基于超聲波和毫米波雷達的泊車感知系統研究

閆力博，陳彩霞，韓曉惠

（廣東省智能網聯汽車創新中心有限公司，廣東 廣州 511400）

隨著科技的進步，人工智能的興起，自動駕駛技術發展迅猛，越來越多的汽車配備了先進的輔助駕駛系統，其中自動泊車作為一項L2級別的輔助駕駛，深受新手司機的喜愛。自動泊車系統由環境感知、路徑規劃、跟隨控制和人機交互（Human Machine Interface, HMI）等部分構成，環境感知作為自動泊車系統的重要組成部分，其檢測結果越準確，覆蓋范圍越大，對泊車的安全性越有保障。

目前主流的環境感知方案通常采用收發一體的超聲波傳感器，用于探測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，探測距離在0.2～5 m之間，在泊車的過程中，若遇到后方遠距離來車，存在無法提前預警的局限。

本文旨在超聲波雷達感知系統的基礎上，提出一種基于超聲波雷達和毫米波雷達的自動泊車感知系統方案，擴大車輛后方感知范圍，為系統規避碰撞或駕駛員接管給予更多反應時間。

1 研究現狀

1.1 方案介紹

泊車感知系統通常由12個超聲波雷達組成，控制器（Electronic Control Unit, ECU）以輸入輸出接口（Input and Output, IO）方式驅動傳感器震動，發出聲波。其中，IO控制方式是采用一根硬線，通過不同的脈寬實現多個指令通信[1]。系統根據聲波信號的反射時間計算出障礙物的距離和位置信息，從而進行路徑規劃，控制車輛泊入選定車位。

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

圖1 自動泊車系統方案

表1 超聲波傳感器參數

1.2 場景局限

如圖2所示，在自動泊車過程中，當在探測距離之外的車輛快速駛向正在泊車入位的車輛時，后方的短距超聲波雷達僅能提供2 m以內的預警，若后方來車無法有效減速，非常容易造成停車場碰撞事故，所以開發一種提升后方探測距離的自動泊車感知系統方案迫在眉睫，可以大大降低此類追尾事故的發生。

圖2 場景局限

2 基礎分析

長距超聲波雷達探測范圍在0.2～5 m之間，但視場角僅有50°，水平探測范圍過小，所以需要找到一種和超聲波雷達探測原理相似的傳感器，替代后方中部6號和7號位置的雷達，提升探測距離，且替代傳感器需具備探測距離遠，探測視場角與超聲波雷達基本一致，成本適中的特點。毫米波雷達在自動駕駛中應用廣泛，其中短距毫米波雷達的特性與超聲波雷達有一定的重合，探測距離達到15 m，可以有效提升探測范圍。

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，但是水平和垂直方向的視場角也越小。超聲波主要通過發射、回收聲波來探測障礙位置，測量其時間，即超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，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間差記為T，根據超聲波在空氣中的傳播速度V，可計算出發射點至距障礙物的距離L[2]：

2.1.2 毫米波雷達及工作原理

1.毫米波雷達

車載毫米波雷達通常指工作在 30～300 GHz頻域的雷達，覆蓋 L1—L4 各個階段，用于前車防撞預警、自適應巡航、變道輔助及盲點監測等輔助駕駛功能，主流頻段主要有24 GHz和77 GHz兩種，技術及應用已相對成熟[3]，可為車輛提供多種高精度的路面空間信息，如：目標區域中車輛的距離、方位角和相對速度等，且不受天氣影響。這些信息對車輛主動控速、避讓其他車輛，甚至執行緊急安全措施都具有非常重大的意義。

2.FMCW調頻連續波

調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）是一種連續非離散的調頻信號，在雷達系統中應用廣泛，但使用脈沖測距需要發送尖銳的脈沖，帶寬需求較大，毫米波雷達實際使用的是FMCW中的chirp信號，根據發射和反射的信號頻偏fb間接估計傳播延時τ。

如圖3所示，實線為發射信號，其頻率隨時間線性增加。在t時刻的頻率為

圖3 FMCW波形

將發射信號進行調制，設幅值為1。

從目標反射回來的信號，相對發射信號有時間延遲τ，忽略幅度衰減，則在t時刻接收的反射信號可表示為

式中，R為收發器和目標之間的距離；C為傳播速度。解調得

復原信號通過低通濾波器，將高頻分量濾掉，化簡得

由式（2），知vm的頻率：

對于靜態或移動非常慢的目標v接近于0，在頻譜中有一個峰值在處，如果發射機和接收機之間存在多條傳播路徑，則混合信號的圖譜會出現多個峰值，在這種情況下，fb由第一個峰值決定，它對應于直接路徑，目標的估測距離簡化得

2.2 超聲波雷達和毫米波雷達參數特性對比

毫米波雷達在自動駕駛領域中應用廣泛，以森思泰克公司官網公布的毫米波雷達為例，參數指標如表2所示，長距離雷達的整體視場角比較小，雷達發射比較集中，但探測距離較遠，而中距離雷達探測范圍在1～70 m，主要用于支持變道輔助（Lane Change Assist, LCA）的場景[4]。短距離毫米波雷達與超聲波雷達功能和探測范圍有一定重合，相較于短距離超聲波雷達，毫米波雷達探測范圍更大，可以精確定位車身周圍的車輛、行人和障礙物的位置，有著更遠的預警距離。

表2 毫米波雷達技術參數

短距超聲波雷達在近距離探測上穩定性強，成本方面也比較有競爭力，而短距離毫米波雷達在探測范圍和探測角度等方面性能更加優秀，兩者在不同方面各自有優勢，毫米波雷達受天氣和溫度影響較小，所以在一定程度上，自動泊車的場景下有替換短距超聲波雷達的潛力，彌補超聲波雷達探測距離過短的問題。

3 方案設計

超聲波雷達的自動泊車感知系統已十分成熟，并且成本較低、應用普遍，所以在其方案的基礎上進行升級，既符合價格趨勢，也降低了方案中由于探測距離不足而產生的潛在風險。

3.1 系統框圖

基于超聲波和毫米波雷達的自動泊車系統，如圖4所示，在原超聲波方案的基礎上進行升級，由6個短距離超聲波雷達、4個長距離超聲波雷和2個24 G短距毫米波雷達構成，自動泊車控制器通過3路控制器局域網（Controller Area Network,CAN）與整車和毫米波雷達進行通信。

圖4 系統框圖

毫米波雷達從整車CAN網絡獲得車輛速度等信息，通過天線發送和接收回波，計算出當前障礙物距離，通過與自動泊車（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提高了信號的反饋速率和通信效率。

ECU以IO接口等方式驅動超聲波雷達，計算出車輛周圍障礙物的距離，通過結合毫米波雷達反饋的信息，推導出后方車輛的距離位置，將結果顯示在HMI界面上，從而提示駕駛注意安全和為自動泊車規劃提供避讓輸入。

3.2 系統原理

基于超聲波和毫米波雷達的自動泊車方案，其側向長距超聲波雷達對車輛兩側的空間進行探測，用于車位的識別和定位，后方6號和 7號位置傳感器由毫米波雷達替代，檢測距離可增加至15 m，用于危險警示。

如圖5所示，在檢測車位時，駕駛員以20 km/h以下的車速駕駛車輛在停車場中尋找可用車位，當車輛經過A車停放的位置時，裝在車身側面的超聲波雷達開始測量車輛與 A車的橫向距離D，當車輛駛過A車的右側邊緣時，超聲波雷達的測量距離會有一個跳變，記錄此時時刻。車輛繼續前進，當行駛在A車與B車之間時，系統計算可以求得車位的平均寬度W。當通過B車左側邊緣時，超聲波傳感器測量的數值又發生跳變，系統記錄當前時刻，算得最終的車位長度L。系統對測量的車位長度L和寬度W進行分析，判斷車位是否符合泊車基本要求，釋放給路徑規劃模塊。

圖5 場景示意

在系統運行的過程中，兩顆毫米波雷達探測后向車輛，當進入到探測范圍時，毫米波雷達將感知信息反饋給自動泊車系統，系統通過HMI提示給用戶，達到提前預警的效果。

4 總結與展望

本文提出了一種基于超聲波雷達和毫米波雷達的自動泊車感知系統方案，通過介紹超聲波雷達感知系統的場景局限，分析超聲波雷達和毫米波雷達的工作原理，提出了基于兩種傳感器的自動泊車方案，利用24 G短距離毫米波雷達替代后部兩顆短距離超聲波雷達的方式，彌補了自動泊車過程中由于后方探測距離過近，無法提前警示駕駛員的不足。從而提升自動泊車系統的感知能力和智能化水平，具有較好的探討意義。