基于malab的自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于malab的自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0自動(dòng)約車自動(dòng)補(bǔ)償控制方法自動(dòng)駕駛技術(shù)是當(dāng)前最流行的電子汽車技術(shù)之一。它的使用可以顯著降低車輛管理的難度，降低駕駛員的體力和腦力勞動(dòng)強(qiáng)度，并顯著減少駕駛員的非方向感、評(píng)估和操作錯(cuò)誤造成的事故。自動(dòng)泊車技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心問(wèn)題是如何進(jìn)行控制的問(wèn)題,目前主要有兩大類控制算法:1)路徑規(guī)劃。即在考慮環(huán)境約束、汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型后事先規(guī)劃一個(gè)可行的幾何路徑,然后控制汽車根據(jù)此路徑行駛。這種方法的可靠性依賴于控制器的精確性,控制效果并非完全可靠。在泊車過(guò)程中,即使位置誤差能夠被后來(lái)的運(yùn)動(dòng)所補(bǔ)償,也會(huì)增加相應(yīng)的時(shí)間成本,從而影響自動(dòng)泊車的效果。2)基于經(jīng)驗(yàn)的控制算法。根據(jù)熟練泊車司機(jī)的經(jīng)驗(yàn),模擬司機(jī)的駕車行為,實(shí)時(shí)產(chǎn)生控制命令。這種方法與車輛相對(duì)于泊車位的方向和位置有關(guān),沒有參考路徑可循。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可控性強(qiáng),控制效果好。此類研究方法的典型做法是在車身周圍安裝多個(gè)測(cè)距傳感器,通過(guò)分析這些測(cè)距傳感器的信號(hào)得出相應(yīng)的控制命令從而控制汽車進(jìn)入目標(biāo)泊車位。此方法的雖然控制結(jié)果可靠,安全性好,但其控制算法復(fù)雜,對(duì)車輛本身結(jié)構(gòu)改裝較大,成本較高。綜合多方面考慮,本文提出了一種新的自動(dòng)泊車方法,該方法通過(guò)平面視覺處理技術(shù)和模糊智能控制方法控制車輛自動(dòng)進(jìn)入目標(biāo)泊車位。它對(duì)原車輛本身結(jié)構(gòu)的改裝不大,成本較低,可移植性強(qiáng)。自動(dòng)泊車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由圖像采集、圖像處理、控制系統(tǒng)和無(wú)線通信4部分組成。首先,安裝在泊車區(qū)域正上方的圖像采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集汽車及其所在區(qū)域圖像,圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理,得出汽車的位置及方向信息并將此信息送至控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)運(yùn)用相關(guān)控制算法由此得出汽車方向盤應(yīng)調(diào)整的角度,并將此控制結(jié)果通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)出,安裝在汽車內(nèi)部的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)收到此控制信號(hào)后將其送至執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而達(dá)到控制汽車行駛的目的。1自動(dòng)車載系統(tǒng)的研究方法根據(jù)上文所述原理可知,圖像采集、圖像處理、模糊控制器及無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)是自動(dòng)泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),下文就針對(duì)此4個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行具體分析。1.1圖像采集系統(tǒng)系統(tǒng)中圖像采集設(shè)備選取大恒圖像公司生產(chǎn)的DH-HV-1303UMCCD相機(jī),該相機(jī)通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接。一般來(lái)講圖像的采集分為六步:1)打開相機(jī)并初始化;2)設(shè)置圖像分辨率;3)設(shè)置采集模式;4)設(shè)置增益;5)設(shè)置曝光時(shí)間;6)圖像輸出。由于大恒公司提供了DH-HV-1303UM相機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以完成相機(jī)的設(shè)置,圖像的采集,等常用功能。因此在labview中可以通過(guò)CallLibraryFunction模塊調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中相應(yīng)的相機(jī)設(shè)置及采集函數(shù)來(lái)完成圖像的采集。1.2標(biāo)記點(diǎn)中心坐標(biāo)的建立圖像數(shù)據(jù)得到后,如何從中獲得車輛的位置及方向信息是圖像處理要完成的工作。假設(shè)拍攝的圖片如圖2所示。若想從圖2中獲得車輛的位置及方向信息。我們只需要在所關(guān)注的目標(biāo)上事先做幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)即可,如圖2所示在汽車頂端做兩個(gè)圓形標(biāo)記點(diǎn),當(dāng)然標(biāo)記點(diǎn)可以做成其它形狀,如十字形和方形等,為了算法識(shí)別方便,選取圓心作為標(biāo)記點(diǎn)。大圓標(biāo)記點(diǎn)位于汽車中心位置,小圓標(biāo)記點(diǎn)位于與大圓標(biāo)記點(diǎn)的前方,兩圓心的連線與汽車的車軸垂直。設(shè)大圓心坐標(biāo)為(X,Y),設(shè)小圓心坐標(biāo)為(X1,Y1)。在需要停車的目標(biāo)位置做另外一個(gè)標(biāo)記點(diǎn),設(shè)中心坐標(biāo)為(X0,Y0)。在圖像處理中只要得到這3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)中心的坐標(biāo)即可得到我們需要的信息。如:通過(guò)圓心坐標(biāo)(X,Y)的坐標(biāo)值可得到汽車在視場(chǎng)中的位置,通過(guò)兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)可得到汽車的行駛方向,即θ=Arctan(Y1-Y)/(X1-X)。及汽車與車庫(kù)的相對(duì)距離d=√(X-X0)2+(Y-Y0)2d=(X?X0)2+(Y?Y0)2???????????????????√。當(dāng)然此時(shí)得到的只是像素值,實(shí)際的距離可通過(guò)此像素值乘以一個(gè)比例系數(shù)來(lái)求得。求圓心標(biāo)記點(diǎn)中心的坐標(biāo)的方法有很多種,一般可以通過(guò)邊界識(shí)別得到圓周上的點(diǎn),再通過(guò)擬合可求出圓心坐標(biāo)。本文采用一種特殊的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別方法,即灰度重心法。灰度重心法是將數(shù)字圖像像素的灰度看作是數(shù)字圖像的“密度”,認(rèn)為圖像中一個(gè)斑點(diǎn)的中心位于其“重心”處。相應(yīng)地,對(duì)于一幅大小為M×N的灰度圖像區(qū)域,如圖3所示,設(shè)其每個(gè)像素的灰度值為I(i,j),(0<i<m,0<j<n),定義標(biāo)記點(diǎn)的灰度重心坐標(biāo)為:x=Μ×Ν∑Ιi?Ι(i,j)Μ×Ν∑ΙΙ(i,j),y=Μ×Ν∑Ιj?Ι(i,j)Μ×Ν∑ΙΙ(i,j)(1)x=∑IM×Ni?I(i,j)∑IM×NI(i,j),y=∑IM×Nj?I(i,j)∑IM×NI(i,j)(1)通過(guò)上式即可求得圓心標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo),當(dāng)然在進(jìn)行灰度重心計(jì)算之前必須對(duì)圖像進(jìn)行濾波,閾值分割及相關(guān)形態(tài)學(xué)處理等操作。此方法精確可靠。當(dāng)CCD相機(jī)的分辨率為1024×1024時(shí)該方法的分辨率可達(dá)到0.05像素。1.3數(shù)學(xué)模型具有科學(xué)性,容易應(yīng)用模糊控制是一種基于規(guī)則的控制,它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則,出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí),在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型,因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,因此在工程中應(yīng)用較為廣泛。常規(guī)模糊控制器的設(shè)計(jì)包括如下3個(gè)方面的內(nèi)容:1)精確量的模糊化,把語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集;2)模糊控制算法的設(shè)計(jì),通過(guò)一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則,并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系;3)輸出信息的模糊判決,并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。下面根據(jù)上述幾個(gè)方面詳細(xì)介紹該模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。1.3.1汽車行駛方向的預(yù)測(cè)首先確定控制器的結(jié)構(gòu)為2個(gè)輸入端一個(gè)輸出端?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。輸入端為語(yǔ)言變量CarPositionx和CarOrientationβ,分別代表汽車的水平位移和汽車的行駛方向。輸出端為語(yǔ)言變量steeringangleψ,它代表方向盤應(yīng)調(diào)整的角度。1.3.2正義作用x語(yǔ)言變量確定后,需要確定各語(yǔ)言變量的詞集。一般來(lái)講,為避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。詞集的選擇應(yīng)該是語(yǔ)言變量的兩倍以上。在該系統(tǒng)中確定各語(yǔ)言變量的詞集如下:CarPositionx:{Left,LeftCenter,Center,RightCenter,Right};CarOrientationβ(°):{LeftDownLeft,LeftUp,Up,RightUp,Right,RightDown};SteeringAngleψ(°):{NegLarge,NegMed,NegSmall,Zero,PosMed,PosSmall,PosMed,PosLarge};1.3.3控制器配方成員函數(shù)的確定即是確定各語(yǔ)言變量中所有詞集的隸屬函數(shù)。常見的隸屬函數(shù)有三角形、正態(tài)性、梯形等。為便于計(jì)算,本系統(tǒng)采用三角形法,三角形隸屬函數(shù)如式(2)所示,曲線如圖5所示。μF(x)={(x-b)/(a-b)b≤x≤a(c-x)/(c-a)a<x≤c0x<borx>c(2)μF(x)=?????(x?b)/(a?b)b≤x≤a(c?x)/(c?a)a<x≤c0x<borx>c(2)為了增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,各隸屬函數(shù)都應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹丿B區(qū)域,各語(yǔ)言變量的成員函數(shù)如圖6至圖8所示。與兩個(gè)輸入端所對(duì)應(yīng)的輸入輸出特征曲線如圖9和圖10所示。由圖7可以看出,當(dāng)汽車位于橫坐標(biāo)x=0.98m時(shí),可用模糊值{0.0,0.1,0.8,0.0,0.0}表示,可解釋為在中心位置稍微左偏。此步叫做模糊化,因?yàn)樗鼘⒄鎸?shí)的變量轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言變量。1.3.4基于控制策略的判決結(jié)構(gòu)將所有的輸入變量的值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的語(yǔ)言變量后,接著需要制定推理規(guī)則。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),如果汽車距離目標(biāo)位置靠左,并且汽車行駛角度也靠左,則可將方向盤稍微正轉(zhuǎn)一定的角度。如果汽車位于目標(biāo)位置正前方,并且汽車行駛角度也與目標(biāo)位置一致,則不用調(diào)整方向盤角度。根據(jù)實(shí)際情況我們選取IF(aANDb)THEN(c)的判斷結(jié)構(gòu)。由于汽車在前進(jìn)和倒退時(shí)控制策略不一樣,所以設(shè)立兩個(gè)控制規(guī)則列表,如表1、表2所示。表1用于控制汽車前進(jìn),表2用于控制汽車后退。每個(gè)控制列表包含35項(xiàng)。在運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)汽車所在的位置及方向改變汽車的行駛方向,當(dāng)汽車行駛的方向改變時(shí),所調(diào)用的控制規(guī)則列表也相應(yīng)改變。當(dāng)汽車倒退運(yùn)行至橫坐標(biāo)0.98m處,行駛方向?yàn)?0°時(shí),根據(jù)表2,此情況所對(duì)應(yīng)的判決結(jié)果應(yīng)該有兩個(gè),如下所示:1)如果Carpositionx為center(可信度為0.8)并且Carorientationβ為leftup(可信度為1.0),則調(diào)整steeringangle?為negativesmall(可信度為0.8)。2)如果Carpositionx為L(zhǎng)eftcenter(可信度為0.1)并且Carorientationβ為leftup(可信度為1.0),則調(diào)整steeringangle?為PosSmall。(可信度為0.1)。1.3.5控制信號(hào)的做明如上所提及的,當(dāng)汽車在水平方向0.98m處,行駛方向?yàn)?0°時(shí),其模糊判決結(jié)果為:方向盤應(yīng)以0.8的可信度反轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度以及以0.1的可信度正轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度。顯然模糊判決得到的結(jié)果不能直接使用。我們需使用去模糊方法將其轉(zhuǎn)換為真實(shí)值。以便用做控制信號(hào)。常見的去模糊方法有中心法或者重心法(CoA),改進(jìn)型中心法(CoA),加權(quán)平均法(CoM)和最大值平均法(MoM)。本系統(tǒng)采用CoA去模糊方法,該去模糊化方法不會(huì)因?yàn)檩斎攵宋⑿〉母淖兌瓜到y(tǒng)輸出發(fā)生較大的變化,系統(tǒng)能夠保證很好的線性及穩(wěn)定性。CoA去模糊方法的計(jì)算公式如式(3)所示。CoA=∫xmaxxmaxf(x)?xdx∫xmaxxmaxf(x)dx(3)其中CoA是重心,x是語(yǔ)言變量的值,xmin和xmax代表語(yǔ)言變量的有效范圍。欲求上述模糊判決結(jié)果的CoA,即是求圖11中所示陰影部分的中心,利用式(3)算得去模糊后的值為:?=-4.39°。即當(dāng)汽車在水平方向0.98m處,行駛方向?yàn)?0°時(shí),汽車的方向盤應(yīng)該反轉(zhuǎn)4.39°?？刂葡到y(tǒng)得到此值后即可將其發(fā)往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1.4通信模塊設(shè)計(jì)PC得到控制結(jié)果后如何將其發(fā)送到汽車所在的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是數(shù)據(jù)傳輸模塊所需完成的工作,考慮到受控對(duì)象的特殊性,主機(jī)與從機(jī)之間的通信采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D12所示。其中無(wú)線通信模塊由單片機(jī)MSP430F149及無(wú)線收發(fā)芯片nRF905構(gòu)成。此兩款芯片性價(jià)比高,配置簡(jiǎn)單,性能好,在短距離的無(wú)線傳輸領(lǐng)域應(yīng)用十分普遍。當(dāng)控制系統(tǒng)得出控制結(jié)果后,通過(guò)RS232接口將控制結(jié)果傳遞給主機(jī)的單片機(jī),主單片機(jī)收到此數(shù)據(jù)后通過(guò)SPI接口傳至nRF905無(wú)線收發(fā)芯片進(jìn)行無(wú)線傳輸,從機(jī)的無(wú)線收發(fā)芯片nRF905收到此數(shù)據(jù)后將其通過(guò)SPI接口送至從單片機(jī)并通過(guò)從單片機(jī)傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而控制汽車的行駛,與此同時(shí)從機(jī)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋值通過(guò)nRF905無(wú)線收發(fā)芯片傳輸主機(jī)。以便主機(jī)用于監(jiān)控。數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要工作是串口通信和無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì),下面將詳細(xì)介紹這兩部分的內(nèi)容。1.4.1usb接口電路主機(jī)與PC的數(shù)據(jù)傳輸通常是采用RS232來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類連接方式簡(jiǎn)單,且數(shù)據(jù)傳輸速度高?？紤]到現(xiàn)在大多數(shù)筆記本電腦都沒有COM口,而PC機(jī)基本都有USB接口,因此本系統(tǒng)選用一款RS232轉(zhuǎn)USB芯片CH341T將信號(hào)傳輸至上位機(jī)。CH341T是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片,通過(guò)USB總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的2線和4線等同步串行接口。在LabVIEW中則利用VISA來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信,VISA稱為虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu),作為驅(qū)動(dòng)程序間相互通信的底層功能模塊,可以用于不同標(biāo)準(zhǔn)的I/O設(shè)備之間的串口通信。如圖13所示,在LABVIEW中通過(guò)調(diào)用VISAConfigureSerialPort子VI進(jìn)行串口配置,包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等。使用VISAWrite發(fā)送數(shù)據(jù);使用VISARead接收數(shù)據(jù);在串口使用結(jié)束后,使用VISAClose結(jié)束與VISAresourcename指定的串口之間的通信。1.4.2控制nrf295的電路設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)主要是對(duì)芯片nRF905的編程。一般來(lái)講nRF905編程主要分為如下兩步:1)芯片初始化,通過(guò)單片機(jī)對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置,主要設(shè)定工作頻率,發(fā)射功率,本機(jī)地址等參數(shù)。2)進(jìn)入正常工作狀態(tài),根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制,發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。對(duì)芯片nRF905的配置可通過(guò)SPI口實(shí)現(xiàn)。nRF905的SPI總線包括4個(gè)引腳:CSN(SPI使能)、SCK(SPI時(shí)鐘)、MISO(主入從出)和MOSI(主出從入)。其中CSN可以接到一個(gè)GPIO端口控制芯片工作,而其他三個(gè)引腳則連接到單片機(jī)的SPI接口上。使用GPIO端口控制nRF905的3根控制引腳。即選擇工作狀態(tài)PWR_UP引腳、發(fā)送模式或者接受模式的TX_EN的引腳、選擇發(fā)送還是接收狀態(tài)的TRX_CE引腳。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先通過(guò)單片機(jī)把nRF905置于待機(jī)模式(PWR_UP置為高、TRX_CE置為低),然后通過(guò)SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)的寄存器中,之后把nRF905置于發(fā)送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全部置高),配置成功后數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動(dòng)重發(fā)位(AUTO_RETUAN)設(shè)為有效,數(shù)據(jù)包就會(huì)被重復(fù)發(fā)出,直到單片機(jī)拉低TRX_CE退出發(fā)送模式為止。nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖14所示。接收數(shù)據(jù)時(shí),單片機(jī)先在nRF905的待機(jī)狀態(tài)中寫好射頻配置寄存器中的接收地址,然后將nRF905置于接收模式(PWR_UP和TRX_CE置高,TX_EN置低),nRF905就會(huì)自動(dòng)接收空中的載波。當(dāng)收到有效數(shù)據(jù)(地