超聲波傳感器泊車輔助系統

蔣攀 陳新全 萬想

摘 要：隨著我國經濟水平和人民生活水平的不斷提高，近年來國內私家車的數量不斷增加，據有關部門統計數據，截止到2018年6月底，全國機動車保有量達到3.19億輛，全國獲得機動車駕駛資格的人數達3.96億人，僅2018年上半年全國新增駕駛人數量就達到1325萬人。而對于駕駛經驗不足的新駕駛員來說，泊車則是一大難題，通過超聲波傳感器和陀螺儀的數據融合判斷障礙物的精確方位和深度信息，再通過語音合成進行障礙物信息的語音播報。提出了平行泊車和垂直泊車兩種泊車情景下車身姿態角的主次要參數確定，泊車質量的評估依據會隨著車位周圍障礙環境的變化而進行變化。

關鍵詞：超聲測距;環境障礙預警;泊車輔助

一、引言

自動泊車系統作為近年來汽車領域智能化進程中的一個研究熱點，受到各大汽車廠商以及配件廠商的關注，但是由于硬件和技術的局限性，各種自動泊車系統的穩定性和可控性都不太成熟，而且成本較為高昂，多用適配于中、高級乘用車上，無法下放到占有大部分市場份額低端車型。此外，近些年出現的全景泊車影像系統也屬于泊車輔助系統之一，但此系統仍具有成本較高的問題，另外攝像頭的使用受光線和天氣的影響較大，使得使用時間和場景受到限制。

針對這些問題，本項目的研究目的是：設計一種能夠在低速行車和泊車過程中實現車輛碰撞前的預警、且成本較低的、針對于駕駛經驗不足的駕駛人員的、應用于由傳統輔助方案過渡到智能化方案期間的一種基于超聲波傳感器的駕駛輔助系統。此系統能夠在特定的泊車情景下，對車位內外一定距離內的障礙物進行檢測，并通過顯示或聲音的方式反饋給駕駛人員，實現泊車過程中環境障礙物預警功能，有效的幫助駕駛人員降低發生碰撞、剮蹭的幾率，保證其乘車人員的生命安全和經濟利益。在駕駛人員結束泊車動作后，系統能夠對泊車質量進行評估，若有車身歪斜或與障礙物距離過近的情況能夠及時提醒駕駛人員以便做出調整。

汽車前、后雷達的使用基本已經普及，技術較為成熟，能以聲音等形式告知駕駛員車身周圍障礙物的情況，以排除泊車和啟動車輛時前后視野盲區為駕駛員帶來的困擾;倒車影像的加裝能夠有效的提升前、后雷達的輔助功能，比起聲音來說更為直觀的告訴駕駛員車身尾部障礙物情況。以上兩種裝置技術成熟，成本較為低廉，但是功能局限于汽車前后障礙物提醒，且只能用于泊車、啟動情景中。

二、項目的技術路線與方案

2.1系統預期功能分析

泊車輔助系統的工作流程如圖2.1所示。

泊車輔助系統在緩速泊車或行駛時由人為激活，在使用過程中不斷的檢測周圍行人、車輛、路肩等障礙物情況，需要實時判斷障礙物與車身距離及障礙物的方位，因此，需要在車身上安裝一定數量的環境感知傳感器，同時需確定車身姿態角以判斷車身相對位置及轉角，需要使用角度感知傳感器。

當駕駛員駕駛車輛準備進行泊車、行駛到寬度較為狹窄的道路或交通較為擁堵的路段不易通行時，駕駛員可開啟泊車輔助系統，系統會實時的播報車身周圍環境障礙物距離，供駕駛員提供速度和方向上的參考。

由于泊車情景較多，目前絕大多數泊車輔助系統并不能準確及時的判斷是否進行，所以人為通過按鍵或語音激活系統的方式更為可靠。本項目考慮到此系統在緩速行車的條件下具有避障功能，且會出現車身內外環境較為嘈雜的現象，故采用按鍵手動激活的方式來激活泊車輔助系統。

通過超聲波傳感器、陀螺儀和加速度傳感器的數據融合判斷障礙物的精確方位和深度信息，再通過語音合成進行障礙物位置信息的語音實時播報。在較為復雜的泊車

2.2系統組成

搭建合理且符合實際應用的系統架構是實現系統完整功能的關鍵。泊車輔助系統的架構設計必須兼顧控制的便利性及可擴展性，同時要充分合理地分配硬件資源以達到性能最優且適應性強。從實際技術需求和資源配置出發可將系統分為三個模塊進行分析：環境感知模塊、數據運算模塊、命令執行模塊。

環境感知模塊：感知模塊需要能夠較為全面的探測車身周圍的環境信息，本文選用8個短距離超聲波傳感器（UPA）、4個長距離超聲波傳感器（APA）共12個超聲波傳感器外加1個電子陀螺儀構成環境感知模塊。其中，4個UPA用于探測車身前方障礙，另外4個UPA用于探測車身后方障礙，4個APA用以檢測車身左右兩側與障礙物距離用于姿態角（α）計算。多個、多種傳感器的配合使用能夠使系統能夠識別更復雜的多障礙物場景，保證了泊車過程中的安全性。

數據運算模塊：運算模塊需要具有快速的數據處理能力，可以快速實現障礙物方位、距離判斷和姿態角計算等任務。綜合考慮自動泊車系統的功能要求，對于決策模塊的需求應滿足以下條件：具備較多的I/O端口，可以實現與各模塊之間的通信;抗干擾性強，能夠在較為惡劣的工況下實現穩定的工作;成本較低，便于調試和載入程序。基于上述分析，本系統選用低成本的32位的MCU作為數據運算模塊。

命令執行模塊：執行模塊的主要功能是將運算模塊所做出的決策結果合成語音然后通過揚聲器將信息傳遞給駕駛員，考慮到汽車內部空間、外部環境噪音和成本等綜合因素，可采用語音合成芯片配合車內揚聲器使用實現語音播報。

2.3實驗模型設計

綜合考慮硬件成本、時間期限及復雜程度等因素，本項目決定采用搭建小車模型的方式調整系統算法以及驗證系統的部分功能，同時為進行系統仿真奠定一定的基礎。由于本系統的關鍵在于將車身與各個方位障礙物的距離進行對比分析且經過計算后轉換為語音信號讓揚聲器播出，所以搭建的小車模型應具備以下條件：

（1）運動功能：小車應該能夠實現的基本的前進、后退、向左和向右轉彎等功能;

（2）遠程遙控功能：能夠在手機APP或其他遙控器的遠程操作下實現對小車進行實時遠程控制以完成運動動作;

（3）其他條件：小車的運動速度不能太快，以保證泊車時系統的及時反應，另外超聲波傳感器的安裝位置需大概與實車安裝設想保持一致。

注：由于小車模型只用于障礙物距離檢測并輸出算法的驗證，故不用啟用與實車相當數量的超聲波傳感器，且使用一種超聲波傳感代替APA與UPA兩種超聲波雷達，另外陀螺儀用于確定車身姿態角，也不用設計到小車模擬系統中。

小車模型整體的機構設計如圖2.4所示：

小車模型的控制核心應該具備與外部設備建立通信聯系、控制小車的電機轉動速度、較快的數據處理等功能，綜合考慮以上功能需求和成本控制問題，小車模型的微處理器選用綜合性能較好的STM32F1系列芯片。該芯片具有功耗較低、性能高及成本低等顯著優勢，能夠實現對外部設備的良好控制;此外，STM32處理器的性能優勢較為明顯，在工業及消費行業的應用較為廣泛，操作使用難度也適合本項目的需求。

其他各模塊主要功能如下：

（1）系統中各個功能模塊使用不同的工作電壓，需要電源模塊分別提供不同的電壓給各個模塊正常工作。

（2）藍牙模塊主要負責小車和手機之間的數據傳輸，以便能夠通過手機發出指令使得小車做出相應的動作。

（3）電機驅動模塊的作用是驅動小車車輪的轉動，如正轉，反轉，停止等。

（4）舵機驅動模塊主要驅動舵機的正反轉通過機械結構實現前輪的左右轉向功能。

（5）超聲波模塊通過向各個方位不停的發射、接收超聲波來探測車身周圍的障礙物的位置信息，然后發送給微控制器進行數據處理。

（6）語音合成模塊的功能是接收微控制器經過運算處理后輸出的數據信號，然后轉化為中文語音信息并輸出。

三、系統仿真與驗證

在進行系統仿真前中，首先應該建立泊車障礙物模型和汽車運動學模型。在真實的泊車情景中會有很多種障礙物分布情況，例如垂直泊車情景下車位最多有三側具有障礙物車輛，最少只有左、右或前后中的一側具有障礙物車輛。所以障礙物模型的建立應該具有普遍性，能夠模擬各種合理條件下的車位狀況，從而能夠讓系統在各類條件下進行仿真驗證。

為確定車身周圍障礙物信息和超聲波傳感器距離分布等信息，應該先確定車身基本參數、參考軸線和規定方向等汽車車身信息，所以還需要進行汽車車身模型的構造。可以根據汽車的動力學方程構造車身模型：

φ'=-（v/t）*tgθ

x'=-v*cosφ

y'=v*sinφ

式中：

φ為汽車的車軸和水平方向的夾角;

θ為汽車的前輪和汽車車軸的夾角;

x、y、z分別為3個控制狀態變量。

當系統的各類硬件參數確定好并搭建好系統后，開始進行系統仿真以驗證系統的可靠性和穩定性，經過綜合對比與分析決定使用MATLAB的Simulink工具進行仿真。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，使用人員無需大量書寫程序，通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出較為復雜的系統。被廣泛應用于各類系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。

首先，用MATLAB的Simulink工具建立仿真環境，上述的小車動力學模型，建立“車輛模型”模塊，其輸入量是車輛運行速度、轉向角和障礙物距離信息，輸出量是車身體位置和車身姿態角，其中“陀螺儀”和“超聲波傳感器”模塊實現了對真實傳感器的模擬，可模擬出車身實時的位置信息;傳感器的檢測結果經過預處理后，輸入到“控制器”模塊;“控制器”模塊是代表MCU的控制和處理功能，通過微電路連接和程序運算來實現;“控制器”模塊的輸出量是車身具體方位和能夠由語音合成模塊所識別的障礙物信息，其中障礙物信息包括距離車身最近障礙物與車身的距離以及障礙物與車身的相對方位，以便能夠由語音合成芯片直接將信息轉化為中文語音。在仿真過程中，將車輛的狀態和控制器輸出值實時記錄到數組中，以方便繪制各種曲線圖。

最后將仿真過程中各種不同障礙物條件下所輸出的語音預轉化信息與所設定障礙物信息進行對比就能得到整個泊車輔助系統的可靠性與穩定性。結合仿真系統所輸出的圖像、數據等信息就可以方便做出硬件選擇、安裝位置及運算策略等方面的調整。

四、實用性分析

情景一：在車輛或人群比較密集的道路條件下，駕駛員保持低速行駛，但由于駕駛經驗不足，無法在車內準確判斷車頭和車身兩側與車輛或行人的安全距離，特別是車頭右側周邊區域是最大的視野盲區。在此種情況下非常容易與其他車輛發生輕微的剮蹭、碰撞或對行人造成撞擊、擦傷。

情景二：在泊車區域比較狹窄和擁擠的情況下，不管是倒車入庫還是側方位停車時，都容易因視野受到限制而無法判斷車身與障礙物安全距離，僅在倒車雷達和倒車影像的輔助下并不能完全解這一問題，而導致自身車輛的損傷同時對其他車輛也造成損傷。

在低速行車和停車過程中不小心發生碰撞、剮蹭事故是令很多乘用車司機頭疼的問題，特別是對于剛拿到駕駛證的新司機來說更是家常便飯，市場上現有的一些智能泊車系統能夠在特定條件下代替司機完成停車這一動作，不過由于成本原因，這種功能一般只有較為高檔的轎車才會配備，然而調查數據顯示裝有泊車輔助系統的車型只有很少的一部分且價格都較為高昂，說明大部分駕駛員發生輕微事故后更多的是通過保險的方式進行解決，雖然不用自己承擔所有修理費，但保險費用也會相應的上升造成車主一定的經濟損失，此外，由于事故而損壞的車身部件從資源角度來說也是一種資源損失。本項目所設計的系統由于成本較低，能夠適配于更多的普通車型，甚至能夠通過后期加裝的形式進行使用，能夠有效的降低發生碰撞、剮蹭事故的幾率，保證駕駛員及乘車人員人生安全和經濟利益。

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