乘用車動態倒車輔助線設計

冉光偉, 馬樂，黃楚然，翟偉良

(1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434； 2.華南理工大學廣州學院工程研究院，廣東廣州 510800)

乘用車動態倒車輔助線設計

冉光偉1, 馬樂2，黃楚然2，翟偉良2

(1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434； 2.華南理工大學廣州學院工程研究院，廣東廣州 510800)

針對目前可視化倒車輔助系統存在的障礙物距離判斷困難、對駕駛員駕駛技能要求高等不足，對倒車輔助系統的工作原理進行分析，提出基于實時方向盤信號的動態倒車輔助線設計。根據阿克曼幾何原理對車輛倒車過程中車輛運動進行分析，通過獲取的方向盤轉角信號生成預測的倒車軌跡并經過坐標轉換后實時投影到顯示屏，為用戶的倒車操作提供可靠的參考。最后通過實車實驗，驗證了所開發的動態倒車輔助線的實時性和有效性。

動態倒車輔助線；阿克曼幾何原理；坐標變換

0 引言

隨著電子工業的飛速發展，汽車電子也得到快速發展[1]，許多的先進電子輔助駕駛系統被設計出來，如倒車雷達、胎壓檢測、360°全景、導航等[2]，并且逐步成為汽車的標準配置，其中先進倒車輔助系統是最受矚目的新技術之一。

目前，汽車倒車輔助系統(Parking Assist System)大致可以分為2種形式：一種是倒車雷達，通過超聲波雷達探測距離和物體[3-4]，當其接近或探測到有障礙物時，即發出間斷或持續聲音警告駕駛者；另外一種形式是利用后視廣角攝像頭(Rear View Camera)直接將汽車后方的外部環境顯示在車載LCD屏幕上[5-7]，駕駛員可以實時觀察到車后的情況，但車后障礙物的距離仍需要駕駛者預測。如果能開發出在顯示屏上根據駕駛者所旋轉的方向盤角度預測出車輛的倒車軌跡并配有距離標尺的輔助倒車系統，將對駕駛者倒車操控很有幫助，能大大減少因為駕駛經驗缺失造成的判斷錯誤。

作者根據車輛的轉向角和倒車車速，結合雷達探測傳感器，在車載多媒體系統中開發動態倒車估計算法，并在車載多媒體屏幕上顯示倒車預測軌跡，實現倒車視野可視、障礙物距離和聲音提醒的倒車輔助系統，有效地解決了駕駛者倒車難的問題。它不僅能夠清晰地看到車尾的情況，更能實時動態預測倒車方向，指引駕駛員適時調整倒車路線，幫助駕駛員安全、快速地完成倒車。

1 系統概述

1.1 工作原理

當駕駛者掛入R擋，系統便立即啟動倒車攝像頭和方向盤轉角傳感器，并獲取后方即時影像和方向盤轉角角度信號，傳送至倒車輔助系統電子控制單元進行軌跡路徑計算和影像疊合處理，最后傳送至車內多媒體主機屏幕上供駕駛者參考。倒車輔助系統工作流程架構如圖1所示。

圖1 倒車輔助系統架構

1.2 倒車軌跡計算

在低速運動條件下，根據阿克曼轉向幾何原理可以推算轉彎中心點、轉彎外半徑、轉彎內半徑，從而確定車輛轉彎的地面軌跡，如圖2所示。

圖2中，根據車輛的最小轉彎半徑計算出車輛的最大轉彎角度，由阿克曼幾何原理有：

(1)

式中：A表示輪距；B表示軸距；Rmin_Left、Rmin_Right表示最小轉彎半徑(向左/右)；θmax_Left、θmax_Right表示最大轉彎角度(向左/右)。

CAN上的方向盤信號值和車輛轉彎角度采用線性的對應關系，通過方向盤信號來判斷車輪轉角。當CAN接收到任意方向盤轉動信號t時，有：

(2)

式中：Tmid為方向盤處于正中時CAN上的信號值；TLeft為方向盤打到最左時CAN上的信號值；TRight為方向盤打到最右時CAN上的信號值；t為方向盤轉動時CAN上產生的信號值；θ為等效前輪轉角。由圖2可知：車輛倒車時以點O為圓心，R1和R2分別為左后角以及右后角倒車軌圓半徑。至此，根據上述θ可以求出點O坐標以及R1和R2的值：

(3)

根據表1的標定數據在MATLAB中搭建車輛的運動學模型[8]，獲得車輛在固定轉角下R1和R2的仿真軌跡，如圖3所示。

圖3 轉角為18°時R1和R2的軌跡

如圖3所示，當θ=18°時，車輛進行倒車運動，左后角以及右后角的軌跡如紅線所示。

表1 攝像機各參數標定

1.3 坐標轉換數值模擬

車輛倒車的實際軌跡線需要投影到倒車攝影機上[9]。但因為計算時使用的是現實坐標，如果直接投影到顯示屏會造成計算結果和實際影像不對應，需要進行坐標轉換，將實際坐標轉換至后方攝影機坐標，稱之為攝像機標定[10-11]。可以用如下式來進行計算：

(4)

式中：Pc為轉換后攝影機坐標下的點；Pw為現實坐標中對應的點；M為轉換矩陣；R為旋轉分量；T為平移分量。

根據式(4)和標定實驗獲取的轉換矩陣數據，在MATLAB上搭建坐標轉換仿真實驗，實驗效果如圖4所示。

圖4 坐標轉換仿真效果

圖4(a)顯示了轉換前、后的直線投影。而圖4(b)為經過坐標轉換后的倒車軌跡。對倒車軌跡線進行坐標轉換之后，再通過鏡頭焦距、扭矩擴張，最終獲得的投影效果如圖5所示。

圖5 影像坐標上的投影圖像

2 實車試驗

圖6是所開發的倒車輔助系統實際裝車試驗時的倒車影像截圖，實際倒車時能幫助駕駛員成功倒車入庫。

圖6 實車倒車試驗

圖中顯示，倒車的時候，車機左邊顯示的是俯視狀態下汽車在當前方向盤轉角下的倒車軌跡和全景視野，能夠幫助駕駛員把握車身姿態和車身周圍整體情況；右邊顯示的是車輛正后方的定位區域狀態，可以隨時確認后方安全。友好的UI顯示有助于在倒車過程中隨時調整方向盤轉角以實現成功倒車，幫助泊車經驗欠缺的司機提高泊車安全。

3 結論

首先闡述車輛倒車的研究背景，對倒車輔助系統的工作原理進行分析，然后根據阿克曼幾何原理對車輛倒車過程中的倒車軌跡線進行推導計算，并根據坐標轉換原理對實際的倒車軌跡線進行轉換，將其投影到攝影機上。為了驗證所開發的動態倒車輔助線的有效性，進行了實車實裝驗證，證明了動態倒車輔助線的有效性。

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DynamicReversingAssistantLineDesignforPassengerCar

RAN Guangwei1，MA Yue2，HUANG Churan2，ZHAI Weiliang2

(1.Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434, China;2.Engineering Institute, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510800, China)

There are shortcomings that it’s difficult to determine the obstacle distance and high driving skill is still required in current visual reverse assist system.To solve these problems, the work principle of the reverse assist system was analyzed and a dynamic reversing assistant line design was proposed based on the real-time steel wheel signal. The reversing process was analyzed according to the Ackerman principle. The predicted astern trajectory, which was generated from the steering wheel signal, was displayed on the screen after coordinate transformation and it provided reliable reference to users for their reversing operation. The real-time performance and effectiveness of this dynamic reversing assistant line was validated by a real vehicle test.

Dynamic reversing assistant line; Ackerman geometry principle; Coordinate transformation

U463.6

A

1674-1986(2017)11-009-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.002

2017-07-24

廣東省粵港共性技術招標項目專項資金支持項目(2013B010138002)

冉光偉(1980—)，男，學士，工程師，主要從事車聯網及汽車電子控制單元的開發。E-mail:lvyang_ran@126.com。