一種自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)研究

姜灝

摘 要：本文提出了一種自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)利用毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)障礙物距離、速度及方位探測；采用攝像頭實(shí)現(xiàn)可行駛區(qū)域行人、車輛及車位的探測；應(yīng)用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)道路邊沿及其他障礙物類型探測；通過超聲波雷達(dá)感知車輛近距離目標(biāo)距離；通過GPS/IMU獲取車輛的定位、姿態(tài)信息。通過實(shí)車驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案能滿足實(shí)際自動(dòng)代客泊車應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛；雷達(dá)；攝像頭；代客泊車系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U491.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0090-04

Research on An Automatic Parking System

JIANG Hao

Abstract： This paper presented an automatic valet parking system. The system used millimeter wave radar to detect the distance， speed and azimuth of obstacles， and used a camera to detect pedestrians， vehicles and parking spaces in the driving region，used laser radar to detect road edge and other obstacle types， used ultrasonic radar to perceive the distance of vehicle near target. The GPS/IMU was used to detect the distance of the vehicle. Through real vehicle verification， the design scheme could meet the actual application requirements of automatic valet parking.

Keywords： autopilot；radar；camera； parking system for passengers

自動(dòng)代客泊車功能是指當(dāng)用戶到達(dá)停車場后，車輛通過自身的環(huán)境感知系統(tǒng)檢測出泊車位信息，并能自主以低速駛進(jìn)、駛出停車場，自主尋找停車位、自主泊入空余車位及自主駛出泊車位。同時(shí)，該功能也具備駕駛員呼叫功能，即當(dāng)車主需要用車時(shí)，車輛會(huì)自主駛出停車場，以較低速度行駛至車主指定地點(diǎn)。自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)自動(dòng)泊車系統(tǒng)，智能化程度更高，極大提高了車輛的智能化水平和安全性，進(jìn)一步降低了駕駛車輛的難度，提高了駕駛舒適性，還能有效為駕駛者節(jié)約時(shí)間。同時(shí)，對(duì)于大型停車場，自動(dòng)代客泊車能充分利用停車空間，同等區(qū)域可多容納約20%的車輛。

本文旨在利用低成本設(shè)備，結(jié)合地圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定場景的自動(dòng)駕駛功能，并滿足產(chǎn)業(yè)化需求，進(jìn)而提升自主品牌效益，打破國外技術(shù)壟斷。

1 自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)代客泊車系統(tǒng)包括1個(gè)控制單元，5個(gè)77GHz毫米波雷達(dá)，5個(gè)高清攝像頭，1個(gè)16線激光雷達(dá)，1個(gè)GPS/IMU模塊和12個(gè)超聲波雷達(dá)傳感器。系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。

毫米波雷達(dá)包括1個(gè)遠(yuǎn)距離前向雷達(dá)和4個(gè)寬角度中距離角雷達(dá)。1個(gè)前向毫米波雷達(dá)安裝于車輛前部保險(xiǎn)杠或進(jìn)氣格柵中央位置。前向雷達(dá)天線輻射面與車輛X平面平行，水平位置偏移車輛中軸線小于50cm，安裝高度為30～75cm；4個(gè)角雷達(dá)分別安裝于車輛前保險(xiǎn)杠兩側(cè)及后保險(xiǎn)杠兩側(cè)，前角雷達(dá)天線罩朝向?yàn)榕c車輛前進(jìn)方向成50°的方向，后角雷達(dá)天線罩朝向?yàn)榕c車輛前進(jìn)方向成45°的方向，角雷達(dá)安裝高度為30～100cm。激光雷達(dá)安裝于車輛前保中央位置且位于車輛中軸線上，安裝高度為50～80cm，水平偏移小于50cm。GPS天線位于車頂，IMU安裝于車艙內(nèi)并位于車輛中軸線上。12個(gè)超聲波雷達(dá)傳感器包括4個(gè)側(cè)向超聲波探頭、4個(gè)前向超聲波探頭、4個(gè)后向超聲波探頭，計(jì)算單元安裝于車輛前艙內(nèi)，安裝布置見圖2。

毫米波雷達(dá)可以兼顧前向遠(yuǎn)距離及車周中距離障礙物目標(biāo)檢測，可以獲取車周目標(biāo)的距離、速度及方位信息。視覺系統(tǒng)主要檢測車輛前向中距高清攝像頭輻射區(qū)域內(nèi)障礙物目標(biāo)類型、可行駛區(qū)域及道路紋理、行人信息和車位信息等；激光雷達(dá)能有效檢測車前向中距寬角度范圍內(nèi)道路邊沿，障礙物目標(biāo)距離信息；GPS結(jié)合IMU能穩(wěn)定獲取車輛位置及姿態(tài)信息；超聲波雷達(dá)模塊能有效獲取車周360°近距離目標(biāo)信息；控制單元通過各傳感器獲取整個(gè)車周環(huán)境信息，完成車輛運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃及車輛底層控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛在低速情況下的自動(dòng)代客泊車功能。

2 毫米波雷達(dá)

本方案采用1個(gè)前向雷達(dá)與4個(gè)角雷達(dá)系統(tǒng)不斷向汽車前方車輛周圍發(fā)射高頻電磁波以探測車周環(huán)境，判定前方及車輛前側(cè)、后側(cè)是否有障礙物；當(dāng)探測到有障礙物時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)獲得這些障礙物的信息（距離、相對(duì)速度以及方位信息）。這些信息可以通過CANFD總線輸送給系統(tǒng)控制單元。

控制單元通過CANFD總線獲取雷達(dá)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，篩選出本車行駛道內(nèi)的前方障礙物距離及相對(duì)速度信息。此信息將用于控制單元后續(xù)融合視覺信息進(jìn)行車輛行駛局部行駛路徑規(guī)劃[1]。計(jì)算單元對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理流程見圖3。實(shí)際測試效果見圖4。

3 激光雷達(dá)

本方案采用16線固態(tài)激光雷達(dá)。激光雷達(dá)置于車前保柵格中央位置，主要用于道路邊沿檢測及行人車輛等的檢測，為無人駕駛車輛提供最小風(fēng)險(xiǎn)的可通行區(qū)域[2]。

激光雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程為：首先把激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，投影到1 024×1 024的柵格地圖中。每個(gè)柵格的大小為10cm×10cm，有障礙數(shù)據(jù)的柵格標(biāo)記為1，其他柵格標(biāo)記為0。標(biāo)記完柵格后對(duì)障礙物柵格進(jìn)行聚類處理[3]。根據(jù)前期建立的柵格庫進(jìn)行查表，判定車輛及行人屬性。激光雷達(dá)實(shí)際處理效果如圖5所示。計(jì)算單元激光雷達(dá)程序流程如圖6所示。

4 視覺

攝像頭識(shí)別算法處理過程為：讀取一幀圖像，逐行對(duì)圖像進(jìn)行處理。對(duì)于圖像中的各行，首先，采用對(duì)水平方向敏感的Sobel算法增強(qiáng)邊緣[4]。其次，對(duì)行信息進(jìn)行處理，進(jìn)行二值化，對(duì)二值化后的數(shù)據(jù)采用障礙物外邊緣提取算法提取障礙物外邊緣點(diǎn)[5]，得到障礙物外邊沿極坐標(biāo)參數(shù)（極坐標(biāo)半徑和角度）。最后，通過支持向量機(jī)（SVM）[6]，得到路面區(qū)域的檢測分類器，加載分類器檢測出可行駛區(qū)域的路面、車輛、行人及車位信息。實(shí)際視覺檢測效果如圖7、圖8和圖9及表1所示。

5 超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)能實(shí)時(shí)檢測車周近距離障礙物目標(biāo)信息，前、后8顆探頭支持最遠(yuǎn)2.5m距離探測，側(cè)向4顆支持最遠(yuǎn)5.5m距離探測。發(fā)射信號(hào)激勵(lì)及回波接收都通過控制單元實(shí)現(xiàn)，雷達(dá)精度約為0.03m，滿足泊車精度要求。

6 GPS/IMU

IMU/GPS模塊集成在T-box系統(tǒng)內(nèi)。T-box安裝于車內(nèi)手套箱下，位于車身中軸線上，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)提供精度維度、授時(shí)數(shù)據(jù)、車身姿態(tài)及航向等數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)更新頻率為30Hz，IMU信息更新頻率為10Hz。

7 計(jì)算單元

本方案采用的計(jì)算單元是基于英偉達(dá)Xiaver芯片的嵌入式平臺(tái)，該平臺(tái)具備多路CAN/CANFD接口、以太網(wǎng)接口及GMSL接口，同時(shí)具備足夠的I/O接口供實(shí)際使用，此開發(fā)板運(yùn)算能力完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

控制單元軟件架構(gòu)包括感知系統(tǒng)、本地環(huán)境建模系統(tǒng)和決策規(guī)劃與控制系統(tǒng)。感知系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理傳感器得到的視覺圖像、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)及激光雷達(dá)等信息，并對(duì)多源傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，經(jīng)過深度學(xué)習(xí)得到車輛可行駛區(qū)域、行人、車輛及停車位信息，建立本地車周環(huán)境模型[7]。

決策規(guī)劃系統(tǒng)基于人類駕駛經(jīng)驗(yàn)，決策出合理的動(dòng)作規(guī)劃。這個(gè)動(dòng)作經(jīng)過控制系統(tǒng)得到具體的行為序列，即橫向、縱向控制指令。行為序列經(jīng)過安全校驗(yàn)后，軟件層面確定安全，再把指令控制下發(fā)給車輛總線執(zhí)行轉(zhuǎn)向、油門和制動(dòng)執(zhí)行。實(shí)施程序如圖10所示。

8 結(jié)語

本文提出了一種代客泊車總體設(shè)計(jì)方案，該方案對(duì)選用的傳感器類型、廠家型號(hào)，傳感器安裝位置，數(shù)據(jù)傳輸方式及接口進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該方案最大的特點(diǎn)在于所采用的硬件、所選通信接口都采用車規(guī)級(jí)方案，是可實(shí)施的量產(chǎn)方案。最終通過實(shí)車驗(yàn)證，泊車性能基本達(dá)到應(yīng)用要求。

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