多傳感器融合的自動泊車建圖定位研究

安林芳 宋圓圓

摘 要：自動泊車系統(tǒng)中的建圖定位不僅負(fù)責(zé)對車輛周圍信息進(jìn)行感知和建模，還包括對車輛自身進(jìn)行定位和跟蹤反饋。建圖定位為后續(xù)自動泊車的路徑規(guī)劃、決策控制提供依據(jù)，是整個泊車系統(tǒng)的根本基礎(chǔ)，也是決定車輛自動泊車質(zhì)量的直接因素。鑒于此，總結(jié)了近年來自動泊車系統(tǒng)建圖定位方法的相關(guān)研究成果，對涉及的各類技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，推斷出今后關(guān)注的重點(diǎn)將是利用各類傳感器、算法的融合，實(shí)現(xiàn)對泊車環(huán)境更加客觀的清晰描述，控制算法將更加高效精準(zhǔn)且穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：自動泊車;建圖定位;路徑規(guī)劃;決策控制;自動駕駛

中圖分類號：U463.6;TN967 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0021-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.006

0 ? ?引言

自動泊車系統(tǒng)作為自動駕駛技術(shù)中不可缺少的一部分，正越來越多地走進(jìn)人們的生活，該功能的成功運(yùn)用能夠有效降低用戶泊車難度，解決新手駕駛員泊車難問題。建圖定位模塊是自動泊車功能順利實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，主要任務(wù)是為泊車全過程提供準(zhǔn)確、實(shí)時定位的地圖信息，保證泊車安全順利進(jìn)行。目前國內(nèi)并不是所有車型都配備了自動泊車系統(tǒng)，自動泊車系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用依賴其基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，因此，建圖定位技術(shù)研究能夠?qū)a(chǎn)汽車的泊車系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展起到積極的推動、促進(jìn)作用。

1 ? ?自動泊車系統(tǒng)

自動泊車系統(tǒng)首先利用車輛配置的各種傳感器獲取車輛周圍的環(huán)境信息，在車位掃描完成后向人機(jī)交互或控制決策模塊輸出可停車位;然后根據(jù)建立的地圖和定位信息，系統(tǒng)規(guī)劃出一條最優(yōu)的泊車路徑并完成泊車過程[1]。在此過程中，通過智能控制解決駕駛員“我在哪” “我要去哪”以及“我怎么去”這3個重要問題[2]，幫助駕駛員快速、安全地完成泊車操作。

為保證車輛能夠順利完成整個泊車入庫過程，自動泊車控制系統(tǒng)可分為建圖定位、路徑規(guī)劃和控制決策3個模塊，如圖1所示。駕駛員通過操作車輛的人機(jī)交互界面開啟自動泊車功能，車輛開始低速行駛，這個過程中建圖定位模塊利用超聲波傳感器、攝像頭、車身傳感器等進(jìn)行周圍環(huán)境信息的采集，掃描和識別可停車位，同時保證對車輛本身的實(shí)時定位和跟蹤;路徑規(guī)劃模塊根據(jù)建圖定位模塊輸出的地圖和定位信息進(jìn)行車輛泊車路線的規(guī)劃;控制決策模塊主要按照規(guī)劃路徑和實(shí)時地圖對車輛進(jìn)行執(zhí)行控制，通過EPS、擋位、車速等控制最終實(shí)現(xiàn)自動泊車。

按照泊車過程分析，整個自動泊車過程可分為尋找可停車位和泊入已選車位兩個步驟，其工作流程和結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 ? ?建圖定位關(guān)鍵技術(shù)

建圖定位模塊的關(guān)鍵技術(shù)主要包括車輛本身定位和車位地圖掃描兩個部分。該模塊需要完成車輛周圍信息的感知和建模，車輛自身的定位和跟蹤反饋，所建立的地圖和定位信息是自動泊車路徑規(guī)劃和控制決策模塊的根本基礎(chǔ)，也是決定車輛自動泊車質(zhì)量的直接因素。

2.1 ? ?定位技術(shù)

根據(jù)車輛配置的不同，對自動泊車常用的定位技術(shù)總結(jié)介紹如下。

2.1.1 ? ?電子信號定位技術(shù)

基于電子信號的定位最典型的就是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。目前使用較多的GPS的基本定位原理就是利用三顆衛(wèi)星球面交匯確定目標(biāo)點(diǎn)絕對位置，如圖3（a）所示。受諸多因素影響，車載GPS的精度雖然能達(dá)到3～4 m，但是并不能滿足自動泊車系統(tǒng)的定位精度要求，所以一般采用衛(wèi)星實(shí)時動態(tài)差分技術(shù)來提高定位的精度。

差分技術(shù)原理是已知基站的精確位置坐標(biāo)，利用多個衛(wèi)星發(fā)信號到基站，計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離修正數(shù)，用戶通過實(shí)時接收修正數(shù)來修正錯誤的定位結(jié)果[3]，如圖3（b）所示。

2.1.2 ? ?航跡推算定位技術(shù)

基于航跡推算的定位主要采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和里程計。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)建立在慣性原理的基礎(chǔ)上，由車輛IMU全天候地輸出六自由度的信息，包括x、y、z、roll、pitch和yaw。其基本原理是首先由測量的角速度積分推算姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)信息將測量的加速度投影到導(dǎo)航坐標(biāo)系，進(jìn)而對投影后的加速度去除重力后進(jìn)行積分推算位置[4]，因此系統(tǒng)誤差會隨著時間累計成為慣性導(dǎo)航中最大的問題。

里程計定位是基于車輛輪速傳感器的應(yīng)用，通過標(biāo)定的方法獲得單位脈沖的距離，再通過對脈沖計數(shù)計算車輪行駛的距離，進(jìn)而獲得車輛的航向角和當(dāng)前位姿。以圖2所示車輛配置傳感器的情況為例，對基于輪脈沖的里程計定位算法介紹如下。

（1）脈沖系數(shù)標(biāo)定。

以輪脈沖傳感器作為定位模塊的主要傳感器，輪脈沖通過標(biāo)定可以獲取車輛單位脈沖行駛的距離，即脈沖系數(shù)。分別標(biāo)定車輛驅(qū)動輪左右兩側(cè)脈沖系數(shù)，通過脈沖計數(shù)可獲得車輛行駛距離，如式（1）（2）所示：

SL=NL×LL（1）

SR=NR×LR（2）

式中：SL、SR分別表示左側(cè)驅(qū)動輪、右側(cè)驅(qū)動輪行駛的距離;NL、NR分別表示左、右驅(qū)動輪脈沖系數(shù);LL、LR分別表示左、右驅(qū)動輪脈沖計數(shù)。

（2）車輛EPS轉(zhuǎn)角標(biāo)定。

采用半圓標(biāo)定法對EPS轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行標(biāo)定，原理如圖4所示。首先將待標(biāo)定車輛停在標(biāo)有直線的測試場地，將車輛的后軸中心與直線重合，控制EPS轉(zhuǎn)角為待標(biāo)定值，將兩后輪外側(cè)對地點(diǎn)標(biāo)記為L0、R0;然后保持EPS轉(zhuǎn)角不變，車輛以較低的速度穩(wěn)定行駛轉(zhuǎn)過180°，將兩后輪外側(cè)對地點(diǎn)標(biāo)記為L1、R1，測量（L0，L1）和（R0，R1）之間的距離，分別為DL、DR，計算車輛轉(zhuǎn)彎半徑為R=（DL+DR）/2。采用如圖5所示表格對EPS轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行記錄，用于定位查表計算。

（3）定位跟蹤計算。

以后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向車輛為例，對車輛定位推算建立如圖6所示模型。

通過對左右兩側(cè)輪脈沖系數(shù)標(biāo)定得到左右兩側(cè)車輪行駛距離，如式（1）（2）所示，可得車輛后軸中心行駛距離如下：

S=（SL+SR）/2 （3）

利用查表法（圖5）獲取當(dāng)前EPS轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)彎半徑R，由圖6可知：

θ1=θ2 （4）

θ1=S/R（5）

因此，定位模塊輸出車輛姿態(tài)信息如下：

x=Rcos θ-R（6）

y=Rsin θ（7）

θ=（NL×LL+NR×LR）/（2R）（8）

2.1.3 ? ?環(huán)境特征匹配定位技術(shù)

基于環(huán)境特征匹配的定位技術(shù)最典型的應(yīng)用是激光雷達(dá)技術(shù)。激光雷達(dá)以激光為載波，形成點(diǎn)云形式的數(shù)據(jù)，通過發(fā)射信號和反射信號進(jìn)行測距測速和識別。激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射器、激光接收器和光學(xué)掃描鏡三部分組成，基本工作過程是激光發(fā)射系統(tǒng)將電脈沖轉(zhuǎn)換為光脈沖發(fā)出，激光脈沖在障礙物表面發(fā)生漫反射，部分反射光束會沿著和入射光束一樣的方向返回。在光速已知的情況下，通過測量發(fā)射至接收脈沖的時間差計算出距離。

2.2 ? ?車位識別技術(shù)

以圖2所示車輛配置的超聲波傳感器和攝像頭情況為例，車位識別主要涉及兩種技術(shù)：一種是通過車輛超聲波傳感器進(jìn)行車位障礙物的識別和矯正，另一種是通過攝像頭進(jìn)行車位線的識別和矯正。

尋庫階段主要任務(wù)是對車位進(jìn)行掃描和識別，尋找可停車位;入庫階段主要任務(wù)是在確定泊入庫位后，通過車輛前后攝像頭和超聲波傳感器實(shí)時對庫位信息進(jìn)行矯正，更新庫位地圖，以保證車輛安全、順利、準(zhǔn)確地完成泊入。

2.2.1 ? ?超聲波邊緣檢測技術(shù)

尋庫階段對車位進(jìn)行掃描和識別，主要是利用超聲波對障礙物邊界進(jìn)行檢測，從而確定可停庫位的邊緣。通過車輛上側(cè)面安裝的超聲波傳感器，在車輛行進(jìn)過程中實(shí)時收集數(shù)據(jù)，確定環(huán)境中的障礙物情況。其原理如圖7所示。

入庫階段超聲波檢測技術(shù)主要對已選定的泊車庫位進(jìn)行矯正和更新，利用車輛上前后安裝的超聲波傳感器，在車輛泊入過程中進(jìn)行障礙物邊界更新。其原理如圖8所示。

2.2.2 ? ?攝像頭車位線檢測技術(shù)

在尋庫階段，利用左右魚眼攝像頭傳感器提供圖像特征信息，通過車位識別算法正確檢測車位的4條邊線，進(jìn)行車位掃描和識別。

在入庫階段，利用前后魚眼攝像頭提供的圖像信息對尋庫結(jié)果進(jìn)行更新，進(jìn)一步提升地圖的精度，保證車輛順利完成泊車控制。

3 ? ?建圖定位測試與評價

對自動泊車建圖定位模塊的評價主要包括對定位算法的評價和對車位地圖的評價兩方面。其中，對定位算法的評價以車輛位姿（x、y、θ）的準(zhǔn)確性、實(shí)時性為測量指標(biāo)和參數(shù);對車位地圖的評價是將算法庫輸出車位與真實(shí)車位進(jìn)行對比，可從車位的漏檢、誤檢以及車位的準(zhǔn)確度3個方面進(jìn)行測試。

4 ? ?結(jié)語

通過總結(jié)和分析可推斷，未來自動泊車系統(tǒng)中建圖定位的各類算法將進(jìn)一步融合，取長補(bǔ)短。利用各類傳感器、算法的融合實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知客觀清晰、控制算法高效精準(zhǔn)且穩(wěn)定，是今后自動泊車技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向;同時自動泊車中應(yīng)用的建圖定位方法可進(jìn)一步推廣至其他自動駕駛領(lǐng)域，對整個自動駕駛技術(shù)的發(fā)展具有普適性。

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收稿日期：2022-03-15

作者簡介：安林芳（1991—），女，河北人，助教，研究方向：自動駕駛、機(jī)電一體化。