自動泊車的超聲波車位探測系統(tǒng)分析

摘 要：自動泊車是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，由多個子系統(tǒng)組合而成，其中超聲波車位探測系統(tǒng)就是非常重要的子系統(tǒng)之一，主要是以自動泊車作為根本的泊車目標(biāo)，并在超聲波傳感器以及其他技術(shù)方式的作用之下進(jìn)行了系統(tǒng)方案的制定和控制程序的編寫。該系統(tǒng)可以對車位的尺寸是否符合自動泊車的需求以及車位的類型進(jìn)行判別，最終完成自動泊車工作。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，自動泊車的超聲波車位探測系統(tǒng)可以很好地探測車位，并對車位周圍的數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，保證自動泊車工作的順利完成。

關(guān)鍵詞：自動泊車;超聲波傳感器;車位探測系統(tǒng)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

近年來我國汽車行業(yè)迅速發(fā)展，汽車的保有量持續(xù)地提升，汽車已經(jīng)普及到了千家萬戶。也正是由于這些因素停車場越來越緊張，車位的設(shè)計也變得越發(fā)苛刻，車位狹窄、泊車環(huán)境差已經(jīng)是非常常見的問題了，基于這一背景，自動泊車市場需求不斷地增多，汽車的智能化功能越來越受關(guān)注。

自動泊車超聲波車位探測系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是為汽車的駕駛系統(tǒng)提供豐富和精準(zhǔn)的環(huán)境信息，其中距離信息最為重要。超聲波傳感器在國內(nèi)外的很多移動機(jī)器人上都得到了十分廣泛性地應(yīng)用。但是在汽車的自動泊車系統(tǒng)當(dāng)中，超聲波傳感器通常被應(yīng)用在測距方面，其他的應(yīng)用研究是非常少的。因此，本文是從這一背景出發(fā)，對超聲波車位探測系統(tǒng)在自動泊車領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了十分詳細(xì)地探析，主要目的在于構(gòu)建起倒車環(huán)境模型，將車輛周圍的環(huán)境信息獲取更加精準(zhǔn)，提高泊車的精準(zhǔn)性以及可靠性。

1 自動泊車系統(tǒng)

自動泊車系統(tǒng)在通常情況是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車輛的控制系統(tǒng)和中央處理系統(tǒng)等組合而成的。周圍數(shù)據(jù)環(huán)境的采集系統(tǒng)主要是對停車空間進(jìn)行探測，目的是探測倒車的起點(diǎn)，之后將這些采集到的數(shù)據(jù)信息直接傳輸?shù)街醒胩幚砥飨到y(tǒng)當(dāng)中去;中央處理器系統(tǒng)會接收到這些數(shù)據(jù)信息，而后對它們進(jìn)行分析和處理，對車輛所處的位置、泊車的位置、車輛周圍的環(huán)境參數(shù)等等進(jìn)行確定，在獲取到非常精準(zhǔn)和全面的數(shù)據(jù)信息之后會自動性地生成泊車控制策略，后將倒車的控制策略轉(zhuǎn)換成為電信號，發(fā)送到車輛的控制系統(tǒng)當(dāng)中去?？刂葡到y(tǒng)在接受到信號之后會自動地識別，之后再利用中央處理系統(tǒng)發(fā)射出來的關(guān)于倒車控制的角度、方向以及動力等最終做出最合理的操作控制。

在自動泊車技術(shù)的應(yīng)用過程中，最常見的控制策略包括以路線為基礎(chǔ)的自動泊車控制、以適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的自動泊車控制和以模糊控制為基礎(chǔ)的自動泊車控制。

2 自動泊車的超聲波車位探測系統(tǒng)

（1）超聲波車位測距的原理分析。超聲波探測系統(tǒng)中核心技術(shù)是超聲波傳感器，是由發(fā)射端和接收端兩個部分組成的，對障礙物進(jìn)行探測。在發(fā)射端向外部發(fā)射出超聲波之后，會經(jīng)過障礙物進(jìn)行反射，之后接收端將其檢測到。如果將這個過程所需要的時間設(shè)為t，超聲波的傳播速度設(shè)為C，傳感器與障礙物之間的距離設(shè)為S，則有公式S=Ct/2。

（2）如何探測車位。自動泊車超聲波車位探測系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，其主要是利用車身側(cè)面的超聲測距模塊組合合成的，利用超聲傳感器探測車輛側(cè)面障礙物存在情況，以此來對車輛進(jìn)行探測與定位。

自動泊車技術(shù)的研究與應(yīng)用最主要的目的就是在狹窄的車位空間當(dāng)中，引導(dǎo)與幫助駕駛員快速且安全地完成泊車，所以本文關(guān)于超聲波車位探測系統(tǒng)的研究都是在前后都有車的前提下進(jìn)行的。在對車輛的泊位進(jìn)行探測的過程中，車輛是一個定速運(yùn)行并平行駕駛到泊車位當(dāng)中的，可以將這個速度設(shè)為v。在車輛行駛到后車停放位置時，車內(nèi)的超聲波傳感器就會對本車與該車之間的橫向距離進(jìn)行測量，這個距離設(shè)為D，假設(shè)此時超聲波的傳播速度C，td是超聲波傳感器從發(fā)射超聲波到接收到反射回波之間的時間間隔。它們之間的關(guān)系可以用公式來表示：D=Ctd/2。

在車輛經(jīng)過后方車輛的前邊緣之后，超聲傳感器傳輸出來的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生變化，所測量到的數(shù)據(jù)有一個跳變，所以這個階段DSP處理器所記錄的當(dāng)前時間可以設(shè)為t1。

如果車輛持續(xù)地勻速行駛，在行駛到前后兩個車中間位置之后，DPS會對泊位的寬度進(jìn)行計算，可以將寬度設(shè)為W。泊車位的寬度有兩種不同的類型，一種泊車位的橫向位置處是不存在障礙物的，這樣在車經(jīng)過這個車位時超聲波傳感器就會對橫向距離進(jìn)行測量，這個測量值會始終保持最大化，此時W的結(jié)果為傳感器最大的測量值;另一種是泊車位橫向位置上存在著障礙物，墻、樹木以及車輛等，所以此時會應(yīng)用到超聲的測距原理，車輛和障礙物之間的距離設(shè)為S，之后對泊車位的寬度W進(jìn)行計算：W=S-D。

在車輛經(jīng)過前方車輛的后邊緣時，超聲波傳感器測量出的數(shù)據(jù)值會再一次產(chǎn)生調(diào)動，此時DPS處理器會對當(dāng)前的時間進(jìn)行記錄設(shè)為t2。再將第二次的跳動時間記錄完成之后，DPS處理器會對測速的模塊進(jìn)行調(diào)用，之后對車位的長度L進(jìn)行計算，公式為：L=v（t2-t1）。

超聲波車位探測系統(tǒng)的處理器裝置在對車位的長度L和寬度W進(jìn)行分析之后，對車位是否滿足泊車要求以及泊車的類型進(jìn)行判斷。本文研究采取的判斷方法是借助實(shí)驗(yàn)車的實(shí)際規(guī)格，對實(shí)驗(yàn)車在自動泊車過程中各個類型車位的長度與寬度范圍進(jìn)行確定。之后利用處理器對檢測到的車位進(jìn)行分析，判斷其是否滿足自動泊車的要求，同時對泊車的類型進(jìn)行判斷。

3 超聲波車位探測系統(tǒng)的設(shè)計

（1）總體性構(gòu)想。在本文的研究當(dāng)中超聲波傳感器利用的是一體式的集成芯片，所以整體構(gòu)造設(shè)計是非常簡單的。超聲波探測系統(tǒng)主要由三個部分組合而成：超聲波傳感器、外圍電路、信號處理單元。其中，利用外圍電路對傳感器的信號進(jìn)行降壓處理;利用信號處理單元對整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，做好信號的接收與處理工作。

（2）硬件設(shè)施的構(gòu)建。首先，超聲波處理器。本文研究中采用的是德國公司生產(chǎn)的超聲波傳感器，檢測的范圍控制在合理范圍之內(nèi)。其次，外圍電路。本系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中的外圍電路設(shè)計主要是對超聲波傳感器發(fā)射出來的信號進(jìn)行處理，保證其電壓值的范圍在9.6 V之內(nèi)，系統(tǒng)在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要利用外圍電路對輸入的信號進(jìn)行降壓化的處理。最后，信號處理單元。在該系統(tǒng)中所用到的主芯片最高頻率可以高達(dá)150 MHz，并擁有32位低功耗定點(diǎn)處理器，所以在操作能力、反應(yīng)速度以及中斷響應(yīng)處理能力方面有很大的優(yōu)勢。該系統(tǒng)的DSP芯片中具有大量可以在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的外部接線口，對電路設(shè)計進(jìn)行了很好地優(yōu)化，也有很好的處理能力，可以將其認(rèn)為是一款高性能的DSP處理器。

（3）軟件技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。超聲波探測系統(tǒng)的軟件功能主要包括幾個方面的內(nèi)容，其中在系統(tǒng)硬件功能完善的基礎(chǔ)之上，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示控制、數(shù)據(jù)處理、信號控制、計時等，也可以與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。本文在研究過程中所采用的是TI公司為DSP專門設(shè)計的應(yīng)用軟件，運(yùn)用的是C語言，具體操作流程如下：系統(tǒng)進(jìn)行初始化——定時器配置——開總中斷——定時器啟動——子程序的開啟中斷——數(shù)值讀取——對是否進(jìn)入子程序模進(jìn)行判。

（4）系統(tǒng)與上位機(jī)通訊。想要對車位的類型以及長度進(jìn)行精準(zhǔn)地計算，做好后續(xù)泊車的準(zhǔn)備工作，就需要將系統(tǒng)和上位機(jī)聯(lián)系到一起，做好數(shù)據(jù)的傳輸和總控工作。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，CAN通信的性能與可靠性很高，所以在汽車領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較為廣泛的應(yīng)用。因此，需要利用CAN建立起DSP和上位機(jī)之間的聯(lián)系，并利用測控的軟件對探測的結(jié)果進(jìn)行觀察。

（5）實(shí)車試驗(yàn)。實(shí)車試驗(yàn)的開展是按照真實(shí)的停車場布局實(shí)施的，用車輛將不同規(guī)格和類型的車位擺放出來。試驗(yàn)中利用的是電動實(shí)驗(yàn)車，以7 km/h的時速開過車位，在行車過程中試驗(yàn)電動車側(cè)面的超聲波傳感器會對車位進(jìn)行測量，接收器接收傳感器發(fā)出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，之后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并利用上位機(jī)對車位的基本信息情況進(jìn)行記錄。在試驗(yàn)過程中，車位前后都會有車輛停放，所以車位的寬度是可以滿足要求的，系統(tǒng)只需要對長度進(jìn)行測量即可，此時系統(tǒng)的車位判斷子程序會結(jié)合車的長度自動判斷。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)對于車位類型的判斷是非常精準(zhǔn)的，但是長度方面還有待提升，特別是在平行車位長度進(jìn)行判斷時，誤差相對明顯。

4 結(jié)束語

綜上所述，自動泊車技術(shù)是伴隨著汽車工業(yè)以及智能化技術(shù)興起而發(fā)展起來的，為駕駛?cè)藛T提供了極大的便利性，也是汽車產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展的重要標(biāo)志，受到了人們的廣泛性關(guān)注。超聲波車位探測系統(tǒng)是自動泊車系統(tǒng)的子系統(tǒng)，由超聲波傳感器、外圍電路和信號處理單元構(gòu)成，可以對車位的類型、長度和寬度等進(jìn)行精準(zhǔn)地判斷，準(zhǔn)確地獲取泊車位外部環(huán)境參數(shù)。因此，對超聲波車位探測系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深入地研究，對自動泊車技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展以及汽車智能化的進(jìn)步等都具有重要意義。

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作者簡介：范夢陽（1991-），女，重慶人，碩士研究生，研究方向：汽車智能技術(shù)。

課題名稱：基于多傳感器融合的車輛自動泊車停車位檢測方法研究;編號：XJZK202002。