限值 假设最小泊车车位为L ,求解公式如下: r————————— —_ 为了对车位尺寸作更好的解释.结合MAT— LAB中的泊车碰撞点仿真图进行说明。 如图5所示,假设车辆的右前端与B点恰好 相撞,并且车辆后轴中心点r在圆周轨迹范围之 L =£h+、/R .一(R 一 }) Y 二 (14) 3基于Clothoid曲线的泊车过程仿真 自动平行泊车环境搭建在MATLAB中.应用 基于Clothoid曲线与圆弧相结合得到的轨迹(本 内,此时泊车车辆的转向半径最小转向半径,设为 R 。若车位尺寸变小,车位空间因太小而无法完 文仅仅考虑初始航向角为0。时的泊车过程)。将平 行泊车的过程进行仿真,进一步验证规划好的泊 车轨迹的适用性 。 成相应的泊车要求;若车位尺寸变大,车辆可通过 点曰。因此,图5中的车位即为最小车位尺寸最小 值。当车辆后轴中心轨迹处于作圆周运动状态时。 车辆右前端与车位点 发生碰撞,此时所求得到 的即为最小车位尺寸最小值。尺 为轨迹中心点 0。到车位边界点曰之间距离[ 。 搭建的泊车环境如图6所示。 y ——■l / D—] — 一若 C 理 曰 图6泊车环境示意图 Fig.6 Parking environment schematics 本文以D(车位右上边界点)为坐标原点建立 如图6所示的直角坐标系。在实际泊车车辆操作 一8 —7 —6 —5 —4 —3 —2 一l O l 过程中,雷达可以用于探测到泊车车辆与车位边 界之间的距离.探测值加上0.5倍的车宽 即可 得到图中的值。在确定泊车车速 和前轴中心角 速度03之后,即可求出满足泊车车辆无碰撞发生 时的最小泊车车位,同时△极限值唯一不变。找 到△极限值与泊车车速”、前轴中心角速度∞极 水平 值/m 图5最小车位尺寸最小值求解示意图 Fig.5 Minimum parking space minimum dimension solution sketch 求解公式如下: r————————————— 3之间的对应关系.绘制相应的 i, = +尺osin +\/R蹦 2_(尺。e。s 一 ) (1 1) 限值与泊车车速/MAP图供泊车时查表使用,当泊车的速度已定. 式中: 一最小车位尺寸最小值; 一后 根据查表的得到的△极限值以及前轴中心角速 度∞极限值,便可以解决泊车时与外侧障碍物的 碰撞问题 悬; 。广一转向盘处于打死位置时车辆的最小转 向半径;兄一转向半径为R 时圆心和坐标原 圆心和坐标原点的连线 点之间的连线长度; 和Y轴之间的夹角; ——泊车车辆的宽度。 同样地,对于最小车位尺寸上限值,求解公式 厂—————————————————r 4仿真结果 取前轴中 EL,角速度w=30 rad/s.泊车车速 v=2 km/h泊车过程中,△基于传感器的实际测量 为1.9 nl。在下文的泊车仿真中,将取值v=2 km/h、 Lli 6 +尺。sin +、/R 2__(尺 。s 一 ) (1 2) 值,根据大量的泊车经验.初设仿真中△的取值 式中:厶。 一最小车位尺寸最大限值;尺 —— 88 农业装备与车辆-[程 △=1.9 m、w=30 rad/s的情况简述为在case(2、 1.9、30)。 分析泊车过程中的碰撞问题,对泊车车辆4 个车身顶点进行轨迹仿真,仿真结果见图7。 暑 遣 车速v/(km/h) 图9速度v随临界值△变化示意图 Fig.9 Schematic diagram of velocity v with critical value△ D点与外侧障碍物发生碰撞的可能。 关于车身C点与泊车车位D’的碰撞问题,保 水平 值/n1 图7 Case(2、1.9、30) Fig.7 Case(2、1.9、3O) 图7为case(2、1.9、30)下车身4顶点轨迹仿 持速度 与△取值不变,设定不同的前轴中心角 速度cc,。可以发现泊车速度较大时.适当提高 取 值有利于避免车身C点与车位边界D’点的碰撞 问题。后轴中心与车位之间的距离△取值1.9 m 不变,分别取泊车速度 值为0 km/h至7 km/h, 间隔单位0.5 km/h。得到临界值∞与速度 的关 系如图l0所示 真图。车身D点与车身外侧障碍物发生碰撞,在 图8中将速度改为5 km/h,其余条件不变,车身D 点与外侧障碍物没有碰撞,但与车位右上方D’点 发生了碰撞。为了解决图8中存在的问题,保持速 度 与前轴中心角速度09不变.分别设定不同的 △值。通过仿真图发现△的取值越小。越有利于解 决车身D点与外侧障碍物的碰撞问题。不同的泊 车速度 值都有所对应的泊车过程中D点与外侧 障碍物无碰撞发生的△临界值,固定前轴中心角 速度不变,对速度 取不同值。找到不同的泊车速 度所对应的△碰撞临界值.最后可得到临界值△ 与泊车速度 的关系图,见图9。 在实际泊车过程中,泊车车辆传感系统扫描 到合适的车位并处于待泊状态时,此时的△值已 经确定,根据临界值△与速度 之间的关系.可以 查MAP表得到合适的泊车速度以达到避免车身 车速V/(kmJh) 图10速度v随临界值变化示意图 Fig.10 Schematic diagram of velociy v twith critical value variation 实际泊车情况中,由得到的△值,泊车速度可 通过查△与 的MAP表得到,从而避免车身D 点与外侧障碍物的碰撞可能。根据得到的速度 旨 魍 值,进一步查 与 的MAP表以获得合适的前轴 中心角速度ccJ值,可以成功避免车身C点与泊车 车位D’点的碰撞可能。确定 、∞、△三者的值,一 条有效的泊车路径便可以规划出。在对整个车辆 车身进行泊车过程仿真过程中。不断调整车辆与 图8 Case(5、1.9、30) Fig.8 Case(5、1.9、30) 车位之间的距离,使△的取值为1.8 m,选取泊车 速度为2 km/h,前轴中心角速度为30 rad/s.在 MATLAB中的仿真结果如图1 l所示 第55卷第9期 吴玲玉等:自动泊车的运动轨迹规划 89 在case(5、1.9、45)下对泊车整个过程进行仿 真,如图l2所示。 线的数学模型。 (2)找出∞与△的碰撞极限值以及泊车车速 取值范围,将三者之间的数据关系制成MAP图, 在实车实验时的模型搭建时使用。 (3)基于泊车车辆初始航向角的不确定性,在 叠 MA rLAB泊车环境下对车辆模型将初始航向角取 值为0进行仿真。采用基于Clothoid曲线与圆弧 相结合的泊车轨迹。只要车辆参数量适当.均可以 比较顺利地完成无碰撞泊车。 参考文献 坐标系值,m 图1 1 Case(2、1.8、3o)下泊车过程仿真图 [1]Fraichard T,Scheuer A.From reeds and shepp’s to continu— 垛 剥 OUS—curvature paths[J].IEEE Transportation Robot,2007: 1025-1035. 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[9] 张德丰.MATLAB,Simulink建模与仿真[M],北京:电子工 业出版社.2009. 作者简介吴玲玉(1993一),女,硕士研究生,研究方向:汽车电子 控制,E—mail:1251508214@qq.tom 5结束语 一白国振(1967一),男,上海理工大学副教授,研究方向:机电 体化 (1)简述了Clothoid曲线并确定了Clothoid曲 勘误 本刊2017年第7期第27页“作者简介”有误,应为:孙涛(1974一),男,上海理工大学机械工程学院 副教授,博士。主要研究方向:车辆系统动力学与控制。E-mail:457079708@qq.com 特此更正,并向作者致歉。 《农业装备与车辆工程》编辑部