【正文】 基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 33 致 謝 在完成論文之際，在此我對(duì)曾在大學(xué)四年特別是畢設(shè)期間給我?guī)椭乃腥吮硎局孕牡母兄x。 此時(shí) ， 大學(xué)生活即將結(jié)束，再次感謝老師和同學(xué)對(duì)我無(wú)私的幫助。 感謝你們包容我的缺點(diǎn)， 四年了，仿佛就在昨天。 (4)還沒(méi)有在實(shí)物（真車或者模型車）上進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樵趯?shí)際情況下會(huì)有很多干擾，小車的抗擾動(dòng)性能沒(méi)有考慮。附近，說(shuō)明本文所提出的自動(dòng)泊車模糊控制可以實(shí)現(xiàn)，并且仿真的車輛行駛軌跡與我們實(shí)際駕車時(shí)基本相同。車輪轉(zhuǎn)向角為 10176。 創(chuàng)建一個(gè)讀取 gfs 的函數(shù) rdgfs, rdgfs 函數(shù)可以從磁盤里加載 gfs 文件。 同理，可求得另外兩個(gè)輪胎，左前輪和右前輪的中心坐標(biāo)（ ftxl, ftyl），（ ftxr, ftyr）其中： ??? ??? 。s i nd(V a ng )*T L e n/ 2 rt yl rt yl f 。s i nd(V a ng )*(W / 2) xrcxrr () ??? ??? 。 汽車模型的建立 由圖 和圖 可得：汽車后軸中點(diǎn)（參考點(diǎn)）的坐標(biāo)為：（ Xloc,Yloc）； 前邊界到參考點(diǎn)的距離： Lf = *L?；蛘叽笥?270176。這四個(gè)文本框分別儲(chǔ)存參考點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)，車輛夾角，轉(zhuǎn)向角和泊車速度。大小為 9 號(hào)。 （ 3）回應(yīng)。 創(chuàng)建一個(gè) MATLAB GUI 應(yīng)該具有以下三類基本元素 ]19[ ： (1)組件。 GUI 編程概述 MATLAB 有著強(qiáng)大的功能，它不僅能成為人們進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的幫手，人們還能在上面進(jìn)行開發(fā)圖形界面。輸出變量? 的范圍為 [35, 35]；輸出變量 ? 的隸屬度函數(shù)如圖 所示 : 基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 19 圖 輸出變量 ? 的隸屬度函數(shù) 模糊規(guī)則的確立 模糊規(guī)則定義為一個(gè)條件語(yǔ)句的形式： IF x is A THEN y is B。 如何設(shè)計(jì)隸屬函數(shù)是模糊控制比較難的地方，隸屬度函數(shù)的確立方法一般有一下幾種： (1) 模糊統(tǒng)計(jì)法 。 在第 5 區(qū)域可以對(duì)輸入輸出變量進(jìn)行命名，在第 7 區(qū)域下拉菜單出選擇模糊推理函數(shù)，主要有與，或，蘊(yùn)涵，綜合，解模糊化等方法的選擇。 在 2021，已經(jīng)有有一百萬(wàn)的使用 MATLAB 用戶來(lái)自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界。 模糊控制系統(tǒng)主要由模糊化，模糊規(guī)則庫(kù)，模糊 推理，解模糊四個(gè)部分組成： 基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 13 （ 1）模糊化： 將信號(hào)從清晰量轉(zhuǎn)化為模糊量，輸入進(jìn)模糊推理機(jī)的過(guò)程，其中模糊控制器將輸入量映射成模糊子集和它的隸屬函數(shù)。 模糊系統(tǒng)的研究也在美國(guó)和歐洲進(jìn)行，但在廣泛化的規(guī)模比日本小得多。大眾汽車公司是唯一基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 11 的外國(guó)企業(yè)會(huì)員活，被派遣進(jìn)行一個(gè)為期三年的研究。他們的意見被采納后， 1987 年運(yùn)營(yíng)了一條鐵路，其中模糊系統(tǒng)是用來(lái)控制加速，制動(dòng)和停車。“模糊”是指可以參與的邏輯處理的概念，不能被表達(dá)為“真”或“假”，而是“ 部分真實(shí)”。 ? 為轉(zhuǎn)向角，即車輛前輪與車輛主軸的夾角。 車輛的簡(jiǎn)化模型 綜上所述，一輛汽車具有有很過(guò)程多復(fù)雜的參數(shù)，不便于我們理解和建模，為了方便我們更好的研究它的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，我們將其非規(guī)則的外形進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略了它的輪廓形狀，將其從三維平面上抽象為二維，將它最外的邊界加以整合組成汽車模型，如圖 所示： 圖 簡(jiǎn)化后的車輛模型示意圖 泊車過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立 由于車輛在泊車過(guò)程中是一個(gè)低速行駛的過(guò)程，故在此過(guò)程中我們將其理想化認(rèn)為汽車在行駛時(shí)車輪不會(huì)發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)，即是在非完整約束下的泊車行為，下面是建立汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的推導(dǎo)過(guò)程。 車輛寬度：簡(jiǎn)稱車寬，是指平行于車輛縱向，車輛左右兩端突出的距離，也就是汽車寬度方向上兩個(gè)極端點(diǎn)的距離。 第三章，介紹了模糊邏輯控制的基本概念和模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 ,根據(jù)第二章內(nèi)容設(shè)計(jì)其隸屬函數(shù)與模糊規(guī)則。其次在 veDYNA 軟件中建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，并在模型的基礎(chǔ)上加入遺傳算法進(jìn)行平行泊車轉(zhuǎn)向控制。杜賓斯（ Dubins）通過(guò)最小轉(zhuǎn)向半徑圓設(shè)計(jì)的路徑，解決了車輛從任意初始位置到終止位置的最小路徑的問(wèn)題 ]6[ 。自動(dòng)泊車系統(tǒng)可避免這些情況的發(fā)生，它可以根據(jù)路況自動(dòng)對(duì)方向盤進(jìn)行調(diào)節(jié)。在一些城市的情況更糟，有時(shí)多達(dá) 26 輛車共享一個(gè)車位。自動(dòng)泊車系統(tǒng)，有助于駕駛員減少其操作負(fù)擔(dān)和降低駕駛疲勞感，減少泊車事故的發(fā)生，可提高駕駛的安全性，它有一個(gè)鑒 于實(shí)際的意義如今越來(lái)越受到人們的重視。首先建立了汽車前輪轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)自動(dòng)泊車每個(gè)過(guò)程進(jìn)行了分析和對(duì)泊車位和車輛位置進(jìn)行探討。因此，越來(lái)越多的車輛在 出廠時(shí)被安裝上了智能控制系統(tǒng)，自動(dòng)泊車系統(tǒng)就是其中重要的一個(gè)部分 ]2[ 。 3）舒適性：由于自動(dòng)泊車系統(tǒng)可以對(duì)方向盤進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以駕駛員只需用腳控制油門和剎車來(lái)調(diào)節(jié)泊車速度，汽車便 可以可以準(zhǔn)確地進(jìn)入停車空間，此過(guò)程減少了駕駛員的疲勞強(qiáng)度，大大提高了駕駛舒適性。 日本的井上拓哉學(xué)者首先對(duì)小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并利用李雅普諾夫方法對(duì)該 系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性的判斷 ]9[ ，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)對(duì)車輛速度和前輪轉(zhuǎn)向角的控制，實(shí)現(xiàn)了車輛在狹小空間的自動(dòng)泊車。 浙江大學(xué)王文飛提出了一種基于超聲波傳感器和視覺信息傳感器的泊車車位模型和泊車車道線模型，分別采用超聲波傳感器和視覺分析的方法進(jìn)行泊車車位檢測(cè)，首先根據(jù)車輛泊車行駛軌跡，按照數(shù)學(xué)模型關(guān)系將泊車路徑劃分為 4 個(gè)階段。 第五章，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，分析了本次的不足，對(duì)以后的發(fā)展進(jìn)行了展望。 軸距：汽車前軸到后軸的垂直距離。 (xrL,yrL)表示左后輪位置坐標(biāo)。 在低速泊車過(guò)程中，車速一般小于 5 km/h，我們通常忽略車輪滾動(dòng)時(shí)的側(cè)向滑動(dòng)情況，認(rèn)為后輪在運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡在垂直方向上速度為 0，故可以列出以下方程式： 0s i nco s ?????? ?? xy (21) 由圖 可知，車輛前后輪是通過(guò)軸桿連在一起的，所以前后軸中心點(diǎn)位置坐標(biāo)關(guān)系有： 基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 8 ????? ??? ??? ??s inc oslyy lxxfrfr (22) 兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可以得到其速度關(guān)系為： ????? ??????? ??????? ?? ?? sinc oslyy lxxfrfr (23) 由公式 23 和公式 21 可得關(guān)系式： ?????? ?? co ss i n ff yx l??? =0 (24) 又由圖 可得，前輪軸線中心點(diǎn)處的 x， y 方向速度為： ????? ???? ???? )c os ( )sin( ?? ??vy vx ff (25) 由此將公式 25 代入式公式 24，得牽前車輪旋轉(zhuǎn)角速度為： lv ?? sin??? (26) 將公式 2 26 代入公式 23 得到基于后輪軸線中心坐標(biāo)的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，其中間點(diǎn)在 x、 y 方向的速度分別為： ??? ???????? ?? ?? sinsin c osc osvy vxrr (27) 離散化后的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為： ? ?? ???????????????????????????)()()1()(c o s)(s i n)()(1)(c o s)(c o s)()(1iiiiiiviyiyiiivixix? (28) 后軸中心點(diǎn)的軌跡方程： 基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 9 ?????????????????????????????????????222 )c o t()c o t(c o s)s i nc o s (c o ts i ns i n)()s i ns i n (c o tc o sc o s)(???????????llyxltlvldlvtytlvldlvtxrrrr(29) 根據(jù)汽車的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)我 們確定其中一個(gè)參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)（后軸中心點(diǎn)）和運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，可通過(guò)它與其他點(diǎn)的位置坐標(biāo)關(guān)系求出其他參數(shù)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 模糊控制基本理論發(fā)展歷程 模糊邏輯最開始是由加州大學(xué)伯克利分校 Lotfi 在 1965 年的一篇論文里提出。這是一個(gè)經(jīng)典的控制問(wèn)題，其中一輛汽車試圖保持安裝在頂部的桿用鉸鏈正直來(lái)回移動(dòng)。日立洗衣機(jī)使用模糊控制器控制負(fù)載重量，織物的組合，調(diào)整洗衣周期，最佳省水省電和洗滌劑。 關(guān)于模糊控制在軟件上的研究和開發(fā)還在繼續(xù)，相對(duì)于硬件設(shè)計(jì)，模糊專家系統(tǒng)和集成包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和所謂的“遺傳”軟件系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊邏輯，是以構(gòu)建“智能學(xué)習(xí)”的模糊控制系統(tǒng)為終極目標(biāo)。 （ 4）解模糊：由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能對(duì)精確量進(jìn)行處理，但經(jīng)模糊推理后輸出的結(jié)果是模糊量，所以對(duì)輸出進(jìn)行去模糊化，有時(shí)還需進(jìn)行論域的變換。 FIS 編輯器 FIS 可被看做為一種層次結(jié)構(gòu)，模糊推理系統(tǒng)通過(guò)它來(lái)表示和儲(chǔ)存。 隸屬函數(shù)編輯器 雙擊 input 圖標(biāo)方塊打開隸屬函數(shù)編輯器，如圖 所示， 圖 隸屬函數(shù)編輯器 在 1 區(qū)域的 Edit 中選擇 Add MFs… 可添加隸屬函數(shù)，點(diǎn)擊 3 區(qū)域的 4 隸屬函數(shù)圖像，在 5 區(qū)域的 Name 顯示框修改選定隸屬函數(shù)的名字，在 6 區(qū)域選擇隸屬函數(shù)的類型，在 7 區(qū)域設(shè)置隸屬函數(shù)的具體參數(shù)，當(dāng)對(duì) 10 區(qū)域修改時(shí)， 9 區(qū)域的會(huì)自動(dòng)改變?yōu)榕c 10 區(qū)域相同的范圍。 (4) 二元對(duì)比排序法 。本次采用 Mamdani 方法，其推理過(guò)程如下： Rule1:If input1 is LE and input2 is RB then output is PS Rule2:If input1 is LE and input2 is RV then output is ZE Rule3:If input1 is LE and input2 is RU then output is NS Rule4: If input1 is LE and input2 is RB then output is NM ?? Rule49: If input1 is RO and input2 is LB then output is ZE 基于模糊控制的車輛自動(dòng)泊車 20 模糊規(guī)則的編輯如圖 所示 : 圖 自動(dòng)泊車模糊規(guī)則編輯器 模糊規(guī)則如表 所示，其中第一行與第一列分別表示輸入變量的語(yǔ)言變量，前者是參考點(diǎn)的橫坐標(biāo) x,后者是車身角 ? 的大小，其余為輸出變量轉(zhuǎn)向角 ? 的語(yǔ)言變量。 GUI 里面包含了豐富的組件，一共有 10 種不同類型：按鈕，靜態(tài)文本框，可編輯文本框，單選按鈕，復(fù)選按鈕，滑動(dòng)條 ,下拉菜單，下拉列表框，雙位按鈕和坐標(biāo)軸。 按鈕：是最常用的組件，當(dāng)被鼠標(biāo)單擊時(shí)將會(huì)執(zhí)行指定程序；在初始情況下，默認(rèn)按鈕處于上突狀態(tài)，單擊后處于下凹狀態(tài)，結(jié)束單擊時(shí)又返回初始狀態(tài)，所以按鈕的狀態(tài)可以隨時(shí)改變，改變一次執(zhí)行一次動(dòng)作，但其屬性不能改變。FontName39。 同理，通過(guò) uicontrol 建立另一個(gè)下壓按鈕，命名為 ?Close?,安放在 ?Clear All?的右下角，字體的設(shè)置同上，返回函數(shù) ?CallBack?名字為 ?guictrl clos?。 同理，通過(guò)通過(guò) uicontrol 建立一個(gè)復(fù)選框，命名為 ?Trail Boundary?,安放在 ?Trail Rear Tyres?下面，返回函數(shù)命名為 ?VBnd?,表示是否顯示小 車邊界軌跡。 ]以外，情況同上，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，汽車前輪的最大轉(zhuǎn)向角包括內(nèi)輪的最大轉(zhuǎn)角和外輪最大轉(zhuǎn)角，前者是176。 后邊界中心的坐標(biāo)：（ xrc， yrc） 。c os d(V a ng )*(W / 2) yfc yfl 。c os d(V a ng )*T L e n/ 2 rt xl rt xl r （ ） 同理，找到右后輪中心點(diǎn)的坐標(biāo)（ rtxr,rtyr） ??? ? ?? 。c os d(V a ng )* W / 2yfx ft yr 。 自動(dòng)泊車的仿真 下面進(jìn)行仿真。第三組參考點(diǎn)起始坐標(biāo)為（ 100,20），車輛夾角為 90176。本文對(duì)車輛進(jìn)行研究分析，對(duì)其簡(jiǎn)化建模，建立了其在低速運(yùn)行下的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)了建立模糊控制器，在 MATLAB GUI 界面上進(jìn)行了泊車仿真。 從開題到最后的答辯，于雙和老師給了我無(wú)微不至的關(guān)心，他耐心的為我講解我的困