基于超聲波雷達的APS環境感知模塊研究

關鍵詞：自動泊車 環境感知 超聲波雷達

近年來，由于我國汽車保有量逐年遞增，這一現象導致了一系列問題的出現，其中車位緊張問題尤為突出，也導致了在一些不規則、狹小的區域出現了越來越多的臨時停車場。對于一些新手駕駛員，尋找車位以及泊車的能力也面臨著極大的挑戰。因此，由于駕駛經驗不足與駕駛人數總體增長的原因，泊車環節出現剮蹭等事故的數量逐年增長[1]。

目前傳感器主要使用測距傳感器和視覺傳感器兩類。本文研究基于測距傳感器的車位檢測技術，針對平行、垂直、斜列三種泊車場景進行研究。當然，目前也有業內人士采用攝像頭等視覺傳感器進行車位檢測，但是成本偏高是其普及需要面臨的一個難題。

1 自動泊車系統

自動泊車系統指我們在泊車的過程中，汽車利用自身的傳感器進行車位的識別，以及自動泊車入位。其中車位的識別過程由該系統的環境感知模塊完成，感知模塊采集的數據經過處理后傳送給中央處理器，再通過車輛決策控制系統規劃出泊車路線，并最終泊車入位。當然，由于電子信號始終會存在一定的不穩定性，該系統可隨時接受駕駛員的手動控制而終止自動泊車過程，最大限度的保證安全性。

2 泊車空間檢測

2.1 超聲波傳感器原理論述

超聲波雷達是利用傳感器內的超聲波傳感器發射出40KHz 的超聲波，由接收傳感器接收經障礙物反射回來的超聲波，根據超聲波反射接收的時間差，由控制單元內的 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。超聲波雷達防水、防塵，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。探測范圍在0.1-3 米之間，而且精度較高，成本低廉，因此非常適合應用于泊車。

超聲波雷達一般安裝在汽車的前后保險杠或者側面，前者一般為UPA 超聲波雷達，而后者一般為APA 雷達。兩款雷達的探測范圍和區域也不太相同。UPA 的探測距離一般在15--250cm 之間，主要用于測量汽車前后方的障礙物;APA 的探測距離一般在30--500cm 之間。APA 的探測范圍更遠，因此相比于UPA 成本更高，功率也更大。APA 的探測距離優勢讓它不僅能夠檢測左右側的障礙物，而且還能根據超聲波雷達返回的數據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 算法設計

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

（2）雷達測距得到的數據需要儲存，則需要建立一個數據緩存器，其大小應大于設定的最大車位長度閾值除以車速。

（3）分析數據得到車位大致的起點與終點。當雷達數據顯示突變時，則判別為檢測到障礙物;為了提高精確性，當只有1 個數據發生突變時，則視此數據為誤差。

（4）如圖1 所示平行泊車示意圖，目標車輛1 按道路向前行駛，會依次通過障礙車輛1、目標泊車位以及障礙車輛2。目標車輛會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，為了保證安全性與泊車過程的精確性，目標車輛應與障礙車輛保持足夠的橫向間距，一般在1.8m 以內。雷達距離的波段如圖所示，當經過障礙車輛1 到達泊車位后，距離會經歷一次突變，此點為泊車車位的起點;繼續向前行駛到達到達障礙車輛2 后，距離會第二次突變，此時可記為檢測到車位的終點。根據目標車輛從3 車位起始點到終止點的速度和時間算出車位長度L，以此為依據判別車位是否有效。

垂直車位的檢測原理跟方法與平行車位大體相同，都是通過對雷達傳感器檢測到的距離跳變進行分析，對采集到的車位尺寸與約束條件進行對比，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據，可以得出車輛行進軌跡與泊車位之間的夾角，根據這個信息可以對車位長度L 進行修正，從而提高準確性。車位檢測完畢后，根據計算出來的車位長度L 判斷是否滿足泊車條件，如果滿足，則開始后續操作。

4 場景分析

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原理上面已經論述，以下只對兩種車位形式車位內存在障礙物的情況就行研究，針對斜列車位將做詳細論述。

4.1 平行車位檢測

如圖2 所示，當我們的泊車空間內存在障礙物時，此時傳感器檢測到的距離二次突變的點并非障礙車輛二的車尾了，而是該障礙物的左邊界，根據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，繼續進行后續的泊車操作。

4.2 垂直車位檢測

垂直車位的檢測原理與平行車位類似，雷達的測距數據會經過兩次突變，只不過兩次突變之間的距離為車位寬度;當雷達檢測到障礙物之后，距離會有所減小，若此時減小之后的距離仍然大于最小車位長度，且兩次常規數據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

上圖為斜列車位示意圖，因為其空間布局與平行和垂直車位大相徑庭，所以傳感器采集的數據并不能代表此車位的真實尺寸，并不能通過檢測車位的長L 和寬W 來完成有效地車位構建，需要通過車位斜率K 來進一步判斷車位類型。

開啟系統后，目標車輛3 沿路徑行駛，此時右側沒有障礙物，記右側的空間距離為Y，當超聲波傳感器檢測到障礙車輛1 時，傳感器采集到的距離會開始變化;繼續向前行駛，距離會逐漸變小直到A1 點達到最小值，記錄為y;繼續向前行駛，車輛通過B1 點后，距離會產生突變，記錄此時時間為T1;繼續向前行駛，距離會產生一些微量變化，記為W=Y-y;繼續向前行駛，記目標車輛3 經過c 點的時間為T2，之后距離又開始變化直到A2 點到達最小值，記錄此時時間為T3;在T1-T3 時間段對目標車輛3 的速度進行積分，便可得到泊車位的L，對目標車輛3 的速度在T1-T2 時間段上進行積分可得距離S，記X=L-S，則斜率K=W/X。

當我們需要泊車入位時，開啟系統搜索泊車位，傳感器將采集到的數據傳輸給處理器，處理器則計算判斷是否滿足約束條件：tan30 ° ≤ K ≤ tan60 °，L ≥ 2.8m，W ≥ 6m。

5 結語

由于超聲波雷達傳感器性價比高，環境適應能力、穩定性強，早已在各類汽車產品上大顯身手，其功用也是各異。本文基于不同種車位尺寸的約束條件下，根據安裝在車身相應部位的超聲波傳感器采集到的車位尺寸數據進行處理分析，驗證了其在車位檢測功能上應用的可行性，可以得出自動泊車系統可以為我們日常的泊車過程提供極大的便利性，在汽車市場有著廣闊的前景;該車位檢測功能也為自動泊車系統后續的路徑規劃與路徑跟蹤提供了準確的數據支持。