汽車自動泊車輔助系統關鍵技術研究

尤祖旺

（同致電子科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361006）

0 引言

近年來，汽車在城市逐漸普及，給人們生活帶來便利的同時，也加大了車輛停車入位難度。我國一些城市停車位擁擠，如果停車位之間的空隙不夠標準，就會導致其他車輛無法停車，或者自身車輛無法進入[2-3]。因此，自動泊車輔助系統成了當前重點研究內容，為不熟悉倒車停車入位的新手提供了便利。

該文通過安裝在車輛四周的12 個超聲波雷達掃描周圍障礙物，4 個攝像頭對靜動態物體、行人及停車線進行識別，采用高清攝像頭和超聲波雷達2 種傳感器融合的技術可以獲得停車位的長度、深度和停車線信息，而且可以依據車輛的行車信息和車輛周圍有無障礙物的情況，通過自適應算法對最佳泊車軌跡進行計算，采用單片機控制技術和CAN 通信，控制車輛的轉角、檔位、制動以及油門，實現全自動泊車。

1 系統框架結構設計

自動泊車輔助系統主要由中央控制單元模塊、超聲波雷達模塊、攝像頭模塊、動力執行模塊（轉向系統、制動系統以及動力系統）以及人機交互模塊等組成。

圖1 為系統框架結構設計方案。

信息檢測模塊可以說是自動泊車的眼睛，運用超聲波雷達和高清攝像頭，可以對周邊的路面狀況和其他車輛的位置進行識別，將收集到的圖像數據，周圍物體與車身的距離傳輸到中央控制單元。

超聲波雷達共有12 路，包括前后共8 個UPA，左右側共4 個APA。超聲波雷達可以識別泊車時的障礙物信息，將障礙物信息傳輸給中央處理單元。高清攝像頭共有4 路，車輛的前、后、左、右側各有1 路，能夠識別車位線信息。圖2 為超聲波雷達和攝像頭的布置圖。

圖1 系統框架結構設計方案

圖2 超聲波雷達和高清攝像頭布置圖

中央控制單元模塊是自動泊車系統的核心，將信息檢測模塊上傳的數據進行處理和分析，得出汽車當前的位置、目標的位置以及周邊的環境，依據這些參數規劃好路徑，并將指令輸出到執行單元。

動力執行模塊接收到中央控制單元模塊的指令，控制車輛的方向盤、油門以及制動等，使汽車能按照規劃好的路徑運動，并隨時準備接收中斷時的緊急停車[1]。

2 系統硬件設計

按照系統總體設計方案，該文以超聲波雷達傳感器、高清攝像頭、中央控制單元模塊為核心，介紹系統硬件設計方案。

2.1 超聲波雷達傳感器。

超聲波雷達傳感器的工作原理是控制器通過功率驅動可以發射出超聲波，單片機同步計時。發射一定頻率的超聲波如果碰觸障礙物會形成反射波，部分反射波返回作用在超聲波傳感器上，通過轉換超聲波傳感器的聲／電，形成微弱的電信號，將微弱的電信號放大、整形，可以向單片機發出中斷申請。單片機收到中斷申請的信號后，會立即中斷，執行外部中斷服務程序，停止計時，得出超聲波發送和返回的時間T，計算出發射點與障礙物的距離S，即：

式中：C 是超聲波在空氣中的傳播速度。

該系統超聲波雷達分為2 種。1）在汽車前后保險杠上安裝的用來測量計算汽車前后障礙物的倒車雷達，探測距離一般在15 cm～250 cm，我們將該雷達稱為UPA。2）在汽車側面安裝的用來測量計算汽車側方與障礙物距離和空間的超聲波雷達，探測距離一般在30 cm～ 500 cm，該雷達稱為APA。APA 的探測距離較遠，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障礙物及空間的大小。

2.2 高清攝像頭

汽車泊車的關鍵在于障礙物的避讓和車位線的識別，該系統利用高清攝像頭采集圖像，通過控制器端的處理器進行計算，識別出車位線信息。

圖3 為高清攝像頭設計框圖。圖像傳感器采集周圍的圖像信息，經過圖像處理后，輸出并行視頻信號，經過轉串器將并行的視頻信號轉為串行的視頻信號，再經過同軸電纜傳輸到控制器端的解串器，解串器將串行的視頻信號轉成并行的視頻信號，提供給后端SOC 處理器。

同軸電纜同時也可以進行電源和IIC 控制信號的傳輸，能夠最大限度節省線材成本。

泊車過程中，SOC 核心處理器將采集到的4 路高清圖像信號進行計算處理，識別車輛周圍有車位線的車位，與超聲波雷達傳感器的障礙物信息相結合，判斷泊車位的大小和形狀，能夠實現更多場景下的高精度全自動泊車控制[4]。

2.3 中央控制單元模塊

圖4 是中央控制單元模塊，主要包括TDAx SoC 核心處理器、單片機MCU、電源管理模塊，SBC 模塊，解串器與轉串器等組成。

TDAx 是高級駕駛輔助系統ADAS 的汽車處理器解決方案，具有較高成熟度和市場應用，TDA SOC 核心處理器適用在國內車廠高端車型的泊車輔助系統，它以全景為基礎的具備復雜圖像分析功能平臺，集成障礙物檢測、車位檢測以及超聲波雷達等，可用于開發集成車位識別的功能。TDAx 提供大量的圖像分析庫以及深度學習的開發包，可以做識別類的視覺應用算法開發。該文正是利用這種強大的核心處理器進行4 路攝像頭視頻，圖像和圖形處理，利用集成算法，識別泊車過程中的車位線。

SBC 模塊能夠實現CAN 收發器，電源管理、休眠和喚醒功能。為實現車身各電器部件的互聯，目前普遍采用CAN 協議進行通信傳輸。通過SBC 模塊的CAN 收發器，系統在泊車過程中，結合障礙物和車位等信息，能夠接收和控制車身狀態信息，如轉角信號、車速、檔位信息等，保證車輛按照規劃的行車軌跡正確泊車[5]。

3 系統自動泊車控制程序設計

根據系統總體框架結構設計及硬件電路布設方案，該文對系統軟件程序開發進行分析，設計自動泊車控制程序開發流程。當系統接收到自動泊車操控命令時，根據傳感器采集到的汽車周圍環境信息，為該汽車尋找周圍停車位，并根據汽車當前所處位置，判斷自動泊車行駛路線，即泊車路線定位[6]。因此，自動泊車程序的開發關鍵在于利用傳感器搜索周圍環境信息，找到停車位，另外一個關鍵點在于確定自動泊車行駛路線。如圖5 所示為停車位查詢流程，圖6 為自動泊車控制流程。

圖3 高清攝像頭設計框圖

圖4 中央控制單元設計方案

圖5中，系統完成初始化處理以后，開啟各個傳感器采集汽車周圍環境信息，搜索周圍是否有停車位。每次搜索到一個車位，顯示相應停車位圖示，以提醒駕駛員選擇確定停車位。圖6 中，根據確定的停車位置信息，下達自動泊車命令，待汽車進入停車位后，停止操控。

圖5 停車位查詢流程

圖6 自動泊車控制流程

停車位搜尋是根據采集到的信息進行定位，通過數據整理分析，判斷是否有滿足條件的停車位及位置，并顯示在人機交互系統的顯示屏上。當選定泊車位進入自動泊車準備時，系統將自動計算泊車軌跡，并確認是否滿足泊車條件（車輛靜止、車門關閉、駕駛員安全帶系上等），當滿足泊車條件時，駕駛員雙手離開方向盤、油門踏板釋放、剎車踏板釋放后，系統下發指令控制車輛的方向、檔位、油門及制動，按照計算的泊車軌跡，自動停入選定的車位。

4 系統測試分析

該文利用試驗車進行模擬測試實驗，在測試場地分別設置2 個泊車位P1 和泊車位P2，其中，P1 是正常可泊車位，而P2 內有黃色“X”線，表示不可泊車的車位。同時為檢驗泊車過程中試驗車的避障性能，在P1 和P2 兩側停放2 輛車以及在其周邊放置若干個錐桶作為障礙物，構建自動泊車測試場地，如圖7 所示。按照系統硬件電路設計方案，在試驗車上搭載自動泊車輔助系統，在圖7 的位置，測試系統自動泊車操控功能。

該次測試主要對試驗車躲避障礙物、搜索停車位、自動泊車且未壓到車位線3 項功能進行測試，將測試結果與設計目標進行對比，從而判斷系統開發方案是否符合要求。表1為系統測試結果統計表。

表1 系統測試結果統計表

依據表1 中的統計結果可知，系統在自動泊車期間未碰撞障礙物，能夠根據周圍環境情況為小車找到停車位P1，而P2 被系統識別為無效車位。自動泊車期間，系統正確規劃泊車軌跡，并按照預定泊車軌跡泊入設定的可供泊車的停車位P1，且4 個輪胎均在P1 停車位線內，由此判斷該系統符合自動泊車可靠性和精準度要求。

特別需要指出，為保證安全，避免意外發生，只要滿足以下5 個條件中的任意1 個，系統將退出泊車控制狀態，轉為人工控制。1）駕駛員踩下剎車或油門踏板。2）駕駛員操作換擋器。3）駕駛員干預方向盤。4）打開任意一個車門。5）松開安全帶。

圖7 系統測試環境

5 結語

該文圍繞汽車泊車問題展開研究，選取TDAX SoC 作為核心處理，搭配TC 233 單片機共同開發了一套全自動泊車控制系統。該系統利用超聲波雷達和高清攝像頭2 種傳感器采集周圍環境信息，經SoC 核心處理器計算和單片機控制車輛轉向、制動、檔位、油門，達到自動泊車入位的目的。測試結果表明，該系統在開啟泊車模式測試期間，能夠準確避讓障礙物，支持車位搜尋及識別，泊車可靠性和精確度較高，符合系統開發要求。