基于超声波测距的泊车引导系统的研究

谭宝成,马腾

(西安工业大学 电子信息工程学院,陕西 西安 710032)

基于超声波测距的泊车引导系统的研究

谭宝成,马腾

(西安工业大学 电子信息工程学院,陕西 西安 710032)

泊车引导系统作为智能汽车领域一个重要的研究方向,对于提高日常驻车的准确性和安全性有着重要的意义。本文研究的实验主体是一辆四轮电动无人驾驶智能车,以工业控制计算机为平台,提出一种基于工业控制计算机和超声波测距的泊车引导系统。通过安装在无人车车身的6组超声波传感器对车身周围情况进行检测,并检测目标车位的长度及深度,判断能否进行驻车。通过研究与分析日常的驻车经验,控制无人车的速度及方向盘转角,为系统规划出一条最佳泊车路径。经过实车验证,该系统能够良好的完成泊车引导任务,给日常泊车带来了极大的便利。

泊车引导；无人车；HC-SR04超声波传感器；泊车路径生成

近年来,我国的汽车保有量持续上升。据中国汽车工业协会统计,我国全年累计生产汽车1927.18万辆,同比增长4.6﹪,销售汽车1930.64万辆,同比增长4.3﹪［1］。伴随养汽车保有量的持续增长,“停车难”的问题就显现出来了,对于许多驾驶员而言，快速准确的将汽车驶入狭小的车位仍是一项不小的挑战。当人们顺列式驻车时，通常会阻塞一个车道的交通至少几秒钟。如果他们进入停车位碰到问题，那么这个过程会持续几分钟，这将严重扰乱交通秩序。

泊车引导系统是一种能够快速安全地使车辆自动驶入车位的泊车辅助系统,它通过超声波传感器感知车辆周围环境信息来识别目标车位,并根据车辆与停车位的相对位置信息,产生相应的路径并控制车辆的速度和方向盘转向完成自动驻车。与驾驶员停车操作复杂、停车时间长、停车安全事故率高相比,泊车引导系统提供了一种简单方便的驻车功能,降低了驻车操作时的难度,提高了车辆的智能化水平。智能车辆是智能交通系统（ITS）的关键组成部分和提高车辆主动安全的重要途径，而自动泊车是智能车辆实现自主驾驶的关键技术之一［2］。它作为智能汽车领域一个重要的研究方向，更是目前许多国内外汽车厂商争先开发的一项技术［3］。

1 泊车引导原理

本文所研究的是无人智能车在远程控制的情况下进行泊车引导,实验所用的是一辆四轮电动无人车,由48 V电源提供车辆的动力。无人车车身四周安装有6个超声波传感器,用以随时检测车身四周的环境,并且防止车身与障碍物发生刮蹭。方向盘下装有一个电机及编码器,用以控制方向盘转动,实现无人车在行驶过程中的方向控制。

当无人车需要进行自动驻车时,先以低速匀速驶过目标车位,通过传感器来实时获得环境信息和车辆位姿信息［4］,车身周围的6个超声波探头同时开启测量车身与周围物体之间的距离和角度,位于车身右侧的两个超声波探头检测车位的长度及深度,车载工控机通过分析超声波传感器返回的数据计算出目标车位的长度和深度是否适合进行自动驻车。检测出合适的车位后,无人车停至预备停车位置,准备开始倒车。开始倒车时向右打满方向盘以低速匀速向后倒车,倒至车身与水平夹角约为45°时回正方向盘继续倒车,在发现汽车右前端与前障碍车平行时快速向左打满方向盘倒车,直到车身水平时停止倒车。在其过程中务必要注意泊车位周边的环境变化,防止车身与障碍物发生刮蹭。

图1 无人智能车Fig.1 Intelligent vehicle

2 驻车方式

根据车辆停泊时相对其他车辆和车位的位置和方向，驻车大致可以分为平行驻车和垂直驻车两大类［5］。平行驻车也称为侧方停车或顺列驻车。它们的主要区别在于最终完成驻车时车身方向角与驻车过程中车辆行驶方向的位置关系。顺列驻车多用于日常路边驻车，垂直驻车则多用于在车库或停车场中停车。本文只考虑日常路边平行驻车的情况。

如图2所示。

图2 两种驻车方式Fig.2 Two kinds of parking mode

3 超声波测距

3.1 超声波测距原理

超声波是一种机械波,它的振动频率大于20 kHz,特点是方向性好、能够成为射线和定向传播。超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波；一类是用机械方式产生超声波,电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等。本文使用的便是压电式超声波发生器。

通过超声波发射装置发出超声波,接收器接到超声波的时间差就可以计算得知距离。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播的途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。空气中的声波传播速度可近似地表示为［6］:

根据单片机记录的时间差t,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即:

超声波测距原理如图3所示。

图3 超声波测距原理Fig.3 Ultrasonic ranging principle

3.2 HC-SR04超声波传感器

本文选用的是HC-SR04超声波传感器。HC-SR04超声波传感器可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能,测距精度可高达到3 mm,完全满足设计要求。

图4 超声波时序图Fig.4 Ultrasonic timing diagram

由时序图可知需要提供一个10 μs以上脉冲触发信号,模块内部将发出8个40 kHz周期的电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以由以下公式计算得到距离:

本文使用的测量周期为200 ms,一般应高于60 ms以防止发射信号对回响信号的影响。

3.3 数据采集与处理

本文使用的CPLD为Altera公司的MAX7000S系列芯片EPM7128SLC84-15N。EPM7128SLC84-15有84个引脚,其中5根用于ISP（In System Programmable）下载,可方便地对其进行系统编程。此器件内集成了6 000个门,其中典型可用门为2 500个；有8个逻辑阵列块,有128个宏单元,每个宏单元都有独立的可编程电源控制,宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复位等信号；有60个可用I/O口,可单独配置为输入、输出及双向工作方式。

单片机选择的是 STC公司的 STC89C52单片机。STC89C52使用经典的MCS-51内核,具有以下标准功能:8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4 KB EEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构,全双工串行口。

系统开启时车身四周的6路超声波探头接收到6组回波信号,CPLD中6路计数器同时开启,并行接收6组回波信号,对回波信号进行时间长度的测量,然后通过STC89C52单片机处理数据,由MAX232芯片以RS-232串行通信方式发送给工控机,工控机接收数据后经过软件处理显示出每个超声波探头所测量的距离。

4 驻车车位检测

对于自动驻车来说，必须首先感知车身周围的环境信息。当车辆通过停车区域时，需要通过传感器来实时获得环境信息和车辆位姿信息［4］。无人车在进行自动驻车时首先要确定当前所处位置,确定车身周围没有障碍物。通过安装于车身四周的6个超声波传感器对外围环境进行检测,车辆通过对这些传感器探测的数据的计算和处理来定位车辆当下的位置［7］。

当无人车需要进行自动驻车时,远程控制计算机向无人车发送指令,开启自动驻车模式,此时车身周围的6个超声波传感器开始工作,测量车身周围的环境。

图5 车位检测示意图Fig.5 Parking detection schematic diagram

自动驻车模式开启后,无人车开始以2 km/h的速度匀速向前行驶,车身右侧的超声波探头4、5检测车身右侧与障碍物的距离,当超声波探头检测到距离大于1 m时工控机中的计时器开始计时,无人车行驶一段时间后超声波探头检测到前方右侧的车辆时,测量距离再一次小于1 m,此时计时器停止计时。由公式便可得到目标车位的长度。但在实际中,这种方法误差比较大,对目标车位的实际长度的测量不是十分准确,因此,在这里采用另外一种积分算法来进行优化。

当超声波探头检测到距离大于1 m时PCL8932模块中的计时器开始计时,每隔100 ms记一次,并记录此时车辆的速度；当超声波探头检测的距离再一次小于1 m时,计时器停止计时。运用积分算法来计算无人车行驶过的距离。由公式

计算便可得到较为准确的目标车位长度。

目标车位的深度的测量则较为简单,可由超声波探头直接测量得知。

5 驻车路径生成

根据我国交通规则,平行驻车为右侧停车,根据路边停车位空余的情况,在能够合理避免碰撞的前提下,选择合适的驻车轨迹进行驻车。在C1驾照侧方位停车考试标准中,要求小型车辆停车位长度为1.5倍加1 m,停车位宽度为小型车车宽加0.8 m,车道宽为1.5倍车宽加0.8 m。经过实际测量可知一般路边停车位长5 m,宽2 m。对于停车场中有连续多个空闲车位的情况,并不需要考虑自动驻车,这里只考虑停车位的前后已经有车停放的情形。

根据我们平时的驻车经验可以将驻车过程归纳为主要的3步，即:

1）找到车位并使车辆位于初始位置；

2）转动方向盘预备倒车，再逐渐调整方向盘转角进行倒车；

3）在车位内调整车身位姿。

对于驻车路径的生成,主要有两大类研究方法:

1）路径规划。即事先规划一个可行的几何路径,考虑环境约束、汽车运动学或动力学模型等；

2）基于经验的控制算法。根据泊车熟练的司机的经验，模拟司机的驾车行为，实时产生控制命令。这种方法与车辆相对于泊车位的方向和位置有关，没有参考路径可循。

本文采用一种全新的驻车路径生成方法,将整个驻车过程分为3段,分别为两段圆弧和一段直线。第1段为向右的圆弧,第2段为直线,第3段为向左的圆弧。这种驻车路径的生成方式可以有效的避开可能的碰撞点,更为接近驾驶人员的驻车习惯,但又比一般驾驶人员驻车的成功率更高。

图6 驻车过程Fig.6 Parking process

通过对驾驶人员驻车过程的分析；对实际驻车过程的仔细观察与研究；以无人车为实验主体进行的大量实际实验；对实验过程中的数据进行分析与总结,确定出了一条最优泊车引导路径。

这条最优泊车引导路径是以时间轴为基础,通过对每一段驻车过程中无人车的速度和行驶时间的精准控制来确保驻车路径的准确性。为了达到这一要求,我们通过PID调节对无人车的速度进行了精准的控制,使其在整个驻车过程中始终保持稳定的速度匀速倒车。

同时,无人车开始倒车时的初始位置也十分重要,初始位置的选取对驻车的成功率有着极大的影响。因此,通过大量实验,确定了一个较为合适的初始位置,即与前方车辆平行,车尾与前方车辆对齐,横向距离为40～45 cm之间,如下图所示。从规定的初始位置开始倒车,并对倒车速度与时间加以精确的控制,无人车就可以按照预设路径进行自动驻车。

当无人车通过驻车车位检测系统检测到合适的目标车位后,便以低速停靠至规定的初始位置。然后由编码器控制方向盘原地向右打满并且以0.5 m/s的速度匀速开始倒车,与此同时计时器开始计时,行驶后7.6 s时车身与水平夹角约为45°,这时向右的圆弧完成,即第1段路径完成；此时控制编码器回正方向盘继续匀速倒车,3.6 s后完成直线路段,即第2段路径完成；此时继续控制编码器迅速向左打满方向盘继续匀速倒车,7.9 s后车身回正,与车位平行,这时向左圆弧完成,即第3段路径完成。此时无人车已顺利停入车位,车身与边缘平行。至此驻车过程已基本完成,再控制编码器回正方向盘,向前移动至车身前后两个超声波探头的测量距离相同,即摆好车身位置。这时整个驻车过程完成。

在整个驻车过程中,车身周围的6个超声波探头一直处于开启状态,随时检测在驻车过程中车身周围的情况,防止车身与障碍物发生碰撞。

图7 倒车初始位置Fig.7 The initial position of reversing

6 结论

本文以电动无人车为研究对象,提出一种基于工业控制计算机和超声波测距的泊车引导系统。通过对实际驻车过程进行分析和总结,确定了驻车过程中的关键步骤,阐述了泊车引导系统的工作原理；对自动驻车的路径进行了分段并规划；设计了多路传感器检测的超声波测距系统；提出了通过超声波传感器检测驻车车位的方法等。经过实际验证,本文提出的方法成本低,易实现,可行性较高,此套系统不仅成功的实现了泊车引导,并且给日常驻车提供了安全保障,为人们的生活带来了很大的便利。

［1］王其东，魏振亚基于超声波车位探测系统的自动泊车方法研究［D］.合肥:合肥工业大学,2013.

［2］A.布洛基，M.布图兹.智能车辆一智能交通系统的关键技术，王武宏,译.北京:人民交通出版社，2000.

［3］王文飞.基于超声波与机器视觉的自动泊车系统设计［D］.杭州:浙江大学,2011

［4］吴锴.智能自动泊车系统研究［D］.南京:南京理工大学,2008.

［5］徐津津.双向路径规划在垂直自动泊车系统中的仿真研究［J］.天津汽车，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.

［6］冯若.超声手册［M］.南京:南京大学出版社，1999.

［7］Bouaziz S.，Fan M.，Reynaud R.Multi-sensors and Environment Simulator for Collision Avoidance Applications［C］//Fifth IEEE International Workshop Proceedings，2000 127-130.

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稿件编号：201412010

中央财政支持地方高校专项发展基金(CXY1080)

谭宝成（1955—）,男,湖南湘潭人,教授。研究方向:计算机控制系统,复杂控制系统以及远程控制系统。