基于超聲波和毫米波雷達(dá)的泊車感知系統(tǒng)研究

閆力博，陳彩霞，韓曉惠

（廣東省智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心有限公司，廣東 廣州 511400）

隨著科技的進(jìn)步，人工智能的興起，自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展迅猛，越來越多的汽車配備了先進(jìn)的輔助駕駛系統(tǒng)，其中自動(dòng)泊車作為一項(xiàng)L2級(jí)別的輔助駕駛，深受新手司機(jī)的喜愛。自動(dòng)泊車系統(tǒng)由環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、跟隨控制和人機(jī)交互（Human Machine Interface, HMI）等部分構(gòu)成，環(huán)境感知作為自動(dòng)泊車系統(tǒng)的重要組成部分，其檢測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確，覆蓋范圍越大，對(duì)泊車的安全性越有保障。

目前主流的環(huán)境感知方案通常采用收發(fā)一體的超聲波傳感器，用于探測(cè)障礙物的距離和空間信息，但由于超聲波傳感器受其物理特性的限制，探測(cè)距離在0.2～5 m之間，在泊車的過程中，若遇到后方遠(yuǎn)距離來車，存在無法提前預(yù)警的局限。

本文旨在超聲波雷達(dá)感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種基于超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的自動(dòng)泊車感知系統(tǒng)方案，擴(kuò)大車輛后方感知范圍，為系統(tǒng)規(guī)避碰撞或駕駛員接管給予更多反應(yīng)時(shí)間。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 方案介紹

泊車感知系統(tǒng)通常由12個(gè)超聲波雷達(dá)組成，控制器（Electronic Control Unit, ECU）以輸入輸出接口（Input and Output, IO）方式驅(qū)動(dòng)傳感器震動(dòng)，發(fā)出聲波。其中，IO控制方式是采用一根硬線，通過不同的脈寬實(shí)現(xiàn)多個(gè)指令通信[1]。系統(tǒng)根據(jù)聲波信號(hào)的反射時(shí)間計(jì)算出障礙物的距離和位置信息，從而進(jìn)行路徑規(guī)劃，控制車輛泊入選定車位。

如圖1所示，短距超聲波雷達(dá)位于車輛的前方和后方，編號(hào)為1～8號(hào)，探測(cè)距離在0.2～2 m，在泊車過程中主要起到探測(cè)車輛周圍障礙物的作用，長(zhǎng)距離超聲波雷達(dá)位于車輛的兩側(cè)，編號(hào)為9～12號(hào)，探測(cè)距離在0.2～5 m，在車輛行進(jìn)過程中，主要用于車位探測(cè)，以珠海上富電技股份有限公司的超聲波雷達(dá)為例，傳感器分類及特性見表1。

圖1 自動(dòng)泊車系統(tǒng)方案

表1 超聲波傳感器參數(shù)

1.2 場(chǎng)景局限

如圖2所示，在自動(dòng)泊車過程中，當(dāng)在探測(cè)距離之外的車輛快速駛向正在泊車入位的車輛時(shí)，后方的短距超聲波雷達(dá)僅能提供2 m以內(nèi)的預(yù)警，若后方來車無法有效減速，非常容易造成停車場(chǎng)碰撞事故，所以開發(fā)一種提升后方探測(cè)距離的自動(dòng)泊車感知系統(tǒng)方案迫在眉睫，可以大大降低此類追尾事故的發(fā)生。

圖2 場(chǎng)景局限

2 基礎(chǔ)分析

長(zhǎng)距超聲波雷達(dá)探測(cè)范圍在0.2～5 m之間，但視場(chǎng)角僅有50°，水平探測(cè)范圍過小，所以需要找到一種和超聲波雷達(dá)探測(cè)原理相似的傳感器，替代后方中部6號(hào)和7號(hào)位置的雷達(dá)，提升探測(cè)距離，且替代傳感器需具備探測(cè)距離遠(yuǎn)，探測(cè)視場(chǎng)角與超聲波雷達(dá)基本一致，成本適中的特點(diǎn)。毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中應(yīng)用廣泛，其中短距毫米波雷達(dá)的特性與超聲波雷達(dá)有一定的重合，探測(cè)距離達(dá)到15 m，可以有效提升探測(cè)范圍。

2.1 超聲波傳感器和毫米波工作原理

2.1.1 超聲波傳感器工作原理

超聲波是指諧振頻率高于20 Hz的聲波，常用探頭的工作頻率范圍在40～60 kHz，頻率越高反射能力越強(qiáng)，但是水平和垂直方向的視場(chǎng)角也越小。超聲波主要通過發(fā)射、回收聲波來探測(cè)障礙位置，測(cè)量其時(shí)間，即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，聲波在空氣中傳播，途中遇到障礙物后反射，將超聲波接收器收到反射波停止時(shí)間差記為T，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度V，可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)至距障礙物的距離L[2]：

2.1.2 毫米波雷達(dá)及工作原理

1.毫米波雷達(dá)

車載毫米波雷達(dá)通常指工作在 30～300 GHz頻域的雷達(dá)，覆蓋 L1—L4 各個(gè)階段，用于前車防撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航、變道輔助及盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)等輔助駕駛功能，主流頻段主要有24 GHz和77 GHz兩種，技術(shù)及應(yīng)用已相對(duì)成熟[3]，可為車輛提供多種高精度的路面空間信息，如：目標(biāo)區(qū)域中車輛的距離、方位角和相對(duì)速度等，且不受天氣影響。這些信息對(duì)車輛主動(dòng)控速、避讓其他車輛，甚至執(zhí)行緊急安全措施都具有非常重大的意義。

2.FMCW調(diào)頻連續(xù)波

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）是一種連續(xù)非離散的調(diào)頻信號(hào)，在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但使用脈沖測(cè)距需要發(fā)送尖銳的脈沖，帶寬需求較大，毫米波雷達(dá)實(shí)際使用的是FMCW中的chirp信號(hào)，根據(jù)發(fā)射和反射的信號(hào)頻偏fb間接估計(jì)傳播延時(shí)τ。

如圖3所示，實(shí)線為發(fā)射信號(hào)，其頻率隨時(shí)間線性增加。在t時(shí)刻的頻率為

圖3 FMCW波形

將發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，設(shè)幅值為1。

從目標(biāo)反射回來的信號(hào)，相對(duì)發(fā)射信號(hào)有時(shí)間延遲τ，忽略幅度衰減，則在t時(shí)刻接收的反射信號(hào)可表示為

式中，R為收發(fā)器和目標(biāo)之間的距離；C為傳播速度。解調(diào)得

復(fù)原信號(hào)通過低通濾波器，將高頻分量濾掉，化簡(jiǎn)得

由式（2），知vm的頻率：

對(duì)于靜態(tài)或移動(dòng)非常慢的目標(biāo)v接近于0，在頻譜中有一個(gè)峰值在處，如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在多條傳播路徑，則混合信號(hào)的圖譜會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，在這種情況下，fb由第一個(gè)峰值決定，它對(duì)應(yīng)于直接路徑，目標(biāo)的估測(cè)距離簡(jiǎn)化得

2.2 超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)參數(shù)特性對(duì)比

毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，以森思泰克公司官網(wǎng)公布的毫米波雷達(dá)為例，參數(shù)指標(biāo)如表2所示，長(zhǎng)距離雷達(dá)的整體視場(chǎng)角比較小，雷達(dá)發(fā)射比較集中，但探測(cè)距離較遠(yuǎn)，而中距離雷達(dá)探測(cè)范圍在1～70 m，主要用于支持變道輔助（Lane Change Assist, LCA）的場(chǎng)景[4]。短距離毫米波雷達(dá)與超聲波雷達(dá)功能和探測(cè)范圍有一定重合，相較于短距離超聲波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)探測(cè)范圍更大，可以精確定位車身周圍的車輛、行人和障礙物的位置，有著更遠(yuǎn)的預(yù)警距離。

表2 毫米波雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

短距超聲波雷達(dá)在近距離探測(cè)上穩(wěn)定性強(qiáng)，成本方面也比較有競(jìng)爭(zhēng)力，而短距離毫米波雷達(dá)在探測(cè)范圍和探測(cè)角度等方面性能更加優(yōu)秀，兩者在不同方面各自有優(yōu)勢(shì)，毫米波雷達(dá)受天氣和溫度影響較小，所以在一定程度上，自動(dòng)泊車的場(chǎng)景下有替換短距超聲波雷達(dá)的潛力，彌補(bǔ)超聲波雷達(dá)探測(cè)距離過短的問題。

3 方案設(shè)計(jì)

超聲波雷達(dá)的自動(dòng)泊車感知系統(tǒng)已十分成熟，并且成本較低、應(yīng)用普遍，所以在其方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，既符合價(jià)格趨勢(shì)，也降低了方案中由于探測(cè)距離不足而產(chǎn)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 系統(tǒng)框圖

基于超聲波和毫米波雷達(dá)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)，如圖4所示，在原超聲波方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，由6個(gè)短距離超聲波雷達(dá)、4個(gè)長(zhǎng)距離超聲波雷和2個(gè)24 G短距毫米波雷達(dá)構(gòu)成，自動(dòng)泊車控制器通過3路控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network,CAN）與整車和毫米波雷達(dá)進(jìn)行通信。

圖4 系統(tǒng)框圖

毫米波雷達(dá)從整車CAN網(wǎng)絡(luò)獲得車輛速度等信息，通過天線發(fā)送和接收回波，計(jì)算出當(dāng)前障礙物距離，通過與自動(dòng)泊車（Auto Parking Assist,APA）控制器直接相連接的私有 CAN，將距離、方向角和相對(duì)速度等信息反饋給控制器的微控制器單元（MicroController Unit, MCU），通過私有CAN提高了信號(hào)的反饋速率和通信效率。

ECU以IO接口等方式驅(qū)動(dòng)超聲波雷達(dá)，計(jì)算出車輛周圍障礙物的距離，通過結(jié)合毫米波雷達(dá)反饋的信息，推導(dǎo)出后方車輛的距離位置，將結(jié)果顯示在HMI界面上，從而提示駕駛注意安全和為自動(dòng)泊車規(guī)劃提供避讓輸入。

3.2 系統(tǒng)原理

基于超聲波和毫米波雷達(dá)的自動(dòng)泊車方案，其側(cè)向長(zhǎng)距超聲波雷達(dá)對(duì)車輛兩側(cè)的空間進(jìn)行探測(cè)，用于車位的識(shí)別和定位，后方6號(hào)和 7號(hào)位置傳感器由毫米波雷達(dá)替代，檢測(cè)距離可增加至15 m，用于危險(xiǎn)警示。

如圖5所示，在檢測(cè)車位時(shí)，駕駛員以20 km/h以下的車速駕駛車輛在停車場(chǎng)中尋找可用車位，當(dāng)車輛經(jīng)過A車停放的位置時(shí)，裝在車身側(cè)面的超聲波雷達(dá)開始測(cè)量車輛與 A車的橫向距離D，當(dāng)車輛駛過A車的右側(cè)邊緣時(shí)，超聲波雷達(dá)的測(cè)量距離會(huì)有一個(gè)跳變，記錄此時(shí)時(shí)刻。車輛繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)行駛在A車與B車之間時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算可以求得車位的平均寬度W。當(dāng)通過B車左側(cè)邊緣時(shí)，超聲波傳感器測(cè)量的數(shù)值又發(fā)生跳變，系統(tǒng)記錄當(dāng)前時(shí)刻，算得最終的車位長(zhǎng)度L。系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的車位長(zhǎng)度L和寬度W進(jìn)行分析，判斷車位是否符合泊車基本要求，釋放給路徑規(guī)劃模塊。

圖5 場(chǎng)景示意

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，兩顆毫米波雷達(dá)探測(cè)后向車輛，當(dāng)進(jìn)入到探測(cè)范圍時(shí)，毫米波雷達(dá)將感知信息反饋給自動(dòng)泊車系統(tǒng)，系統(tǒng)通過HMI提示給用戶，達(dá)到提前預(yù)警的效果。

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種基于超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的自動(dòng)泊車感知系統(tǒng)方案，通過介紹超聲波雷達(dá)感知系統(tǒng)的場(chǎng)景局限，分析超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的工作原理，提出了基于兩種傳感器的自動(dòng)泊車方案，利用24 G短距離毫米波雷達(dá)替代后部?jī)深w短距離超聲波雷達(dá)的方式，彌補(bǔ)了自動(dòng)泊車過程中由于后方探測(cè)距離過近，無法提前警示駕駛員的不足。從而提升自動(dòng)泊車系統(tǒng)的感知能力和智能化水平，具有較好的探討意義。