引言

自動(dòng)泊車系統(tǒng)作為自動(dòng)駕駛技術(shù)中不可缺少的一部分,正越來(lái)越多地走進(jìn)人們的生活,該功能的成功運(yùn)用能夠有效降低用戶泊車難度,解決新手駕駛員泊車難問(wèn)題。建圖定位模塊是自動(dòng)泊車功能順利實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),主要任務(wù)是為泊車全過(guò)程提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)定位的地圖信息,保證泊車安全順利進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)并不是所有車型都配備了自動(dòng)泊車系統(tǒng),自動(dòng)泊車系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用依賴其基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,因此,建圖定位技術(shù)研究能夠?qū)?guó)產(chǎn)汽車的泊車系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展起到積極的推動(dòng)、促進(jìn)作用。

1自動(dòng)泊車系統(tǒng)

自動(dòng)泊車系統(tǒng)首先利用車輛配置的各種傳感器獲取車輛周圍的環(huán)境信息,在車位掃描完成后向人機(jī)交互或控制決策模塊輸出可停車位:然后根據(jù)建立的地圖和定位信息,系統(tǒng)規(guī)劃出一條最優(yōu)的泊車路徑并完成泊車過(guò)程。在此過(guò)程中,通過(guò)智能控制解決駕駛員"我在哪""我要去哪"以及"我怎么去"這3個(gè)重要問(wèn)題,幫助駕駛員快速、安全地完成泊車操作。

為保證車輛能夠順利完成整個(gè)泊車入庫(kù)過(guò)程,自動(dòng)泊車控制系統(tǒng)可分為建圖定位、路徑規(guī)劃和控制決策3個(gè)模塊,如圖1所示。駕駛員通過(guò)操作車輛的人機(jī)交互界面開啟自動(dòng)泊車功能,車輛開始低速行駛,這個(gè)過(guò)程中建圖定位模塊利用超聲波傳感器、攝像頭、車身傳感器等進(jìn)行周圍環(huán)境信息的采集,掃描和識(shí)別可停車位,同時(shí)保證對(duì)車輛本身的實(shí)時(shí)定位和跟蹤:路徑規(guī)劃模塊根據(jù)建圖定位模塊輸出的地圖和定位信息進(jìn)行車輛泊車路線的規(guī)劃:控制決策模塊主要按照規(guī)劃路徑和實(shí)時(shí)地圖對(duì)車輛進(jìn)行執(zhí)行控制,通過(guò)EPS、擋位、車速等控制最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車。

按照泊車過(guò)程分析,整個(gè)自動(dòng)泊車過(guò)程可分為尋找可停車位和泊入已選車位兩個(gè)d步,其驟作流程和結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2建圖定位關(guān)鍵技術(shù)

建圖定位模塊的關(guān)鍵技術(shù)主要包括車輛本身定位和車位地圖掃描兩個(gè)部分。該模塊需要完成車輛周圍信息的感知和建模,車輛自身的定位和跟蹤反饋,所建立的地圖和定位信息是自動(dòng)泊車路徑規(guī)劃和控制決策模塊的根本基礎(chǔ),也是決定車輛自動(dòng)泊車質(zhì)量的直接因素。

2.1定位技術(shù)

根據(jù)車輛配置的不同,對(duì)自動(dòng)泊車常用的定位技術(shù)總結(jié)介紹如下。

2.1.1電子信號(hào)定位技術(shù)

基于電子信號(hào)的定位最典型的就是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。目前使用較多的GPS的基本定位原理就是利用三顆衛(wèi)星球面交匯確定目標(biāo)點(diǎn)絕對(duì)位置,如圖3(a)所示。受諸多因素影響,車載GPS的精度雖然能達(dá)到3~4m,但是并不能滿足自動(dòng)泊車系統(tǒng)的定位精度要求,所以一般采用衛(wèi)星實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)來(lái)提高定位的精度。

差分技術(shù)原理是已知基站的精確位置坐標(biāo),利用多個(gè)衛(wèi)星發(fā)信號(hào)到基站,計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離修正數(shù),用戶通過(guò)實(shí)時(shí)接收修正數(shù)來(lái)修正錯(cuò)誤的定位結(jié)果[3],如圖3(b)所示。

圖3GPS三球定位與差分技術(shù)示意圖

2.1.2航跡推算定位技術(shù)

基于航跡推算的定位主要采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和里程計(jì)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)建立在慣性原理的基礎(chǔ)上,由車輛IMU全天候地輸出六自由度的信息,包括x、y、z、roll、pitch和yaw。其基本原理是首先由測(cè)量的角速度積分推算姿態(tài),根據(jù)姿態(tài)信息將測(cè)量的加速度投影到導(dǎo)航坐標(biāo)系,進(jìn)而對(duì)投影后的加速度去除重力后進(jìn)行積分推算位置,因此系統(tǒng)誤差會(huì)隨著時(shí)間累計(jì)成為慣性導(dǎo)航中最大的問(wèn)題。

里程計(jì)定位是基于車輛輪速傳感器的應(yīng)用,通過(guò)標(biāo)定的方法獲得單位脈沖的距離,再通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算車輪行駛的距離,進(jìn)而獲得車輛的航向角和當(dāng)前位姿。以圖2所示車輛配置傳感器的情況為例,對(duì)基于輪脈沖的里程計(jì)定位算法介紹如下。

(1)脈沖系數(shù)標(biāo)定。

以輪脈沖傳感器作為定位模塊的主要傳感器,輪脈沖通過(guò)標(biāo)定可以獲取車輛單位脈沖行駛的距離,即脈沖系數(shù)。分別標(biāo)定車輛驅(qū)動(dòng)輪左右兩側(cè)脈沖系數(shù),通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)可獲得車輛行駛距離,如式(1)(2)所示:

式中:SL、SR分別表示左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪、右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪行駛的距離:NL、NR分別表示左、右驅(qū)動(dòng)輪脈沖系數(shù):LL、LR分別表示左、右驅(qū)動(dòng)輪脈沖計(jì)數(shù)。

(2)車輛EPS轉(zhuǎn)角標(biāo)定。

采用半圓標(biāo)定法對(duì)EPS轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行標(biāo)定,原理如圖4所示。首先將待標(biāo)定車輛停在標(biāo)有直線的測(cè)試場(chǎng)地,將車輛的后軸中心與直線重合,控制EPS轉(zhuǎn)角為待標(biāo)定值,將兩后輪外側(cè)對(duì)地點(diǎn)標(biāo)記為L(zhǎng)0、R0:然后保持EPS轉(zhuǎn)角不變,車輛以較低的速度穩(wěn)定行駛轉(zhuǎn)過(guò)1809,將兩后輪外側(cè)對(duì)地點(diǎn)標(biāo)記為L(zhǎng)1、R1,測(cè)量(L0,L1)和(R0,R1)之間的距離,分別為DL、DR,計(jì)算車輛轉(zhuǎn)彎半徑為R=(DL＋DR)/2。采用如圖5所示表格對(duì)EPS轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行記錄,用于定位查表計(jì)算。

(3)定位跟蹤計(jì)算。

以后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向車輛為例,對(duì)車輛定位推算建立如圖6所示模型。

通過(guò)對(duì)左右兩側(cè)輪脈沖系數(shù)標(biāo)定得到左右兩側(cè)車輪行駛距離,如式(1)(2)所示,可得車輛后軸中心行駛距離如下:

利用查表法(圖5)獲取當(dāng)前EPS轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)彎半徑R,由圖6可知:

因此 ,定位模塊輸出車輛姿態(tài)信息如下:

2.1.3環(huán)境特征匹配定位技術(shù)

基于環(huán)境特征匹配的定位技術(shù)最典型的應(yīng)用是激光雷達(dá)技術(shù)。激光雷達(dá)以激光為載波,形成點(diǎn)云形式的數(shù)據(jù),通過(guò)發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)距測(cè)速和識(shí)別。激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射器、激光接收器和光學(xué)掃描鏡三部分組成,基本工作過(guò)程是激光發(fā)射系統(tǒng)將電脈沖轉(zhuǎn)換為光脈沖發(fā)出,激光脈沖在障礙物表面發(fā)生漫反射,部分反射光束會(huì)沿著和入射光束一樣的方向返回。在光速已知的情況下,通過(guò)測(cè)量發(fā)射至接收脈沖的時(shí)間差計(jì)算出距離。

2.2車位識(shí)別技術(shù)

以圖2所示車輛配置的超聲波傳感器和攝像頭情況為例,車位識(shí)別主要涉及兩種技術(shù):一種是通過(guò)車輛超聲波傳感器進(jìn)行車位障礙物的識(shí)別和矯正,另一種是通過(guò)攝像頭進(jìn)行車位線的識(shí)別和矯正。

尋庫(kù)階段主要任務(wù)是對(duì)車位進(jìn)行掃描和識(shí)別,尋找可停車位:入庫(kù)階段主要任務(wù)是在確定泊入庫(kù)位后,通過(guò)車輛前后攝像頭和超聲波傳感器實(shí)時(shí)對(duì)庫(kù)位信息進(jìn)行矯正,更新庫(kù)位地圖,以保證車輛安全、順利、準(zhǔn)確地完成泊入。

2.2.1超聲波邊緣檢測(cè)技術(shù)

尋庫(kù)階段對(duì)車位進(jìn)行掃描和識(shí)別,主要是利用超聲波對(duì)障礙物邊界進(jìn)行檢測(cè),從而確定可停庫(kù)位的邊緣。通過(guò)車輛上側(cè)面安裝的超聲波傳感器,在車輛行進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù),確定環(huán)境中的障礙物情況。其原理如圖7所示。

圖7尋庫(kù)超聲波邊緣檢測(cè)示意圖

入庫(kù)階段超聲波檢測(cè)技術(shù)主要對(duì)已選定的泊車庫(kù)位進(jìn)行矯正和更新,利用車輛上前后安裝的超聲波傳感器,在車輛泊入過(guò)程中進(jìn)行障礙物邊界更新。其原理如圖8所示。

2.2.2攝像頭車位線檢測(cè)技術(shù)

在尋庫(kù)階段,利用左右魚眼攝像頭傳感器提供圖像特征信息,通過(guò)車位識(shí)別算法正確檢測(cè)車位的4條邊線,進(jìn)行車位掃描和識(shí)別。

在入庫(kù)階段,利用前后魚眼攝像頭提供的圖像信息對(duì)尋庫(kù)結(jié)果進(jìn)行更新,進(jìn)一步提升地圖的精度,保證車輛順利完成泊車控制。

圖8入庫(kù)超聲波邊緣檢測(cè)示意圖

3建圖定位測(cè)試與評(píng)價(jià)

對(duì)自動(dòng)泊車建圖定位模塊的評(píng)價(jià)主要包括對(duì)定位算法的評(píng)價(jià)和對(duì)車位地圖的評(píng)價(jià)兩方面。其中,對(duì)定位算法的評(píng)價(jià)以車輛位姿(x、y、θ)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性為測(cè)量指標(biāo)和參數(shù):對(duì)車位地圖的評(píng)價(jià)是將算法庫(kù)輸出車位與真實(shí)車位進(jìn)行對(duì)比,可從車位的漏檢、誤檢以及車位的準(zhǔn)確度3個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)和分析可推斷,未來(lái)自動(dòng)泊車系統(tǒng)中建圖定位的各類算法將進(jìn)一步融合,取長(zhǎng)補(bǔ)短。利用各類傳感器、算法的融合實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知客觀清晰、控制算法高效精準(zhǔn)且穩(wěn)定,是今后自動(dòng)泊車技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向:同時(shí)自動(dòng)泊車中應(yīng)用的建圖定位方法可進(jìn)一步推廣至其他自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,對(duì)整個(gè)自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展具有普適性。