智能泊車輔助系統（APA）研究

郭鑫，韓延明，白永，程斌

（華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧 沈陽 110141）

智能泊車輔助系統（APA）研究

郭鑫，韓延明，白永，程斌

（華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧 沈陽 110141）

隨著我國經濟的快速增長以及汽車產業的蓬勃發展，城市中的機動化水平顯著提高，機動車數量劇增，隨之出現的一系列城市交通問題逐漸突出，其中“車位少，停車難”現象嚴重，因此關注城市停車問題，已經成為一項重要而緊急的工作。

APA；智能泊車；雷達；車位計算；泊車軌跡

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.010

In this paper, we study the advanced parking aid system which is through ultrasonic radar automatically detect the object around the vehicle, through digital signal processing and intelligent algorithm for calculating the length and width information of current parking space, and by automatically turn the steering wheel and HMI operation to adjust vehicle body angle, control vehicles are driven in accordance with the best parking track line, make the driver parking easily, safely, and fast.

This paper introduces the APA system architecture, system using conditions, and the calculation method of the parking space size and the parking track line, through the above content, completely introduce the APA system implementation scheme.

Keyswords:APA; parking, radar; parking space calculation; parking track line

CLC NO.:U463.6 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-28-04

前言

隨著中國乃至全球機動車數量逐年增加，以及中國城市化高速發展，城市機動車擁有量與停車位數量的矛盾也逐漸顯現，截止2013年底，中國已經有31個城市汽車保有量超過100萬輛，城市私家車增長速度高達每年20%-30%，按照停車位數量的國際慣例，中國城市停車位缺口達到50%以上，通過減小停車位面積，在有限的空間里劃分出更多的停車位就成了解決這個問題的主要手段，但駕駛者仍然要面對停車位規劃不合理，行車道及停車位變窄等問題，泊車依然困難。本文研究的智能泊車輔助系統，可以協助駕駛者在狹窄地段順利完成泊車操作，降低泊車刮碰的風險。

由于智能泊車輔助系統可以有效解決駕駛者當前遇到的泊車難題，改善靜態交通狀態，加大這方面技術的研究具有現實意義。本文研究的主要內容有：APA系統架構及原理、系統的使用環境及條件、車位面積算法和泊車入位等。

1、APA系統架構及原理

系統架構圖如圖1，主要包含的元件有：自動泊車控制器，倒車雷達，APA雷達，揚聲器，系統開關，LED指示燈，顯示設備。自動泊車控制器負責處理雷達偵測數據，計算障礙物距離，通過CAN總線與其他功能模塊通信，獲取相關數據，通過顯示器與揚聲器組成的人機界面指導駕駛者操作，本系統具備軟件升級，程序燒入，診斷等功能。

圖1 APA系統架構

1.1 雷達數據處理

本系統采用超聲波雷達進行距離偵測，在雷達發射端，利用雷達內部陶瓷材料的物理特性進行電能和機械能的轉換，將信號以超聲波的形式向外發射，當遇到障礙物后，產生反射波，被雷達接收端獲取，轉換成電信號傳送給控制器進行處理分析。超聲波傳感器測距示意圖如圖2，設定傳感器到障礙物的距離為S。

其中v是超聲波在空氣中的傳播速度，不是一個常數，在不同的溫度下會產生最大約10%的誤差，本文將v取值為340m/s，t為超聲波在從發射端到接收端的時間差，S可以使用公式1計算出來。

圖2 傳感器測距示意圖

1.2 CAN總線通訊

系統通過CAN總線與其他連接到CAN總線的功能控制器通訊，獲取計算車位面積和泊車軌跡的相關參數，如方向盤轉角，檔位，車速，車輪轉動等信息，示意圖如圖3。

圖3 CAN總線連接示意圖

2、APA系統狀態與工作條件

為滿足APA系統操作邏輯與功能實現，APA系統分為四種狀態，通過設定工作條件來區分不同的工作狀態，滿足工作條件后可以實現系統工作狀態的互相轉化，圖4為系統工作狀態轉換示意圖。APA的實現受較多條件約束，在滿足條件的情況下系統才能正常工作，各狀態限制條件如下：

系統關閉狀態：1. IGN 關閉

系統禁止狀態：1. IGN 開啟

系統待機狀態：

（1）非泊車檔位

（2）搜尋車位時車速滿足要求

（3）所有雷達功能正常

（4）系統通訊正常

系統激活狀態：

APA開關開啟

圖4 系統工作狀態轉換示意圖

系統關閉狀態是指當IGN關閉時，APA系統不上電，處于關閉狀態。

系統禁止狀態是指當IGN開啟后，檔位、車速、雷達功能、系統通訊等條件中有一項不滿足要求時，系統將禁止使用不能工作。

系統待機狀態是指當工作條件滿足后，系統進入待機狀態，等待系統開關開啟。

系統激活狀態時指APA系統開關開啟后，車輛開始自動搜尋車位指導駕駛員進行泊車。

3、車位偵測算法說明

當系統進入激活狀態后，駕駛員將車輛沿著道路方向行駛，系統通過安裝在車身上的超聲波雷達自動進行車位偵測，根據超聲波反射數據實時計算車位面積，當系統偵測到有合適的車位適合進行泊車后將指導駕駛員進行泊車入位。下面使用數學模型對車位偵測算法進行說明，本節內容只介紹算法，相關的測量和車輛行進距離等誤差不在說明范圍之內，這里以水平泊車模式，偵測車輛右方的車位為例。

定義車輛幾何中心點為原點O，車輛前進方向為Y軸，車輛右方為X軸，坐標系如圖5，當系統開始偵測車位，超聲波雷達發出n個波形后：

車輛中心前進距離為：D（n）超聲波雷達到障礙物的距離為：L（n）雷達傳感器距離X軸和Y軸的距離分別為：d（x）d（y）探測點距坐標系Y軸的距離Sx（n）距X軸的距離Sy（n）可以由下列方程式表示：

圖5 坐標系模型

雷達距離障礙物的距離可以用公式計算：

v是超聲波傳播速度為已知量，t(n)是第n個雷達波從發射到接受的時間，系統可以自動計算，車輛前進距離可以用公式計算：

V是當前實時車速，可以通過其它傳感器讀出，T是雷達發射超聲波周期，由系統設置，將公式（3）和公式（4）帶入到公式（2）中，可以計算出探測點位于坐標系下的位置，圖6是計算后探測點的示意圖：

圖6 探測點坐標模型

坐標系中的每一個探測點到X, Y軸的距離都可以用數學方程式計算出來，相鄰兩個探測點之間的X方向的距離△Sx和可以用下面的數學方程式表示：當系統偵測到△Sx的值滿足泊車要求時，將繼續計算△Sx的值在Y軸方向上持續的距離是否滿足泊車要求，圖6坐標模型中從m點到n點的△Sx都滿足泊車時車位X方向的距離要求，系統將計算m, n點之間在Y方向上的距離△Sy是否符合要求：如果△Sy的距離也滿足泊車要求，那么系統將把由m-1, m, n, n+1這四個點組成的區域認定為可以泊車的車位，從而進行自動泊車，如果△Sy的距離不滿足泊車要求，那么系統將繼續偵測，尋找下一個適合泊車的車位。

4、自動泊車入位

系統偵測到有合適的車位后，將會指導駕駛者進行泊車入位，此時駕駛者控制車速以及檔位，APA系統接管方向盤，控制泊車方向，整個泊車環節主要可以分成三個部分：

第一部分是系統控制車輛從準備倒車的位置開始以轉向角度θ進行倒車操作，直到車輛尾部接近車位，如圖7所示：

圖7 倒車示意圖1

第二部分是APA系統反向調整轉向角θ，將車輛從接近車位位置泊車入車位，如圖8所示。

經過前兩步操作，車輛基本已經處于目標車位內，第三部分是系統控制車輛在車位內前后行進，調整車身位置使其完全處于車位內部，并且保持車身水平。

圖8 倒車示意圖2

5、智能泊車輔助系統發展趨勢和研究方向

目前APA系統能夠自動偵測車位，指導駕駛員泊車入位，適應多種泊車環境，已經在多款中高檔車上應用，但仍然需要駕駛者控制車速和檔位，無法實現全自動泊車，在智能化程度和算法誤差上仍然需要提升改進，實現全自動泊車和完善算法誤差將會是智能泊車輔助系統下一步的研究方向。

未來實現汽車自動駕駛將是全世界汽車行業的共同目標，智能泊車輔助系統作為自動駕駛的重要組成成員，具有廣闊的發展空間和研究價值。

6、總結

本文主要介紹了APA系統的工作原理、系統架構、算法等基本內容，智能泊車輔助系統作為汽車智能化發展的代表功能，在今后的汽車發展中將會更好的改善駕駛舒適性和安全性，目前使用的智能泊車輔助系統還無法真正意義上實現自動化泊車，還有許多工作需要繼續去做。

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[3] 吳諧.智能泊車輔助系統研究[D]. 南京:南京理工大學.2008.

3、結論

某轎車是緊湊型轎車，立足國內市場，逐步推向國際市場。車門內飾板的設計開發，首先要滿足法規要求和人機工程要求。其次結構設計上，在滿足造型、性能及制造工藝要求的前提下，要盡量簡單，分塊做到最少，以減少模具的開發套數。既能響應公司的四化要求，又能降低開發成本。

參考文獻

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[2] 曹渡.汽車內外飾設計與實戰.[M]機械工業出版社.

[3] 技術中心設計指南.技術中心[M]主編.

Research on Advanced Parking Aid (APA)

Guo Xin, Han Yanming, Bai Yong, Cheng Bin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

With the rapid growth of China's economy and the vigorous development of the auto industry, urban motorizetion level increased significantly, in the motor vehicle to flourish, result in series of city traffic problem increasingly prominent, the phenomenon of "less parking spaces, parking hard" is serious, so pay close attention to urban parking problems, has become an important and urgent work.

U463.6

A

1671-7988(2016)01-28-04

郭鑫，就職于華晨汽車工程研究院電子工程室。

文章研究的智能泊車輔助系統（APA）是通過超聲波雷達自動偵測車輛附近的障礙物，使用數字信號處理及智能算法獲取當前停車位的長度和寬度信息，通過自動轉動方向盤調節車身角度和人機界面操作控制車輛按照最佳的泊車軌跡行駛，使駕駛員輕松，安全，快速的完成泊車入位。

文章著重介紹APA系統架構、系統使用條件、車位大小計算方法，泊車軌跡等內容，闡述完整的APA系統實現方案。