譚寶成,馬騰

(西安工業(yè)大學 電子信息工程學院,陜西 西安 710032)

基于超聲波測距的泊車引導系統(tǒng)的研究

譚寶成,馬騰

(西安工業(yè)大學 電子信息工程學院,陜西 西安 710032)

泊車引導系統(tǒng)作為智能汽車領域一個重要的研究方向,對于提高日常駐車的準確性和安全性有著重要的意義。本文研究的實驗主體是一輛四輪電動無人駕駛智能車,以工業(yè)控制計算機為平臺,提出一種基于工業(yè)控制計算機和超聲波測距的泊車引導系統(tǒng)。通過安裝在無人車車身的6組超聲波傳感器對車身周圍情況進行檢測,并檢測目標車位的長度及深度,判斷能否進行駐車。通過研究與分析日常的駐車經(jīng)驗,控制無人車的速度及方向盤轉角,為系統(tǒng)規(guī)劃出一條最佳泊車路徑。經(jīng)過實車驗證,該系統(tǒng)能夠良好的完成泊車引導任務,給日常泊車帶來了極大的便利。

泊車引導；無人車；HC-SR04超聲波傳感器；泊車路徑生成

近年來,我國的汽車保有量持續(xù)上升。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,我國全年累計生產(chǎn)汽車1927.18萬輛,同比增長4.6﹪,銷售汽車1930.64萬輛,同比增長4.3﹪［1］。伴隨養(yǎng)汽車保有量的持續(xù)增長,“停車難”的問題就顯現(xiàn)出來了,對于許多駕駛員而言，快速準確的將汽車駛入狹小的車位仍是一項不小的挑戰(zhàn)。當人們順列式駐車時，通常會阻塞一個車道的交通至少幾秒鐘。如果他們進入停車位碰到問題，那么這個過程會持續(xù)幾分鐘，這將嚴重擾亂交通秩序。

泊車引導系統(tǒng)是一種能夠快速安全地使車輛自動駛入車位的泊車輔助系統(tǒng),它通過超聲波傳感器感知車輛周圍環(huán)境信息來識別目標車位,并根據(jù)車輛與停車位的相對位置信息,產(chǎn)生相應的路徑并控制車輛的速度和方向盤轉向完成自動駐車。與駕駛員停車操作復雜、停車時間長、停車安全事故率高相比,泊車引導系統(tǒng)提供了一種簡單方便的駐車功能,降低了駐車操作時的難度,提高了車輛的智能化水平。智能車輛是智能交通系統(tǒng)（ITS）的關鍵組成部分和提高車輛主動安全的重要途徑，而自動泊車是智能車輛實現(xiàn)自主駕駛的關鍵技術之一［2］。它作為智能汽車領域一個重要的研究方向，更是目前許多國內外汽車廠商爭先開發(fā)的一項技術［3］。

1 泊車引導原理

本文所研究的是無人智能車在遠程控制的情況下進行泊車引導,實驗所用的是一輛四輪電動無人車,由48 V電源提供車輛的動力。無人車車身四周安裝有6個超聲波傳感器,用以隨時檢測車身四周的環(huán)境,并且防止車身與障礙物發(fā)生刮蹭。方向盤下裝有一個電機及編碼器,用以控制方向盤轉動,實現(xiàn)無人車在行駛過程中的方向控制。

當無人車需要進行自動駐車時,先以低速勻速駛過目標車位,通過傳感器來實時獲得環(huán)境信息和車輛位姿信息［4］,車身周圍的6個超聲波探頭同時開啟測量車身與周圍物體之間的距離和角度,位于車身右側的兩個超聲波探頭檢測車位的長度及深度,車載工控機通過分析超聲波傳感器返回的數(shù)據(jù)計算出目標車位的長度和深度是否適合進行自動駐車。檢測出合適的車位后,無人車停至預備停車位置,準備開始倒車。開始倒車時向右打滿方向盤以低速勻速向后倒車,倒至車身與水平夾角約為45°時回正方向盤繼續(xù)倒車,在發(fā)現(xiàn)汽車右前端與前障礙車平行時快速向左打滿方向盤倒車,直到車身水平時停止倒車。在其過程中務必要注意泊車位周邊的環(huán)境變化,防止車身與障礙物發(fā)生刮蹭。

圖1 無人智能車Fig.1 Intelligent vehicle

2 駐車方式

根據(jù)車輛停泊時相對其他車輛和車位的位置和方向，駐車大致可以分為平行駐車和垂直駐車兩大類［5］。平行駐車也稱為側方停車或順列駐車。它們的主要區(qū)別在于最終完成駐車時車身方向角與駐車過程中車輛行駛方向的位置關系。順列駐車多用于日常路邊駐車，垂直駐車則多用于在車庫或停車場中停車。本文只考慮日常路邊平行駐車的情況。

如圖2所示。

圖2 兩種駐車方式Fig.2 Two kinds of parking mode

3 超聲波測距

3.1 超聲波測距原理

超聲波是一種機械波,它的振動頻率大于20 kHz,特點是方向性好、能夠成為射線和定向傳播。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波,電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等。本文使用的便是壓電式超聲波發(fā)生器。

通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,接收器接到超聲波的時間差就可以計算得知距離。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播的途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時?？諝庵械穆暡▊鞑ニ俣瓤山频乇硎緸椋?］:

根據(jù)單片機記錄的時間差t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s,即:

超聲波測距原理如圖3所示。

圖3 超聲波測距原理Fig.3 Ultrasonic ranging principle

3.2 HC-SR04超聲波傳感器

本文選用的是HC-SR04超聲波傳感器。HC-SR04超聲波傳感器可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能,測距精度可高達到3 mm,完全滿足設計要求。

圖4 超聲波時序圖Fig.4 Ultrasonic timing diagram

由時序圖可知需要提供一個10 μs以上脈沖觸發(fā)信號,模塊內部將發(fā)出8個40 kHz周期的電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以由以下公式計算得到距離:

本文使用的測量周期為200 ms,一般應高于60 ms以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

本文使用的CPLD為Altera公司的MAX7000S系列芯片EPM7128SLC84-15N。EPM7128SLC84-15有84個引腳,其中5根用于ISP（In System Programmable）下載,可方便地對其進行系統(tǒng)編程。此器件內集成了6 000個門,其中典型可用門為2 500個；有8個邏輯陣列塊,有128個宏單元,每個宏單元都有獨立的可編程電源控制,宏單元內的寄存器具有單獨的時鐘和復位等信號；有60個可用I/O口,可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式。

單片機選擇的是 STC公司的 STC89C52單片機。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內核,具有以下標準功能:8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時器,內置4 KB EEPROM,MAX810復位電路,3個16位定時器/計數(shù)器,4個外部中斷,一個7向量4級中斷結構,全雙工串行口。

系統(tǒng)開啟時車身四周的6路超聲波探頭接收到6組回波信號,CPLD中6路計數(shù)器同時開啟,并行接收6組回波信號,對回波信號進行時間長度的測量,然后通過STC89C52單片機處理數(shù)據(jù),由MAX232芯片以RS-232串行通信方式發(fā)送給工控機,工控機接收數(shù)據(jù)后經(jīng)過軟件處理顯示出每個超聲波探頭所測量的距離。

4 駐車車位檢測

對于自動駐車來說，必須首先感知車身周圍的環(huán)境信息。當車輛通過停車區(qū)域時，需要通過傳感器來實時獲得環(huán)境信息和車輛位姿信息［4］。無人車在進行自動駐車時首先要確定當前所處位置,確定車身周圍沒有障礙物。通過安裝于車身四周的6個超聲波傳感器對外圍環(huán)境進行檢測,車輛通過對這些傳感器探測的數(shù)據(jù)的計算和處理來定位車輛當下的位置［7］。

當無人車需要進行自動駐車時,遠程控制計算機向無人車發(fā)送指令,開啟自動駐車模式,此時車身周圍的6個超聲波傳感器開始工作,測量車身周圍的環(huán)境。

圖5 車位檢測示意圖Fig.5 Parking detection schematic diagram

自動駐車模式開啟后,無人車開始以2 km/h的速度勻速向前行駛,車身右側的超聲波探頭4、5檢測車身右側與障礙物的距離,當超聲波探頭檢測到距離大于1 m時工控機中的計時器開始計時,無人車行駛一段時間后超聲波探頭檢測到前方右側的車輛時,測量距離再一次小于1 m,此時計時器停止計時。由公式便可得到目標車位的長度。但在實際中,這種方法誤差比較大,對目標車位的實際長度的測量不是十分準確,因此,在這里采用另外一種積分算法來進行優(yōu)化。

當超聲波探頭檢測到距離大于1 m時PCL8932模塊中的計時器開始計時,每隔100 ms記一次,并記錄此時車輛的速度；當超聲波探頭檢測的距離再一次小于1 m時,計時器停止計時。運用積分算法來計算無人車行駛過的距離。由公式

計算便可得到較為準確的目標車位長度。

目標車位的深度的測量則較為簡單,可由超聲波探頭直接測量得知。

5 駐車路徑生成

根據(jù)我國交通規(guī)則,平行駐車為右側停車,根據(jù)路邊停車位空余的情況,在能夠合理避免碰撞的前提下,選擇合適的駐車軌跡進行駐車。在C1駕照側方位停車考試標準中,要求小型車輛停車位長度為1.5倍加1 m,停車位寬度為小型車車寬加0.8 m,車道寬為1.5倍車寬加0.8 m。經(jīng)過實際測量可知一般路邊停車位長5 m,寬2 m。對于停車場中有連續(xù)多個空閑車位的情況,并不需要考慮自動駐車,這里只考慮停車位的前后已經(jīng)有車停放的情形。

根據(jù)我們平時的駐車經(jīng)驗可以將駐車過程歸納為主要的3步，即:

1）找到車位并使車輛位于初始位置；

2）轉動方向盤預備倒車，再逐漸調整方向盤轉角進行倒車；

3）在車位內調整車身位姿。

對于駐車路徑的生成,主要有兩大類研究方法:

1）路徑規(guī)劃。即事先規(guī)劃一個可行的幾何路徑,考慮環(huán)境約束、汽車運動學或動力學模型等；

2）基于經(jīng)驗的控制算法。根據(jù)泊車熟練的司機的經(jīng)驗，模擬司機的駕車行為，實時產(chǎn)生控制命令。這種方法與車輛相對于泊車位的方向和位置有關，沒有參考路徑可循。

本文采用一種全新的駐車路徑生成方法,將整個駐車過程分為3段,分別為兩段圓弧和一段直線。第1段為向右的圓弧,第2段為直線,第3段為向左的圓弧。這種駐車路徑的生成方式可以有效的避開可能的碰撞點,更為接近駕駛人員的駐車習慣,但又比一般駕駛人員駐車的成功率更高。

圖6 駐車過程Fig.6 Parking process

通過對駕駛人員駐車過程的分析；對實際駐車過程的仔細觀察與研究；以無人車為實驗主體進行的大量實際實驗；對實驗過程中的數(shù)據(jù)進行分析與總結,確定出了一條最優(yōu)泊車引導路徑。

這條最優(yōu)泊車引導路徑是以時間軸為基礎,通過對每一段駐車過程中無人車的速度和行駛時間的精準控制來確保駐車路徑的準確性。為了達到這一要求,我們通過PID調節(jié)對無人車的速度進行了精準的控制,使其在整個駐車過程中始終保持穩(wěn)定的速度勻速倒車。

同時,無人車開始倒車時的初始位置也十分重要,初始位置的選取對駐車的成功率有著極大的影響。因此,通過大量實驗,確定了一個較為合適的初始位置,即與前方車輛平行,車尾與前方車輛對齊,橫向距離為40～45 cm之間,如下圖所示。從規(guī)定的初始位置開始倒車,并對倒車速度與時間加以精確的控制,無人車就可以按照預設路徑進行自動駐車。

當無人車通過駐車車位檢測系統(tǒng)檢測到合適的目標車位后,便以低速?？恐烈?guī)定的初始位置。然后由編碼器控制方向盤原地向右打滿并且以0.5 m/s的速度勻速開始倒車,與此同時計時器開始計時,行駛后7.6 s時車身與水平夾角約為45°,這時向右的圓弧完成,即第1段路徑完成；此時控制編碼器回正方向盤繼續(xù)勻速倒車,3.6 s后完成直線路段,即第2段路徑完成；此時繼續(xù)控制編碼器迅速向左打滿方向盤繼續(xù)勻速倒車,7.9 s后車身回正,與車位平行,這時向左圓弧完成,即第3段路徑完成。此時無人車已順利停入車位,車身與邊緣平行。至此駐車過程已基本完成,再控制編碼器回正方向盤,向前移動至車身前后兩個超聲波探頭的測量距離相同,即擺好車身位置。這時整個駐車過程完成。

在整個駐車過程中,車身周圍的6個超聲波探頭一直處于開啟狀態(tài),隨時檢測在駐車過程中車身周圍的情況,防止車身與障礙物發(fā)生碰撞。

圖7 倒車初始位置Fig.7 The initial position of reversing

6 結論

本文以電動無人車為研究對象,提出一種基于工業(yè)控制計算機和超聲波測距的泊車引導系統(tǒng)。通過對實際駐車過程進行分析和總結,確定了駐車過程中的關鍵步驟,闡述了泊車引導系統(tǒng)的工作原理；對自動駐車的路徑進行了分段并規(guī)劃；設計了多路傳感器檢測的超聲波測距系統(tǒng)；提出了通過超聲波傳感器檢測駐車車位的方法等。經(jīng)過實際驗證,本文提出的方法成本低,易實現(xiàn),可行性較高,此套系統(tǒng)不僅成功的實現(xiàn)了泊車引導,并且給日常駐車提供了安全保障,為人們的生活帶來了很大的便利。

［1］王其東，魏振亞基于超聲波車位探測系統(tǒng)的自動泊車方法研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學,2013.

［2］A.布洛基，M.布圖茲.智能車輛一智能交通系統(tǒng)的關鍵技術，王武宏,譯.北京:人民交通出版社，2000.

［3］王文飛.基于超聲波與機器視覺的自動泊車系統(tǒng)設計［D］.杭州:浙江大學,2011

［4］吳鍇.智能自動泊車系統(tǒng)研究［D］.南京:南京理工大學,2008.

［5］徐津津.雙向路徑規(guī)劃在垂直自動泊車系統(tǒng)中的仿真研究［J］.天津汽車，2009（5）:36-39.XU Jin-jin.Simulation study on the vertical automatic parking system bidirectional path planning［J］.Tianjin Automobile，2009（5）:36-39.

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A research of the parking guidance system based on the ultrasonic ranging

TAN Bao-cheng，MA Teng
（Electronic&Information Engineering Institute,Xi’an Technological University,Xi’an 710032，China）

The parking guidance system is an important research direction of smart car.It has important significance to improve the accuracy and safety of daily parking.Experimental subject of this paper is a four-wheel electric unmanned smart car.It use industrial control computer as a platform，presents an parking guidance system based on industrial control computer and ultrasonic distance measurement.Around the unmanned smart body is equipped with six groups of ultrasonic sensors to detect the situation around the body，and to detect the length and depth of the target parking spaces.Therefor determining whether it’s suitable for parking.Researching and experiencing of daily parking analysis to control unmanned smart cars’speed and the steering wheel angle it provides the data for system planning out an optimal parking path.Through the real smart car validation the system can well complete the parking guidance task.Bringing great convenience to daily parking.

parking guidance；unmanned smart car；HC-SR04 ultrasonic sensors；parking path creation

TN95

：A

：1674-6236（2015）18-0096-04

2014-12-01稿件編號：201412010

中央財政支持地方高校專項發(fā)展基金(CXY1080)

譚寶成（1955—）,男,湖南湘潭人,教授。研究方向:計算機控制系統(tǒng),復雜控制系統(tǒng)以及遠程控制系統(tǒng)。