ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2010, № 3, с. 135-144
= СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ
УДК 62-50
АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПАРКОВКОЙ АВТОМОБИЛЯ*
© 2010 г. А. А. Жданов, В. В. Королев, А. Е. Утемов
Москва, ИТМиВТ им. С.А. Лебедева РАН, ИПМех РАН Поступила в редакцию 30.10.09 г.
Представлены первые результаты по разработке и реализации адаптивной системы управления парковкой автомобиля. Рассматриваемый подход к построению системы управления автомобилем отличается от общепринятого [1—3] и основывается на методе автономного адаптивного управления [4], созданного в исследовательской группе А.А. Жданова. В данном методе управление автомобилем, обучение и переобучение системы управления осуществляется в одном процессе с соблюдением необходимых условий и ограничений. Это позволяет управляющей системе приспосабливаться к параметрам конкретного автомобиля и автоматически перенастраиваться, если эти параметры изменяются в процессе эксплуатации автомобиля. В статье описана программа, моделирующая на компьютере парковку автомобиля в соответствии с развиваемыми принципами. Приводятся примеры парковки автомобиля для некоторых частных случаев расположения препятствий и парковочного места на стоянке.
Введение. Задача поиска пути транспортного средства является фундаментальной в роботостроении, и на ее решение было направлено множество усилий в последние десятилетия [1—3, 5—7]. Тем не менее из-за сложности и объемности данной задачи ее решение удалось найти только для некоторых частных случаев. При этом вопрос о решениях для целого ряда важных практических задач поиска пути остается открытым. Задача осложняется также тем, что при планировании пути в основном используются весьма упрощенные модели реальных объектов управления [1, 2, 5]. Это позволяет достичь некоторых теоретических результатов, но не допускает их применения на практике из-за существенных различий между моделью и реальным автомобилем.
В работе рассматривается важный частный случай — поиск свободного пути в пространстве с препятствиями для объекта, обладающего физическими размерами и двигающегося по кусочно-гладким кривым с ограниченным снизу радиусом кривизны. Типичными примерами таких объектов являются автомобили, конструктивная особенность которых ограничивает радиус поворота. Описывается созданная система управления, основанная на методе автономного адаптивного управления (ААУ), которая не только находит приближенный путь для автомобиля, но и улучшает качество отработки маневра за счет приспособления к индивидуальным особенностям транспортного средства. Проверка работоспособности
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 08-08-00292).
алгоритма осуществляется на задаче параллельной парковки автомобиля.
Метод ААУ, который используется в данной работе, описан в ряде публикаций. В [4] приводится его краткое представление. Более подробное изложение метода дано в монографии [8], в которой также содержатся примеры некоторых прикладных управляемых систем, реализованных на его основе.
Для того, чтобы подойти к применению метода ААУ в обсуждаемой задаче, авторы выполнили несколько промежуточных этапов. В [9] представлены первые результаты по разработке автоматической системы управления процессом параллельной парковки автомобиля, отражены способ аналитического решения задачи и численное моделирование процесса парковки автомобиля на компьютере. Также здесь рассмотрены примеры параллельной парковки автомобиля для некоторых частных случаев расположения препятствий и парковочного места на стоянке.
Приведем далее краткий обзор существующих систем автоматической парковки, задействованных на серийных автомобилях известными автопроизводителями. Первой фирмой, установившей систему автоматической парковки на одном из своих серийных автомобилей, стала японская "Toyota". В 2003 г. систему "Intelligent Parking Assist" (IPA) получил гибридомобиль для японского рынка "Toyota Prius". В режиме парковки руль такого автомобиля крутится автоматически, но водитель сам подает автомобиль вперед-назад, а также перед парковкой "помечает" ориентиры на дисплее камеры заднего вида. Когда спустя три
года эту опцию за 700 долл. предложили англичанам, то ее выбрали почти 70% покупателей.
Затем в 2005 г. французский автоконцерн "Citroen" запустил производство компактного городского автомобиля "Citroen C3" с установленной на нем системой помощи при парковке "City Park". Эта система выполняет две функции. Первая заключается в поиске места для парковки, а вторая помогает водителю запарковаться на найденное место. Работает данная система следующим образом. Водитель активирует датчик поиска места для парковки при помощи клавиши, расположенной на центральной консоли. По умолчанию система ищет свободное место с правой стороны, а при включении левого указателя поворота — с левой стороны. Данное устройство работает на скорости ниже 25 км/ч и состоит из трех датчиков, которые позволяют определить расстояния до соседних препятствий. Эти датчики располагаются в переднем и заднем бамперах автомобиля. При обнаружении достаточного места для парковки раздается звуковой сигнал. В этом случае водитель может включить систему помощи при парковке, остановить автомобиль и начать маневр. Водителю не надо вращать рулевое колесо, достаточно направлять машину вперед/назад согласно звуковым и визуальным инструкциям, которые подает система. Систему можно отключить, в любой момент повернув руль, например, если водитель сам решит завершить маневр парковки.
В 2006 г. немецкая фирма "Volkswagen" предложила покупателям компактного минивена "Tou-ran" в качестве дополнительной опции систему автоматической парковки "Park Assist Vision". В основе этой системы, разработанной французской фирмой "Valeo", лежат ультразвуковые датчики-сонары (по четыре в каждом бампере и по одному в передних крыльях автомобиля) и блок управления. Приближаясь к месту предполагаемой стоянки, водителю для запуска системы автоматической парковки необходимо нажать специальную кнопку на панели приборов и затем двигаться не более чем в 1.5 м от ряда припаркованных автомобилей со скоростью менее 30 км/ч. Как только ультразвуковые датчики обнаружат свободное место (длина машины плюс 1.4 м), система подает сигнал об обнаружении достаточного пространства для парковки. Далее водитель останавливает автомобиль, включает заднюю передачу, отпускает руль и медленно подает машину назад. При этом электроусилитель руля самостоятельно вращает рулевое колесо. Затем, после следующего сигнала системы, водителю необходимо нажать на педаль тормоза и включить первую передачу для подачи автомобиля вперед. На заключительном этапе система автоматически поворачивает руль, устанавливая передние колеса прямо.
Основные минусы описанных выше автоматических систем парковки заключаются в их нестабильной работе при небольших размерах парковоч-ного места, а также в необходимости постоянного контроля водителем окружающей обстановки. Последнее связано с тем, что эти системы не всегда могут обнаружить небольшие препятствия вокруг автомобиля. Кроме того, к недостаткам можно отнести неработоспособность данных систем в случаях, когда автомобиль требуется запарковать в небольшое пространство с помощью нескольких точных маневров.
Другой подход к автоматической парковке автомобиля развили инженеры немецкого концерна BMW, разработав систему "Remote Park Assist". Работает эта система следующим образом. Водитель подает извне команду на парковку машине. Далее автомобиль паркуется самостоятельно без участия человека. На данный момент эта система позволяет запарковать автомобиль только в гараж, оборудованный специальным светоотража-телем. При этом водителю необходимо первый раз самостоятельно въехать в гараж, записав тем самым в память системы точную траекторию движения автомобиля и момент остановки.
1. Постановка задачи и описание модели. Рассмотрим задачу управления автомобилем в плоском, двумерном случае на полубесконечном интервале времени (t > 0). Автомобиль представлен как плоское твердое тело произвольной формы, обладающее габаритной шириной w и габаритной длинной l. Его проекцию на плоскость в момент времени t обозначим через C(t). Предполагается, что на плоскости определена некоторая территория стоянки автомобилей P. Считаем, что в любой момент времени автомобиль находится на территории стоянки
C с P Vt > 0. (1.1)
Кроме автомобиля C на территории могут располагаться другие объекты, в том числе и неподвижные автомобили. Будем называть эти объекты препятствиями и обозначать множества, которые они занимают на территории стоянки, через Д, D2, ...,Dn, где n — общее количество препятствий (n > 0). Форма препятствий в проекции на плоскость может быть различной: прямоугольной, круглой, овальной или другой (рис. 1). Полагаем, что площадь проекции автомобиля на плоскость не может пересекать площади препятствий
с n d, = 0,vt > о, i = ПЯ (1.2)
где 0 — пустое множество.
Пусть на территории стоянки P определен прямоугольник A — парковочное место автомобиля, причем длина и ширина этого прямоугольника больше соответственно величин l и w. В противном случае автомобиль не может быть поме-
щен (запаркован) на множество А. Считаем, что на парковочном месте нет препятствий
А П А = 0, I = М. (1.3)
Полагаем, что у автомобиля С ведущими являются задние колеса, которые, двигаясь без проскальзывания, обеспечивают своим геометрическим центрам постоянную линейную скорость V. Примем также, что направление этой скорости может изменяться на обратное за нулевое время, т.е. автомобиль, двигаясь вперед или назад, может резко затормозить и начать двигаться в обратную сторону. Управление автомобилем осуществляется за счет поворота передних колес посредством руля на углы а! (левого колеса) и а 2 (правого колеса), величины которых, могут варьироваться в пределах
-а0 < а < а0, -а0 < а2 < а0, (1.4)
где а 0 — заданная величина, характеризующая максимально возможный угол поворота передних колес. Будем считать, что радианная мера этого угла не превышает величины п / 3
0 < а0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.