冉光偉, 馬樂，黃楚然，翟偉良

(1.廣州汽車集團(tuán)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(xué)廣州學(xué)院工程研究院，廣東廣州 510800)

乘用車動態(tài)倒車輔助線設(shè)計

冉光偉1, 馬樂2，黃楚然2，翟偉良2

(1.廣州汽車集團(tuán)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(xué)廣州學(xué)院工程研究院，廣東廣州 510800)

針對目前可視化倒車輔助系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，提出基于實(shí)時方向盤信號的動態(tài)倒車輔助線設(shè)計。根據(jù)阿克曼幾何原理對車輛倒車過程中車輛運(yùn)動進(jìn)行分析，通過獲取的方向盤轉(zhuǎn)角信號生成預(yù)測的倒車軌跡并經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后實(shí)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(shí)車實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所開發(fā)的動態(tài)倒車輔助線的實(shí)時性和有效性。

動態(tài)倒車輔助線；阿克曼幾何原理；坐標(biāo)變換

0 引言

隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車電子也得到快速發(fā)展[1]，許多的先進(jìn)電子輔助駕駛系統(tǒng)被設(shè)計出來，如倒車?yán)走_(dá)、胎壓檢測、360°全景、導(dǎo)航等[2]，并且逐步成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，其中先進(jìn)倒車輔助系統(tǒng)是最受矚目的新技術(shù)之一。

目前，汽車倒車輔助系統(tǒng)(Parking Assist System)大致可以分為2種形式：一種是倒車?yán)走_(dá)，通過超聲波雷達(dá)探測距離和物體[3-4]，當(dāng)其接近或探測到有障礙物時，即發(fā)出間斷或持續(xù)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(huán)境顯示在車載LCD屏幕上[5-7]，駕駛員可以實(shí)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(yù)測。如果能開發(fā)出在顯示屏上根據(jù)駕駛者所旋轉(zhuǎn)的方向盤角度預(yù)測出車輛的倒車軌跡并配有距離標(biāo)尺的輔助倒車系統(tǒng)，將對駕駛者倒車操控很有幫助，能大大減少因?yàn)轳{駛經(jīng)驗(yàn)缺失造成的判斷錯誤。

作者根據(jù)車輛的轉(zhuǎn)向角和倒車車速，結(jié)合雷達(dá)探測傳感器，在車載多媒體系統(tǒng)中開發(fā)動態(tài)倒車估計算法，并在車載多媒體屏幕上顯示倒車預(yù)測軌跡，實(shí)現(xiàn)倒車視野可視、障礙物距離和聲音提醒的倒車輔助系統(tǒng)，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(shí)時動態(tài)預(yù)測倒車方向，指引駕駛員適時調(diào)整倒車路線，幫助駕駛員安全、快速地完成倒車。

1 系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

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

圖1 倒車輔助系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 倒車軌跡計算

在低速運(yùn)動條件下，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理可以推算轉(zhuǎn)彎中心點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎外半徑、轉(zhuǎn)彎內(nèi)半徑，從而確定車輛轉(zhuǎn)彎的地面軌跡，如圖2所示。

圖2中，根據(jù)車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑計算出車輛的最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎半徑(向左/右)；θmax_Left、θmax_Right表示最大轉(zhuǎn)彎角度(向左/右)。

CAN上的方向盤信號值和車輛轉(zhuǎn)彎角度采用線性的對應(yīng)關(guān)系，通過方向盤信號來判斷車輪轉(zhuǎn)角。當(dāng)CAN接收到任意方向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時CAN上產(chǎn)生的信號值；θ為等效前輪轉(zhuǎn)角。由圖2可知：車輛倒車時以點(diǎn)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(jù)上述θ可以求出點(diǎn)O坐標(biāo)以及R1和R2的值：

(3)

根據(jù)表1的標(biāo)定數(shù)據(jù)在MATLAB中搭建車輛的運(yùn)動學(xué)模型[8]，獲得車輛在固定轉(zhuǎn)角下R1和R2的仿真軌跡，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)角為18°時R1和R2的軌跡

如圖3所示，當(dāng)θ=18°時，車輛進(jìn)行倒車運(yùn)動，左后角以及右后角的軌跡如紅線所示。

表1 攝像機(jī)各參數(shù)標(biāo)定

1.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)值模擬

車輛倒車的實(shí)際軌跡線需要投影到倒車攝影機(jī)上[9]。但因?yàn)橛嬎銜r使用的是現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)，如果直接投影到顯示屏?xí)斐捎嬎憬Y(jié)果和實(shí)際影像不對應(yīng)，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至后方攝影機(jī)坐標(biāo)，稱之為攝像機(jī)標(biāo)定[10-11]?？梢杂萌缦率絹磉M(jìn)行計算：

(4)

式中：Pc為轉(zhuǎn)換后攝影機(jī)坐標(biāo)下的點(diǎn)；Pw為現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)中對應(yīng)的點(diǎn)；M為轉(zhuǎn)換矩陣；R為旋轉(zhuǎn)分量；T為平移分量。

根據(jù)式(4)和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取的轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)據(jù)，在MATLAB上搭建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換仿真效果

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

圖5 影像坐標(biāo)上的投影圖像

2 實(shí)車試驗(yàn)

圖6是所開發(fā)的倒車輔助系統(tǒng)實(shí)際裝車試驗(yàn)時的倒車影像截圖，實(shí)際倒車時能幫助駕駛員成功倒車入庫。

圖6 實(shí)車倒車試驗(yàn)

圖中顯示，倒車的時候，車機(jī)左邊顯示的是俯視狀態(tài)下汽車在當(dāng)前方向盤轉(zhuǎn)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(tài)和車身周圍整體情況；右邊顯示的是車輛正后方的定位區(qū)域狀態(tài)，可以隨時確認(rèn)后方安全。友好的UI顯示有助于在倒車過程中隨時調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角以實(shí)現(xiàn)成功倒車，幫助泊車經(jīng)驗(yàn)欠缺的司機(jī)提高泊車安全。

3 結(jié)論

首先闡述車輛倒車的研究背景，對倒車輔助系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，然后根據(jù)阿克曼幾何原理對車輛倒車過程中的倒車軌跡線進(jìn)行推導(dǎo)計算，并根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理對實(shí)際的倒車軌跡線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其投影到攝影機(jī)上。為了驗(yàn)證所開發(fā)的動態(tài)倒車輔助線的有效性，進(jìn)行了實(shí)車實(shí)裝驗(yàn)證，證明了動態(tài)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(shù)招標(biāo)項(xiàng)目專項(xiàng)資金支持項(xiàng)目(2013B010138002)

冉光偉(1980—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事車聯(lián)網(wǎng)及汽車電子控制單元的開發(fā)。E-mail:lvyang_ran@126.com。