一種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統及泊車方法
【專利摘要】本發明公開一種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統及泊車方法，其中平行泊車系統包括位于前保險杠兩側的兩個超聲波傳感器、一個主控制器、一個方向盤轉角傳感器、一套電動助力轉向系統、四個輪速傳感器，所述超聲波傳感器與主控制器之間通過LIN總線進行連接，所述方向盤轉角傳感器通過CAN總線與主控制器通訊，所述輪速傳感器與主控制器之間通過CAN總線連接，所述主控制器通過CAN總線輸出轉角命令到電動助力轉向系統，其中主控制器中的路徑跟蹤控制器是一種滑模自抗擾控制器，能夠將外界擾動的不確定性觀測出來并且加以補償。
【專利說明】
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及一種泊車系統及泊車方法，特別是涉及一種基于滑模自抗擾控制的平 行泊車系統及泊車方法。 一種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統及泊車方法

【背景技術】：
[0002] 隨著世界汽車工業的飛速發展，汽車產銷量的快速增長與可利用的泊車空間越來 越少的矛盾變得日益突出。在擁擠的城市街道，泊車變得越來越困難，特別是對于沒有經 驗的駕駛員來說，泊車更加困難。路邊停車也叫平行泊車，需要好的駕駛技巧、豐富的駕駛 經驗、快速反應才能將車輛迅速倒進小的泊車位。為了提高駕駛舒適性和安全性，開發智能 平行泊車輔助系統迫在眉睫。平行泊車系統能夠利用超聲波傳感器和攝像頭識別有效泊車 位，控制電動助力轉向系統進行轉向操作，駕駛員只需控制好油門和剎車即可，減輕了駕駛 員的負擔。
[0003] 平行泊車系統研究的關鍵兩部分是路徑規劃和路徑跟蹤。路徑規劃好之后，路徑 跟蹤的好壞直接決定了平行泊車成功與否。平行泊車系統作為一種輔助駕駛系統，已經應 用到中高檔車型中。然而，在平行泊車過程中，由于路面不平或者存在路面凹坑，會引起發 動機動力輸出發生變化，從而引起泊車速度變化；同時由于轉向系統機械結構復雜，也存在 轉向系統運動學模型不確定性；另外，轉向系統可以看作一階慣性環節，存在轉向系統延 遲。這些外界干擾和模型不確定性會對系統路徑跟蹤產生很大影響，平行泊車路徑跟蹤的 魯棒性問題亟需解決。有學者提出采用模糊控制方法設計路徑跟蹤控制器，通過超聲波傳 感器實時檢測車輛與泊車位之間位置關系，決定方向盤轉角大小。也有學者提出設計自適 應模糊控制路徑跟蹤控制器，控制車輛跟蹤參考路徑。另外，也有學者提出采用模糊滑?？?制方法設計控制器。但是上述控制方法存在以下不足：沒有考慮不同軸距車輛路徑跟蹤魯 棒性問題；模糊控制的控制規則制定困難，工程應用困難；滑模控制需要知道被控對象精 確數學模型，實際當中被控對象精確模型的獲得幾乎是不可能的。


【發明內容】
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[0004] 為了彌補現有技術的不足，消除外界干擾和模型不確定性對系統路徑跟蹤的影 響，提高系統魯棒性，本發明提出了一種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統及泊車方法。
[0005] 本發明采用如下技術方案：一種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統，其包括位 于前保險杠兩側的兩個超聲波傳感器、一個主控制器、一個方向盤轉角傳感器、一套電動助 力轉向系統、四個輪速傳感器，所述主控制器包括路徑規劃控制器和路徑跟蹤控制器，所述 超聲波傳感器與主控制器之間通過LIN總線進行連接，所述方向盤轉角傳感器通過CAN總 線與主控制器通訊，所述輪速傳感器與主控制器之間通過CAN總線連接，所述主控制器通 過CAN總線輸出轉角命令到電動助力轉向系統，所述路徑跟蹤控制器是一種能夠將外界擾 動的不確定性觀測出來并且加以補償的滑模自抗擾控制器。
[0006] 本發明還采用如下技術方案：一種基于自抗擾控制的平行泊車系統的泊車方法， 其包括如下步驟：
[0007] 步驟一：駕駛員通過人機交互界面啟動自動泊車系統，主控制器接收初始化命令， 對系統各組成部件即轉角傳感器、輪速傳感器、電動助力轉向系統及超聲波傳感器進行初 始化；
[0008] 步驟二：超聲波傳感器開始檢測側方停車位，主控制器利用超聲波傳感器信號和 輪速傳感器信號計算空泊車位的大?。?br> [0009] 步驟三：比較計算出的空泊車位是否滿足最小車位長度，若滿足，則繼續下一步， 若不滿足，則返回步驟二，繼續檢測空泊車位，直到滿足最小車位要求；
[0010] 步驟四：根據車輛距離左側障礙物與右側障礙物側向位移以及判斷好的泊車位大 小進行泊車起始位置計算，并規劃泊車路徑；
[0011] 步驟五：路徑規劃，考慮到泊車速度較低，車輛后輪與地面之間滿足純滾動約束， 以車輛后軸中心為參考點，建立并獲取平行泊車過程車輛運動學參數，根據車輛運動學參 數和泊車起始位置及終止位置規劃泊車路徑，根據預瞄跟隨原理，設定預瞄距離，在理想泊 車路徑上選取關鍵點；
[0012] 步驟六：通過路徑跟蹤控制器控制車輛跟蹤已經規劃好的路徑進行平行泊車，并 判斷車輛是否停在規劃好的目標位置，若是則泊車完成，否則，則泊車失敗。
[0013] 進一步地，所述步驟六中包括
[0014] (1):根據路面跳動及速度波動的影響，路徑跟蹤控制器構建線性擴張狀態觀測器 及滑模控制律，補償外界干擾及不確定性；
[0015] (2):基于駕駛員倒車習慣及路徑規劃軌跡建立滑膜自抗擾控制器提高跟蹤性能， 實現泊車入位。
[0016] 本發明具有如下有益效果：
[0017] (1).路徑跟蹤方法魯棒性好，計算量小，跟隨性好；
[0018] (2).解決了不同軸距車輛路徑跟蹤魯棒性問題，能夠在顛簸路面完成平行泊車。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0019] 圖1為該平行泊車系統的組成結構圖。
[0020] 圖2為該平行泊車系統的工作流程圖。
[0021] 圖3為該平行泊車系統的路徑跟蹤控制器結構圖。

【具體實施方式】：
[0022] 下面結合附圖對本發明【具體實施方式】進一步描述。
[0023] -種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統，包括位于前保險杠兩側的兩個超聲波 傳感器、一個主控制器、一個方向盤轉角傳感器、一套電動助力轉向系統、四個輪速傳感器 和一個人機交互界面。
[0024] 車輛前保險杠兩側的兩個超聲波傳感器可以檢測路邊側方停車位，其中，超聲波 傳感器與主控制器之間通過LIN總線進行連接。為了對車輛實時位置進行檢測，需要知道 當前時刻方向盤角度大小和車速大小，通過方向盤轉角傳感器可以實時檢測方向盤轉動角 度，其中方向盤轉角傳感器通過CAN總線與主控制器通訊。其中車速的大小可以通過輪速 傳感器進行檢測，輪速傳感器與主控制器之間通過CAN總線連接。利用輪速傳感器信號和 方向盤轉角信號，對車輛位置進行實時定位。主控制器負責完成各部件之間初始化和各部 件之間信息交流工作。主控制器通過CAN總線輸出轉角命令到電動助力轉向系統，電動助 力轉向系統作為執行機構完成轉向操作。人機交互界面允許駕駛員和平行泊車系統之間進 行通訊。主控制器包括路徑規劃控制器和路徑跟蹤控制器，其中路徑跟蹤控制器是一種能 夠將外界擾動的不確定性觀測出來并且加以補償的滑模自抗擾控制器。
[0025] 駕駛員通過人機交互界面啟動自動泊車系統，主控制器接收初始化命令，對系統 各組成部件進行初始化。超聲波傳感器開始檢測側方停車位，主控制器利用超聲波傳感器 信號和輪速傳感器信號計算空泊車位的大小。通過計算超聲波傳感器上升沿和下降沿跳變 時間，利用輪速傳感器計算車輛駛過的距離計算泊車位大小。
[0026] 如果泊車位長度滿足最小車位長度要求，主控制器完成對周圍環境建模，路徑規 劃控制器計算出理想的泊車路徑（滿足非完整約束、避障約束、曲率連續約束、轉向速度約 束），路徑跟蹤控制器控制車輛跟蹤已經規劃好的路徑，完成平行泊車。
[0027] 請參照圖2所示，本發明平行泊車系統的泊車方法具體實施步驟如下：
[0028] 步驟一：駕駛員通過人機交互界面啟動自動泊車系統，主控制器接收初始化命令， 對系統各組成部件即轉角傳感器、輪速傳感器、電動助力轉向系統及超聲波傳感器進行初 始化；
[0029] 步驟二：超聲波傳感器開始檢測側方停車位，主控制器利用超聲波傳感器信號和 輪速傳感器信號計算空泊車位的大??；
[0030] 步驟三：比較計算出的空泊車位是否滿足最小車位長度，若滿足，則繼續下一步， 若不滿足，則返回步驟二，繼續檢測空泊車位，直到滿足最小車位要求；
[0031] 步驟四：泊車起始位置判斷，根據車輛距離左側障礙物與右側障礙物側向位移以 及判斷好的泊車位大小進行泊車起始位置計算，并規劃泊車路徑；
[0032] 步驟五：路徑規劃，考慮到泊車速度較低，車輛后輪與地面之間滿足純滾動約束， 以車輛后軸中心為參考點，建立并獲取平行泊車過程車輛運動學參數，根據車輛運動學參 數和泊車起始位置及終止位置規劃泊車路徑，泊車路徑需要滿足避障約束、轉向速度約束、 曲率連續約束，根據預瞄跟隨原理，設定預瞄距離，根據預瞄距離在規劃的理想泊車路徑上 選取預瞄點，通過預瞄點控制當前車輛側向位移跟蹤預瞄點處側向位移。
[0033] 步驟六：通過路徑跟蹤控制器控制車輛跟蹤已經規劃好的路徑進行平行泊車，并 判斷車輛是否停在規劃好的目標位置，若是則泊車完成，否則，則泊車失敗。
[0034] 請參照圖3所示，本發明平行泊車系統步驟六中考慮到路面跳動及速度波動的影 響，路徑跟蹤控制器構建線性擴張狀態觀測器及滑模控制律，補償外界干擾及不確定性；基 于駕駛員倒車習慣及路徑規劃軌跡建立滑膜自抗擾控制器提高跟蹤性能，實現泊車入位。
[0035] 設計線性擴張狀態觀測器的目的是將平行泊車系統所受到的外界干擾和模型不 確定性部分觀測出來，并且補償掉，保證系統魯棒性。擴張狀態觀測器將系統受到的外界干 擾和未建模部看作一個新的狀態一擴張狀態，通過輸出反饋的方式觀測這個擴張狀態。對 于單輸入單輸出非線性時變系統：
[0036] y(n) (t) = f (y(n-l)⑴，…，y (t)，w (t)) +bu
[0037] 其中：y和u分別為控制輸出和控制輸入；f(y(Iri)(t)，…，y(t)，w(t))表示非線性 時變未知動態，包含系統的內部動態，又包含外部干擾W(t)，為了方便描述，把它簡記為f， W(t)可以是時變的，也可以是定常的；b為未知的控制增益系數。通?？梢愿鶕唧w系統求 解其范圍，可以粗略估計，取k?b。方程可以重新定義為 ：
[0038] y(n) (t) = f (y(n_1) (t), ···, y (t), w (t)) + (b-b〇) u+b〇u
[0039] = f+b〇u
[0040] 令/ = /?引入"擴張狀態"Xl，x2…，xn+1滿足方程： 卜=x2 i：2=X3
[0041] {.. , X"=Xn+l+b{)U 乂;+1 = A 少=?
[0042] 通過上述轉化，將非線性系統轉化成線性系統的狀態方程形式，從而可以構造線 性擴張狀態觀測器，實時估計出被擴張的狀態量。其中，擴張狀態觀測器的一般形式為： ?ι=ζ2~ιΔ r n f2=Z3-l2ei
[0043] i： 4 =Zn+\^lnei+bQ U ?η+1
[0044] 其中：h z2…zn+1]T是擴張狀態h x2…xn+1]T的估計值，[h V·· ln+1]為設計參 數，式中ei為理想值與觀測值的誤差。
[0045] 平行泊車系統可以看作二階系統，采用三階擴張狀態觀測器進行未知建模和外界 干擾的觀測。其中，轉向系統延遲可以看作系統內部干擾量。平行泊車路徑跟蹤實際上是 對側向位移的跟蹤，即使存在外界干擾情況下，如何設計控制器保證車輛實時準確跟蹤理 想側向位移是控制的關鍵，基于車輛運動學描述： 'yr=(V+f(Vj))s^
[0046] · ^ = (V+f(Vj))/Lhi^nd+ws(Vj))
[0047] 平行泊車路徑跟蹤模型可以認為包含h和Φ兩個參數的二階系統，其中Φ為車 輛車速偏航角；yr為車輛后軸中心的側向位移；w s(V，t)為轉向運動學建模不確定性部分； S為車輛前軸中心轉角；Lb為車輛軸距；V為車輛后軸中心車速；t為時間；令Xl = y,，則系 統線性擴張性擴張狀態方程如下所示： χ] =χ? =(V + f(V,t))sm<p is = f{x,, X-,, vv)+L· tan δ
[0048] 1 " 、 6 = /(λ>Λ:2，νν) i, = h
[0049] 其中：
[0050] /(x,,,w) = /'(ν,φιηφ+l^l^^ilLcos^vv,{V,t)，（式中 w 為外界干擾 Η 量，k為控制增益系數，
[0051] 即4 =.[廠c0s0。 Lb
[0052] 為了便于工程應用，將線性擴張狀態觀測器寫成離散形式，三階線性擴張狀態
[0053] 觀測器離散形式如下所示： e{k) = z{{k)~ y{k) Α)ι=3% 慫2=3叫)2, K
[0054] < z1 {k+\) = ζγ (k)+h-^z2 (k) - β〇 ^(k) z?(k + \) = ζ?(/?) + --· z,(k)-β(ρe(k) + b{)uik) z3(k+l) = z3(k)+h- -pme(k)
[0055] 其中：ω(ι是由極點配置得到的線性擴張狀態觀測器的帶寬，β Μ、β ^ β w為擴張 狀態觀測器設計參數。
[0056] 基于自抗擾控制率，將實際輸入到執行機構控制量u可以表示為：
[0057] 11〇^+1)=11(|〇^+1)-23〇^+1)/13 (|，其中11(|為滑?？刂坡奢敵隹梢员沓桑?br> [0058] u〇 = ^θ!+^θ2
[0059] 其中：kp，kd為滑?？刂坡稍O計參數；ei和e 2分別為理想值與觀測值的誤差以及誤 差的變化率。
[0060] 按如上所述及圖3所示構建該平行泊車系統的路徑跟蹤控制器，即可實現顛簸路 面的平穩泊車過程。
[0061] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的 保護范圍。
【權利要求】
1. 一種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統，其特征在于：包括位于前保險杠兩側的 兩個超聲波傳感器、一個主控制器、一個方向盤轉角傳感器、一套電動助力轉向系統、四個 輪速傳感器，所述主控制器包括路徑規劃控制器和路徑跟蹤控制器，所述超聲波傳感器與 主控制器之間通過LIN總線進行連接，所述方向盤轉角傳感器通過CAN總線與主控制器通 訊，所述輪速傳感器與主控制器之間通過CAN總線連接，所述主控制器通過CAN總線輸出轉 角命令到電動助力轉向系統，所述路徑跟蹤控制器是一種能夠將外界擾動的不確定性觀測 出來并且加以補償的滑模自抗擾控制器。
2. -種基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統的泊車方法，其特征在于：包括如下步驟 步驟一：駕駛員通過人機交互界面啟動自動泊車系統，主控制器接收初始化命令，對 系統各組成部件即轉角傳感器、輪速傳感器、電動助力轉向系統及超聲波傳感器進行初始 化； 步驟二：超聲波傳感器開始檢測側方停車位，主控制器利用超聲波傳感器信號和輪速 傳感器信號計算空泊車位的大?。? 步驟三：比較計算出的空泊車位是否滿足最小車位長度，若滿足，則繼續下一步，若不 滿足，則返回步驟二，繼續檢測空泊車位，直到滿足最小車位要求； 步驟四：根據車輛距離左側障礙物與右側障礙物側向位移以及判斷好的泊車位大小進 行泊車起始位置計算，并規劃泊車路徑； 步驟五：路徑規劃，考慮到泊車速度較低，車輛后輪與地面之間滿足純滾動約束，以車 輛后軸中心為參考點，建立并獲取平行泊車過程車輛運動學參數，根據車輛運動學參數和 泊車起始位置及終止位置規劃泊車路徑，根據預瞄跟隨原理，設定預瞄距離，在理想泊車路 徑上選取預瞄點； 步驟六：通過路徑跟蹤控制器控制車輛跟蹤已經規劃好的路徑進行平行泊車，并判斷 車輛是否停在規劃好的目標位置，若是則泊車完成，否則，則泊車失敗。
3. 如權利要求2所述的基于滑模自抗擾控制的平行泊車系統的泊車方法，其特征在 于：所述步驟六中包括 (1) :根據路面跳動及速度波動的影響，路徑跟蹤控制器構建線性擴張狀態觀測器及滑 ?？刂坡桑a償外界干擾及不確定性； (2) :基于駕駛員倒車習慣及路徑規劃軌跡建立滑膜自抗擾控制器提高跟蹤性能，實現 泊車入位。
【文檔編號】B62D15/02GK104118430SQ201410351545
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】王健, 伍岳, 李小龍 申請人:南京航空航天大學