智能泊車輔助系統(tǒng)（APA）研究

郭鑫，韓延明，白永，程斌

（華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧 沈陽 110141）

智能泊車輔助系統(tǒng)（APA）研究

郭鑫，韓延明，白永，程斌

（華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧 沈陽 110141）

隨著我國經(jīng)濟的快速增長以及汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，城市中的機動化水平顯著提高，機動車數(shù)量劇增，隨之出現(xiàn)的一系列城市交通問題逐漸突出，其中“車位少，停車難”現(xiàn)象嚴重，因此關(guān)注城市停車問題，已經(jīng)成為一項重要而緊急的工作。

APA；智能泊車；雷達；車位計算；泊車軌跡

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.010

In this paper, we study the advanced parking aid system which is through ultrasonic radar automatically detect the object around the vehicle, through digital signal processing and intelligent algorithm for calculating the length and width information of current parking space, and by automatically turn the steering wheel and HMI operation to adjust vehicle body angle, control vehicles are driven in accordance with the best parking track line, make the driver parking easily, safely, and fast.

This paper introduces the APA system architecture, system using conditions, and the calculation method of the parking space size and the parking track line, through the above content, completely introduce the APA system implementation scheme.

Keyswords:APA; parking, radar; parking space calculation; parking track line

CLC NO.:U463.6 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-28-04

前言

隨著中國乃至全球機動車數(shù)量逐年增加，以及中國城市化高速發(fā)展，城市機動車擁有量與停車位數(shù)量的矛盾也逐漸顯現(xiàn)，截止2013年底，中國已經(jīng)有31個城市汽車保有量超過100萬輛，城市私家車增長速度高達每年20%-30%，按照停車位數(shù)量的國際慣例，中國城市停車位缺口達到50%以上，通過減小停車位面積，在有限的空間里劃分出更多的停車位就成了解決這個問題的主要手段，但駕駛者仍然要面對停車位規(guī)劃不合理，行車道及停車位變窄等問題，泊車依然困難。本文研究的智能泊車輔助系統(tǒng)，可以協(xié)助駕駛者在狹窄地段順利完成泊車操作，降低泊車刮碰的風險。

由于智能泊車輔助系統(tǒng)可以有效解決駕駛者當前遇到的泊車難題，改善靜態(tài)交通狀態(tài)，加大這方面技術(shù)的研究具有現(xiàn)實意義。本文研究的主要內(nèi)容有：APA系統(tǒng)架構(gòu)及原理、系統(tǒng)的使用環(huán)境及條件、車位面積算法和泊車入位等。

1、APA系統(tǒng)架構(gòu)及原理

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1，主要包含的元件有：自動泊車控制器，倒車雷達，APA雷達，揚聲器，系統(tǒng)開關(guān)，LED指示燈，顯示設(shè)備。自動泊車控制器負責處理雷達偵測數(shù)據(jù)，計算障礙物距離，通過CAN總線與其他功能模塊通信，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過顯示器與揚聲器組成的人機界面指導駕駛者操作，本系統(tǒng)具備軟件升級，程序燒入，診斷等功能。

圖1 APA系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 雷達數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)采用超聲波雷達進行距離偵測，在雷達發(fā)射端，利用雷達內(nèi)部陶瓷材料的物理特性進行電能和機械能的轉(zhuǎn)換，將信號以超聲波的形式向外發(fā)射，當遇到障礙物后，產(chǎn)生反射波，被雷達接收端獲取，轉(zhuǎn)換成電信號傳送給控制器進行處理分析。超聲波傳感器測距示意圖如圖2，設(shè)定傳感器到障礙物的距離為S。

其中v是超聲波在空氣中的傳播速度，不是一個常數(shù)，在不同的溫度下會產(chǎn)生最大約10%的誤差，本文將v取值為340m/s，t為超聲波在從發(fā)射端到接收端的時間差，S可以使用公式1計算出來。

圖2 傳感器測距示意圖

1.2 CAN總線通訊

系統(tǒng)通過CAN總線與其他連接到CAN總線的功能控制器通訊，獲取計算車位面積和泊車軌跡的相關(guān)參數(shù)，如方向盤轉(zhuǎn)角，檔位，車速，車輪轉(zhuǎn)動等信息，示意圖如圖3。

圖3 CAN總線連接示意圖

2、APA系統(tǒng)狀態(tài)與工作條件

為滿足APA系統(tǒng)操作邏輯與功能實現(xiàn)，APA系統(tǒng)分為四種狀態(tài)，通過設(shè)定工作條件來區(qū)分不同的工作狀態(tài)，滿足工作條件后可以實現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的互相轉(zhuǎn)化，圖4為系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。APA的實現(xiàn)受較多條件約束，在滿足條件的情況下系統(tǒng)才能正常工作，各狀態(tài)限制條件如下：

系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)：1. IGN 關(guān)閉

系統(tǒng)禁止狀態(tài)：1. IGN 開啟

系統(tǒng)待機狀態(tài)：

（1）非泊車檔位

（2）搜尋車位時車速滿足要求

（3）所有雷達功能正常

（4）系統(tǒng)通訊正常

系統(tǒng)激活狀態(tài)：

APA開關(guān)開啟

圖4 系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)是指當IGN關(guān)閉時，APA系統(tǒng)不上電，處于關(guān)閉狀態(tài)。

系統(tǒng)禁止狀態(tài)是指當IGN開啟后，檔位、車速、雷達功能、系統(tǒng)通訊等條件中有一項不滿足要求時，系統(tǒng)將禁止使用不能工作。

系統(tǒng)待機狀態(tài)是指當工作條件滿足后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，等待系統(tǒng)開關(guān)開啟。

系統(tǒng)激活狀態(tài)時指APA系統(tǒng)開關(guān)開啟后，車輛開始自動搜尋車位指導駕駛員進行泊車。

3、車位偵測算法說明

當系統(tǒng)進入激活狀態(tài)后，駕駛員將車輛沿著道路方向行駛，系統(tǒng)通過安裝在車身上的超聲波雷達自動進行車位偵測，根據(jù)超聲波反射數(shù)據(jù)實時計算車位面積，當系統(tǒng)偵測到有合適的車位適合進行泊車后將指導駕駛員進行泊車入位。下面使用數(shù)學模型對車位偵測算法進行說明，本節(jié)內(nèi)容只介紹算法，相關(guān)的測量和車輛行進距離等誤差不在說明范圍之內(nèi)，這里以水平泊車模式，偵測車輛右方的車位為例。

定義車輛幾何中心點為原點O，車輛前進方向為Y軸，車輛右方為X軸，坐標系如圖5，當系統(tǒng)開始偵測車位，超聲波雷達發(fā)出n個波形后：

車輛中心前進距離為：D（n）超聲波雷達到障礙物的距離為：L（n）雷達傳感器距離X軸和Y軸的距離分別為：d（x）d（y）探測點距坐標系Y軸的距離Sx（n）距X軸的距離Sy（n）可以由下列方程式表示：

圖5 坐標系模型

雷達距離障礙物的距離可以用公式計算：

v是超聲波傳播速度為已知量，t(n)是第n個雷達波從發(fā)射到接受的時間，系統(tǒng)可以自動計算，車輛前進距離可以用公式計算：

V是當前實時車速，可以通過其它傳感器讀出，T是雷達發(fā)射超聲波周期，由系統(tǒng)設(shè)置，將公式（3）和公式（4）帶入到公式（2）中，可以計算出探測點位于坐標系下的位置，圖6是計算后探測點的示意圖：

圖6 探測點坐標模型

坐標系中的每一個探測點到X, Y軸的距離都可以用數(shù)學方程式計算出來，相鄰兩個探測點之間的X方向的距離△Sx和可以用下面的數(shù)學方程式表示：當系統(tǒng)偵測到△Sx的值滿足泊車要求時，將繼續(xù)計算△Sx的值在Y軸方向上持續(xù)的距離是否滿足泊車要求，圖6坐標模型中從m點到n點的△Sx都滿足泊車時車位X方向的距離要求，系統(tǒng)將計算m, n點之間在Y方向上的距離△Sy是否符合要求：如果△Sy的距離也滿足泊車要求，那么系統(tǒng)將把由m-1, m, n, n+1這四個點組成的區(qū)域認定為可以泊車的車位，從而進行自動泊車，如果△Sy的距離不滿足泊車要求，那么系統(tǒng)將繼續(xù)偵測，尋找下一個適合泊車的車位。

4、自動泊車入位

系統(tǒng)偵測到有合適的車位后，將會指導駕駛者進行泊車入位，此時駕駛者控制車速以及檔位，APA系統(tǒng)接管方向盤，控制泊車方向，整個泊車環(huán)節(jié)主要可以分成三個部分：

第一部分是系統(tǒng)控制車輛從準備倒車的位置開始以轉(zhuǎn)向角度θ進行倒車操作，直到車輛尾部接近車位，如圖7所示：

圖7 倒車示意圖1

第二部分是APA系統(tǒng)反向調(diào)整轉(zhuǎn)向角θ，將車輛從接近車位位置泊車入車位，如圖8所示。

經(jīng)過前兩步操作，車輛基本已經(jīng)處于目標車位內(nèi)，第三部分是系統(tǒng)控制車輛在車位內(nèi)前后行進，調(diào)整車身位置使其完全處于車位內(nèi)部，并且保持車身水平。

圖8 倒車示意圖2

5、智能泊車輔助系統(tǒng)發(fā)展趨勢和研究方向

目前APA系統(tǒng)能夠自動偵測車位，指導駕駛員泊車入位，適應(yīng)多種泊車環(huán)境，已經(jīng)在多款中高檔車上應(yīng)用，但仍然需要駕駛者控制車速和檔位，無法實現(xiàn)全自動泊車，在智能化程度和算法誤差上仍然需要提升改進，實現(xiàn)全自動泊車和完善算法誤差將會是智能泊車輔助系統(tǒng)下一步的研究方向。

未來實現(xiàn)汽車自動駕駛將是全世界汽車行業(yè)的共同目標，智能泊車輔助系統(tǒng)作為自動駕駛的重要組成成員，具有廣闊的發(fā)展空間和研究價值。

6、總結(jié)

本文主要介紹了APA系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)、算法等基本內(nèi)容，智能泊車輔助系統(tǒng)作為汽車智能化發(fā)展的代表功能，在今后的汽車發(fā)展中將會更好的改善駕駛舒適性和安全性，目前使用的智能泊車輔助系統(tǒng)還無法真正意義上實現(xiàn)自動化泊車，還有許多工作需要繼續(xù)去做。

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[3] 吳諧.智能泊車輔助系統(tǒng)研究[D]. 南京:南京理工大學.2008.

3、結(jié)論

某轎車是緊湊型轎車，立足國內(nèi)市場，逐步推向國際市場。車門內(nèi)飾板的設(shè)計開發(fā)，首先要滿足法規(guī)要求和人機工程要求。其次結(jié)構(gòu)設(shè)計上，在滿足造型、性能及制造工藝要求的前提下，要盡量簡單，分塊做到最少，以減少模具的開發(fā)套數(shù)。既能響應(yīng)公司的四化要求，又能降低開發(fā)成本。

參考文獻

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[3] 技術(shù)中心設(shè)計指南.技術(shù)中心[M]主編.

Research on Advanced Parking Aid (APA)

Guo Xin, Han Yanming, Bai Yong, Cheng Bin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

With the rapid growth of China's economy and the vigorous development of the auto industry, urban motorizetion level increased significantly, in the motor vehicle to flourish, result in series of city traffic problem increasingly prominent, the phenomenon of "less parking spaces, parking hard" is serious, so pay close attention to urban parking problems, has become an important and urgent work.

U463.6

A

1671-7988(2016)01-28-04

郭鑫，就職于華晨汽車工程研究院電子工程室。

文章研究的智能泊車輔助系統(tǒng)（APA）是通過超聲波雷達自動偵測車輛附近的障礙物，使用數(shù)字信號處理及智能算法獲取當前停車位的長度和寬度信息，通過自動轉(zhuǎn)動方向盤調(diào)節(jié)車身角度和人機界面操作控制車輛按照最佳的泊車軌跡行駛，使駕駛員輕松，安全，快速的完成泊車入位。

文章著重介紹APA系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)使用條件、車位大小計算方法，泊車軌跡等內(nèi)容，闡述完整的APA系統(tǒng)實現(xiàn)方案。