基于超聲波雷達(dá)的APS環(huán)境感知模塊研究

關(guān)鍵詞：自動(dòng)泊車 環(huán)境感知 超聲波雷達(dá)

近年來，由于我國(guó)汽車保有量逐年遞增，這一現(xiàn)象導(dǎo)致了一系列問題的出現(xiàn)，其中車位緊張問題尤為突出，也導(dǎo)致了在一些不規(guī)則、狹小的區(qū)域出現(xiàn)了越來越多的臨時(shí)停車場(chǎng)。對(duì)于一些新手駕駛員，尋找車位以及泊車的能力也面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此，由于駕駛經(jīng)驗(yàn)不足與駕駛?cè)藬?shù)總體增長(zhǎng)的原因，泊車環(huán)節(jié)出現(xiàn)剮蹭等事故的數(shù)量逐年增長(zhǎng)[1]。

目前傳感器主要使用測(cè)距傳感器和視覺傳感器兩類。本文研究基于測(cè)距傳感器的車位檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)平行、垂直、斜列三種泊車場(chǎng)景進(jìn)行研究。當(dāng)然，目前也有業(yè)內(nèi)人士采用攝像頭等視覺傳感器進(jìn)行車位檢測(cè)，但是成本偏高是其普及需要面臨的一個(gè)難題。

1 自動(dòng)泊車系統(tǒng)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)指我們?cè)诓窜嚨倪^程中，汽車?yán)米陨淼膫鞲衅鬟M(jìn)行車位的識(shí)別，以及自動(dòng)泊車入位。其中車位的識(shí)別過程由該系統(tǒng)的環(huán)境感知模塊完成，感知模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后傳送給中央處理器，再通過車輛決策控制系統(tǒng)規(guī)劃出泊車路線，并最終泊車入位。當(dāng)然，由于電子信號(hào)始終會(huì)存在一定的不穩(wěn)定性，該系統(tǒng)可隨時(shí)接受駕駛員的手動(dòng)控制而終止自動(dòng)泊車過程，最大限度的保證安全性。

2 泊車空間檢測(cè)

2.1 超聲波傳感器原理論述

超聲波雷達(dá)是利用傳感器內(nèi)的超聲波傳感器發(fā)射出40KHz 的超聲波，由接收傳感器接收經(jīng)障礙物反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波反射接收的時(shí)間差，由控制單元內(nèi)的 CPU處理換算成距離。按照超聲波傳感器的工作原理，頻率與靈敏度成正比。超聲波雷達(dá)防水、防塵，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。探測(cè)范圍在0.1-3 米之間，而且精度較高，成本低廉，因此非常適合應(yīng)用于泊車。

超聲波雷達(dá)一般安裝在汽車的前后保險(xiǎn)杠或者側(cè)面，前者一般為UPA 超聲波雷達(dá)，而后者一般為APA 雷達(dá)。兩款雷達(dá)的探測(cè)范圍和區(qū)域也不太相同。UPA 的探測(cè)距離一般在15--250cm 之間，主要用于測(cè)量汽車前后方的障礙物;APA 的探測(cè)距離一般在30--500cm 之間。APA 的探測(cè)范圍更遠(yuǎn)，因此相比于UPA 成本更高，功率也更大。APA 的探測(cè)距離優(yōu)勢(shì)讓它不僅能夠檢測(cè)左右側(cè)的障礙物，而且還能根據(jù)超聲波雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)判斷停車庫位是否存在[2]。超聲波示意圖如下圖1 所示：

2.2 算法設(shè)計(jì)

（1）啟動(dòng)自動(dòng)泊車系統(tǒng)之后，為了確保雷達(dá)掃描的精確性，車速最大不超過5km/h。

（2）雷達(dá)測(cè)距得到的數(shù)據(jù)需要儲(chǔ)存，則需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩存器，其大小應(yīng)大于設(shè)定的最大車位長(zhǎng)度閾值除以車速。

（3）分析數(shù)據(jù)得到車位大致的起點(diǎn)與終點(diǎn)。當(dāng)雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示突變時(shí)，則判別為檢測(cè)到障礙物;為了提高精確性，當(dāng)只有1 個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生突變時(shí)，則視此數(shù)據(jù)為誤差。

（4）如圖1 所示平行泊車示意圖，目標(biāo)車輛1 按道路向前行駛，會(huì)依次通過障礙車輛1、目標(biāo)泊車位以及障礙車輛2。目標(biāo)車輛會(huì)與障礙車輛之間保持一定的距離，分別記為Y1 和Y2（如圖所示），為了最大程度的保證泊車安全性，取Y1 和Y2 中的小值。同時(shí)，為了保證安全性與泊車過程的精確性，目標(biāo)車輛應(yīng)與障礙車輛保持足夠的橫向間距，一般在1.8m 以內(nèi)。雷達(dá)距離的波段如圖所示，當(dāng)經(jīng)過障礙車輛1 到達(dá)泊車位后，距離會(huì)經(jīng)歷一次突變，此點(diǎn)為泊車車位的起點(diǎn);繼續(xù)向前行駛到達(dá)到達(dá)障礙車輛2 后，距離會(huì)第二次突變，此時(shí)可記為檢測(cè)到車位的終點(diǎn)。根據(jù)目標(biāo)車輛從3 車位起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的速度和時(shí)間算出車位長(zhǎng)度L，以此為依據(jù)判別車位是否有效。

垂直車位的檢測(cè)原理跟方法與平行車位大體相同，都是通過對(duì)雷達(dá)傳感器檢測(cè)到的距離跳變進(jìn)行分析，對(duì)采集到的車位尺寸與約束條件進(jìn)行對(duì)比，滿足條件即可視為垂直車位。

（5）利用最小二乘法擬合緩存器中的數(shù)據(jù)，可以得出車輛行進(jìn)軌跡與泊車位之間的夾角，根據(jù)這個(gè)信息可以對(duì)車位長(zhǎng)度L 進(jìn)行修正，從而提高準(zhǔn)確性。車位檢測(cè)完畢后，根據(jù)計(jì)算出來的車位長(zhǎng)度L 判斷是否滿足泊車條件，如果滿足，則開始后續(xù)操作。

4 場(chǎng)景分析

本文考慮平行車位、垂直車位和斜列車位三種且車位前后或左右都有障礙車輛的情形，平行和垂直車位檢測(cè)原理上面已經(jīng)論述，以下只對(duì)兩種車位形式車位內(nèi)存在障礙物的情況就行研究，針對(duì)斜列車位將做詳細(xì)論述。

4.1 平行車位檢測(cè)

如圖2 所示，當(dāng)我們的泊車空間內(nèi)存在障礙物時(shí)，此時(shí)傳感器檢測(cè)到的距離二次突變的點(diǎn)并非障礙車輛二的車尾了，而是該障礙物的左邊界，根據(jù)此車位前后約束條件得出的L 作為車位是否有效地判定條件，若判定此車位有效，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的泊車操作。

4.2 垂直車位檢測(cè)

垂直車位的檢測(cè)原理與平行車位類似，雷達(dá)的測(cè)距數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過兩次突變，只不過兩次突變之間的距離為車位寬度;當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)到障礙物之后，距離會(huì)有所減小，若此時(shí)減小之后的距離仍然大于最小車位長(zhǎng)度，且兩次常規(guī)數(shù)據(jù)跳變之間的距離大于最小車位寬度，則判定車位有效，反之車位無效。

4.3 斜列車位檢測(cè)

上圖為斜列車位示意圖，因?yàn)槠淇臻g布局與平行和垂直車位大相徑庭，所以傳感器采集的數(shù)據(jù)并不能代表此車位的真實(shí)尺寸，并不能通過檢測(cè)車位的長(zhǎng)L 和寬W 來完成有效地車位構(gòu)建，需要通過車位斜率K 來進(jìn)一步判斷車位類型。

開啟系統(tǒng)后，目標(biāo)車輛3 沿路徑行駛，此時(shí)右側(cè)沒有障礙物，記右側(cè)的空間距離為Y，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到障礙車輛1 時(shí)，傳感器采集到的距離會(huì)開始變化;繼續(xù)向前行駛，距離會(huì)逐漸變小直到A1 點(diǎn)達(dá)到最小值，記錄為y;繼續(xù)向前行駛，車輛通過B1 點(diǎn)后，距離會(huì)產(chǎn)生突變，記錄此時(shí)時(shí)間為T1;繼續(xù)向前行駛，距離會(huì)產(chǎn)生一些微量變化，記為W=Y-y;繼續(xù)向前行駛，記目標(biāo)車輛3 經(jīng)過c 點(diǎn)的時(shí)間為T2，之后距離又開始變化直到A2 點(diǎn)到達(dá)最小值，記錄此時(shí)時(shí)間為T3;在T1-T3 時(shí)間段對(duì)目標(biāo)車輛3 的速度進(jìn)行積分，便可得到泊車位的L，對(duì)目標(biāo)車輛3 的速度在T1-T2 時(shí)間段上進(jìn)行積分可得距離S，記X=L-S，則斜率K=W/X。

當(dāng)我們需要泊車入位時(shí)，開啟系統(tǒng)搜索泊車位，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給處理器，處理器則計(jì)算判斷是否滿足約束條件：tan30 ° ≤ K ≤ tan60 °，L ≥ 2.8m，W ≥ 6m。

5 結(jié)語

由于超聲波雷達(dá)傳感器性價(jià)比高，環(huán)境適應(yīng)能力、穩(wěn)定性強(qiáng)，早已在各類汽車產(chǎn)品上大顯身手，其功用也是各異。本文基于不同種車位尺寸的約束條件下，根據(jù)安裝在車身相應(yīng)部位的超聲波傳感器采集到的車位尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，驗(yàn)證了其在車位檢測(cè)功能上應(yīng)用的可行性，可以得出自動(dòng)泊車系統(tǒng)可以為我們?nèi)粘５牟窜囘^程提供極大的便利性，在汽車市場(chǎng)有著廣闊的前景;該車位檢測(cè)功能也為自動(dòng)泊車系統(tǒng)后續(xù)的路徑規(guī)劃與路徑跟蹤提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。