本发明涉及汽车领域，特别是涉及一种水平泊车控制方法。本发明还涉及一种采用所述水平泊车控制方法的水平泊车控制系统。
背景技术：
随着城市内汽车保有量的不断增加，泊车位紧张、泊车空间狭窄、泊车环境复杂的现象愈发明显，这对驾驶员的泊车技术提出了更高的要求。自动泊车系统通过对车辆横向和纵向运动的实时控制，完成自动泊车入位的功能，其可以有效地降低驾驶员的操作难度，并提高泊车安全性，目前已在越来越多的量产车型上得到运用。
自动泊车控制算法包括泊车车位识别、车辆位姿计算、泊车轨迹规划和泊车轨迹跟踪等多个功能模块，泊车轨迹规划作为其中的一项核心算法，是决定泊车成败和最终泊车姿态的关键。泊车轨迹规划算法需要实现的功能为：根据车位尺寸和被泊车辆停车位置，确定泊车的起始和目标位置；考虑碰撞避免、车辆运动学以及部分非定量化的约束条件，规划一条连接泊车起始和目标位置的可行驶轨迹。
目前，国内外针对泊车轨迹规划问题研究了多种方法，采用了包括b样条、五次多项式曲线、极样条、螺旋线等曲线拟合方法，以保证整条泊车轨迹曲率连续，从而同时满足泊车过程中系统对于车辆碰撞避免和转向连续的要求。
上述方法主要存在以下不足：由于用于曲线拟合的函数形式较为复杂，且需要根据各项约束条件进行函数最优化，因此不利于嵌入式系统对于泊车轨迹的实时在线计算。轨迹上各点坐标往往以离线计算的方式预先获得，再以标定数据的形式存入ecu，因而上述方法对ecu标定空间的容量要求较高，增加了系统成本和工程实现难度。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种既满足泊车约束条件能实现实时在线泊车轨迹规划，避免车辆的水平泊车控制方法。本发明还提供了一种采用所述水平泊车控制方法的水平泊车控制系统。泊车约束条件，为本领域现有文献常用词语，包括：车辆碰撞避免约束条件、车辆转向运动学约束条件以及泊车路程最短、泊车终点车辆保持水平等部分非定量化的约束等。
为解决上述技术问题，本发明提供的水平泊车控制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据车位识别的结果，以车位前方障碍物右后方顶点为坐标原点，以与路肩平行的方向为x轴方向，与路肩垂直方向为y轴方向建立车位坐标系；
车位识别的结果包括：车位长度、车位宽度、车辆与车位侧向间隔距离、车位前方障碍物位置和车位后方障碍物位置。
步骤2、将水平泊车过程划分为第一泊车阶段和第二泊车阶段；
所述第一泊车阶段是指车辆从转向起始位置，方向盘转至第一方向极限位置，此时保持最小转向半径行驶，使车身转向第一预设角度后方向盘回打直至方向盘回正；
所述第二泊车阶段是指方向盘转至第二方向极限位置，此时保持该最小转向半径使车身左转一定角度，使车身转向第二预设角度后方向盘回打，直至车辆达到泊车目标位置，且同时保证车身和方向盘回正；
步骤3、将第一泊车阶段的泊车轨迹几何路径规划为至少包括顺序连接的第一回旋曲线、第一圆弧和第二回旋曲线；
将第二泊车阶段的泊车轨迹几何路径规划为至少包括顺序连接的第三回旋曲线、第二圆弧和第四回旋曲线；
第一泊车阶段、第二泊车阶段并不仅限于规划为三段曲线(两回旋曲线和一圆弧)，本申请的原理下本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，将第一泊车阶段、第二泊车阶段规划为更多的曲线组合。比如：多段两回旋曲线和两端圆弧，甚至多段两回旋曲线和多段圆弧。
步骤4、根据车位长度和宽度选定泊车速度v和方向盘转速ω，0＜v＜vb,0＜ω＜ωb；其中,vb为允许泊车车速的最大值，ωb允许泊车方向盘转动速度的最大值；
步骤5、根据选定的泊车速度v、方向盘转速ω以及所泊车辆的第一类固有参数计算各回旋曲线的曲率变化系数σ、曲率达到最大值时对应点的车辆航向角θccend、几何路径转向半径rgeo和回旋曲线与几何路径间的夹角μ；
步骤6、根据所泊车辆的第二类固有参数确定泊车目标位置；
步骤7、根据泊车目标位置，计算泊车轨迹起始位置坐标，计算第一泊车阶段泊车轨迹第一圆弧的圆心坐标和第二泊车阶段泊车轨迹第二圆弧的圆心坐标，第一泊车阶段泊车轨迹几何路径对应的圆心角和第二泊车阶段泊车轨迹几何路径对应的圆心；
步骤8、确定第一圆弧、第二圆弧所对应的车辆转动角度；
步骤9、计算得到泊车轨迹上各点的曲率，换算得到对应的方向盘转向角度。
实施步骤5时，所述所泊车辆的第一类固有参数包括：车辆轴距、车辆后轴中心点的最大转向曲率、车辆后轴中心点的最大转向曲率对应点x轴坐标和y轴坐标，以及车辆后轴中心点的最小转向半径。
实施步骤5时，采用以下公式计算；
b为车辆轴距，kmax为车辆后轴中心点的最大转向曲率，θccend、xccend和yccend分别为曲率达到最大值时对应点的车身航向角、x轴坐标和y轴坐标，rgeo为泊车轨迹几何路径的转向半径，rmin为车辆后轴中心点的最小转向半径，rmin与kmax呈倒数关系，μ则为回旋曲线与几何路径间的夹角。
实施步骤6时，所述所泊车辆的第二类固有参数包括：车位的长度和宽度，车辆后悬长度，x轴方向设定的安全值，车位的宽度，车辆宽度，y轴方向设定的安全值。
x轴方向设定的安全值是指最终泊车位置车辆与车位后方障碍物的安全距离。
y轴方向设定的安全值是指最终泊车位置车辆距离路肩的安全距离。
实施步骤6时，确定泊车目标位置采用以下公式计算；
xfinish＝-(lprkslt-lro-xsv)
其中：lprkslt为车位的长度，wprkslt为车位的宽度，lro为车辆后悬长度，wveh为车辆宽度，xsv为x轴方向设定的安全值，ysv为y轴方向设定的安全值。
实施步骤7时，第二圆弧圆心坐标采用以下公式计算；
xc2＝xfinish+rgeo×sin(μ)
yc2＝yfinish+rgeo×cos(μ)
然后，根据三角关系方程组求解得到泊车轨迹起始位置坐标、第一阶段泊车轨迹几何路径第一圆弧的圆心坐标、第一泊车阶段泊车轨迹几何路径对应的圆心角和第二泊车阶段泊车轨迹几何路径对应的圆心角。
实施步骤8时，第一圆弧、第二圆弧所对应的车辆转动角度采用以下公式计算；
β1＝αtot1-2×(8ccend+μ)
β2＝αtot2-2×(θccend+μ)
β1是第一圆弧车辆转动角度，β2是第一圆弧车辆转动角度。
实施步骤9时，方向盘转向角度根据ackerman转向原理由下述公式；
计算得到车辆前轮中心点处对应的ackerman转向角
一种采用上述任意一项所述水平泊车控制方法的水平泊车控制系统，包括：ecu、超声波传感器、轮速传感器、方向盘转角传感器、电控转向单元、电控油门、刹车系统和电控换挡系统；
ecu，预存水平泊车控制方法和该被泊车辆的固有参数(车辆固有参数是指车辆客观存在的车辆参数，固定具有的车辆参数；比如：车辆尺寸参数，车辆动力参数、车辆速度参数等每种车辆客观存在固定具有的参数)，根据水平泊车控制方法控制该被泊车辆执行泊车；
ecu通过超声波传感器获取车位尺寸信息及被泊车辆与车位障碍物的间隔距离，利用轮速传感器和方向盘转角传感器计算车辆实时位置，通过电控转向单元实时控制方向盘转速和方向盘转角，通过电控油门和刹车系统实时控制车速，通过电控换挡系统控制车辆行驶方向。在这种控制模式下(自动模式)由ecu控制泊车方法及车辆各功能模块自动执行，驾驶员仅输入启动指令即可实现自动泊车。
超声波传感器，测量车位长度、宽度、车辆与车位侧向间隔距离、车位前方障碍物位置和车位后方障碍物位置；
轮速传感器，获取车轮转速发送至ecu；
方向盘转角传感器，获取实时的方向盘转角发送至ecu；
电控转向单元，接收ecu转向指令，控制车辆方向盘转角；
电控油门和刹车系统，接收ecu车速控制指令，控制车辆行驶速度；
电控换挡系统，接收ecu换挡指令，控制车辆行驶方向(前进或后退)。
一种采用上述任意一项所述水平泊车控制方法的水平泊车控制系统，包括：ecu、超声波传感器、轮速传感器、方向盘转角传感器、电控转向单元和人机交互界面；
ecu，预存水平泊车控制方法和该被泊车辆的固有参数，根据水平泊车控制方法控制该被泊车辆执行泊车；
ecu通过超声波传感器获取车位尺寸信息及被泊车辆与车位障碍物的间隔距离，利用轮速传感器和方向盘转角传感器计算车辆实时位置，通过电控转向单元实时控制方向盘转速和方向盘转角，通过发动机实时控制车速，通过人机交互界面将ecu的控制指令通过声音和图像对驾驶员的操作进行信息提示(人机交互界面可提供的指令至少包括：启动自动泊车和退出自动泊车。还可以包括第一泊车阶段进入第二泊车阶段的提示或操作提示、实时车速、实时位置等)。在这种控制模式下(半自动模式)由驾驶员根据人机交互界面的信息提示控制泊车方法及车辆各功能模块启停执行。
提示驾驶员的信息主要包括：系统激活和退出提示，找到合适泊车位提示，泊车车速提示，驾驶员换挡操作提示，被泊车辆与障碍物距离报警提示等。
超声波传感器，测量车位长度、宽度、车辆与车位侧向间隔距离、车位前方障碍物位置和车位后方障碍物位置；
轮速传感器，获取车轮转速发送至ecu；
方向盘转角传感器，获取实时的方向盘转角发送至ecu；
电控转向单元，接收ecu转向指令，控制车辆方向盘转角；
人机交互界面，将ecu的控制指令通过声音和图像对驾驶员的操作进行信息提示。
本发明的有益效果在于：采用本发明对水平泊车轨迹进行规划时，泊车轨迹特性参数和轨迹上各点的方向盘目标转角均可直接实时在线计算得到，因而极大地减少了自动泊车控制算法对于ecu标定数据存放空间的需求量，可有效降低系统成本。并且，泊车轨迹特性参数和轨迹上各点的方向盘目标转角均采用实时在线计算能更加有效的实时修正泊车轨迹避免碰撞，实时在线计算转向连续性更好。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是水平泊车轨迹组成示意图，其中虚线表示虚拟几何路径，实线表示实际规划路径。
图2是本发明步骤流程示意图。
图3是本发明实施例的回旋曲线示意图。
图4是本发明实施例的泊车轨迹规划示意图。
图5是本发明实施例曲率变化示意图。
图6是本发明实施例仿真结果示意图示意图。
具体实施方式
下面兹以水平泊车实施例对本发明作进一步说明，图3为此实例示意图。尽管本实例仅展示了车身初始航向角为零，即停车时车身与车位坐标系的x轴平行时的实施方法，但本发明对于车身初始航向角不为零的情况同样适用。
根据一次泊车最小车位长度和宽度的要求，确定泊车速度v和方向盘转速ω，两者的取值须分别低于最高的允许泊车车速和方向盘转动速度。
根据选定的v和ω，由公式下述计算回旋曲线(clothoid曲线)的轨迹特性参数；
其中：b为车辆轴距，kmax为车辆后轴中心点的最大转向曲率，θccend、xccend和yccend分别为曲率达到最大值时对应点的车身航向角、x轴坐标和y轴坐标，rgeo为虚拟几何路径的转向半径，rmin为车辆后轴中心点的最小转向半径，其与kmax呈倒数关系，μ则为clothoid曲线与几何路径间的夹角。
如图4所示，在实际车位尺寸以及车辆与障碍物侧向距离处于泊车允许范围的前提下，根据有效的车位尺寸信息，以车位前方障碍物右后方顶点a为坐标原点，以与路肩平行的方向为x轴方向，与路肩垂直方向为y轴方向建立车位坐标系，则泊车目标位置可由公式下述公式确定；
xfinish＝-(lprkslt-lro-xsv)
其中：lprkslt为车位的长度和宽度，lro为车辆后悬长度，wprkslt为车位的宽度，wveh为车辆宽度，xsv为x轴方向设定的安全值，ysv为y轴方向设定的安全值。
x轴方向设定的安全值是指最终泊车位置车辆与车位后方障碍物的安全距离。
y轴方向设定的安全值是指最终泊车位置车辆距离路肩的安全距离。
确定了泊车目标位置后，c2点坐标(xc2,yc2)可依据回旋曲线特性求得；
xc2＝xfinish+rgeo×sin(μ)
yc2＝yfinish+rgeo×cos(μ)
而start点的坐标(xstart，ystart)、c1的坐标(xc1，yc1)以及第一阶段几何路径的圆心角αtot1可根据δc1c2start的三角形关系由方程组求解计算得到，而本实例中αtot2与αtot1相等。
进一步确定两圆弧段对应的车辆转动角度β1和β2。由于单段回旋曲线在几何路径上对应的圆心角为θccend+μ，因此圆弧段在几何路径上对应的圆心角，亦即车辆以最小转向半径行驶转动的角度β1和β2可根据公式下述计算得到；
β1＝αtot1-2×(8ccend+μ)
β2＝αtot2-2×(θccend+μ)
进一步轨迹上各点方向盘目标转角可实时计算得到。具体方法如下：以start点作为车辆行驶距离l的零点，则泊车轨迹上各点曲率与l的对应关系如图5所示。系统通过轮速传感器获取车辆当前的行驶距离，即可计算得到当前位置对应的曲率。
l1是第一回旋曲线对应车辆行驶距离
l2是第一圆弧对应车辆行驶距离
l3第二回旋曲线对应车辆行驶距离
l4第三回旋曲线对应车辆行驶距离
l5第二圆弧对应车辆行驶距离
l6第四回旋曲线对应车辆行驶距离
l1～l6之间关系如下：
l1＝kmax/σl4＝l3+kmax/σ
l2＝l1+β1×rminl5＝l4+β2×rmin
l3＝l2+kmax/σl6＝l5+kmax/σ
由于泊车过程车速较低且行驶较为平稳，所以车辆后轮的滑移现象可忽略，车辆在转向过程中满足ackerman转向原理，因此可进一步由公式下述计算得到车辆前轮中心点处对应的ackerman转向角
再根据ackerman转向角
一种采用上述水平泊车控制方法的水平泊车控制系统，包括：ecu、超声波传感器、轮速传感器、方向盘转角传感器、电控转向单元、电控油门、刹车系统和电控换挡系统；
ecu，预存水平泊车控制方法和该被泊车辆的固有参数，根据水平泊车控制方法控制该被泊车辆执行泊车；
ecu通过超声波传感器、轮速传感器和方向盘转角传感器计算车辆实时位置，通过电控转向单元实时控制方向盘转速和方向盘转角，通过电控油门和刹车系统实时控制车速，通过电控换挡系统控制车辆行驶方向。
超声波传感器，测量车位长度、宽度、车辆与车位侧向间隔距离、车位前方障碍物位置和车位后方障碍物位置；
轮速传感器，获取车轮转速发送至ecu；
方向盘转角传感器，获取实时的方向盘转角发送至ecu；
电控转向单元，接收ecu转向指令，控制车辆方向盘转角；
电控油门和刹车系统，接收ecu车速控制指令，控制车辆行驶速度；
电控换挡系统，接收ecu换挡指令，控制车辆行驶方向(前进或后退)。
一种采用上述水平泊车控制方法的水平泊车控制系统，包括：ecu、超声波传感器、轮速传感器、方向盘转角传感器、电控转向单元和人机交互界面；
ecu，预存水平泊车控制方法和该被泊车辆的固有参数，根据水平泊车控制方法控制该被泊车辆执行泊车；
ecu通过超声波传感器获取车位尺寸信息及被泊车辆与车位障碍物的间隔距离，利用轮速传感器和方向盘转角传感器计算车辆实时位置，通过电控转向单元实时控制方向盘转速和方向盘转角，通过发动机实时控制车速，通过人机交互界面将ecu的控制指令通过声音和图像对驾驶员的操作进行信息提示(人机交互界面可提供的指令至少包括：启动自动泊车和退出自动泊车。还可以包括第一泊车阶段进入第二泊车阶段的提示或操作提示、实时车速、实时位置等)
提示驾驶员的信息主要包括：系统激活和退出提示，找到合适泊车位提示，泊车车速提示，驾驶员换挡操作提示，被泊车辆与障碍物距离报警提示等。
超声波传感器，测量车位长度、宽度、车辆与车位侧向间隔距离、车位前方障碍物位置和车位后方障碍物位置；
轮速传感器，获取车轮转速发送至ecu；
方向盘转角传感器，获取实时的方向盘转角发送至ecu；
电控转向单元，接收ecu转向指令，控制车辆方向盘转角；
人机交互界面，将ecu的控制指令通过声音和图像对驾驶员的操作进行信息提示。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。