自动泊车系统中的传感器

1、上海大学20102011学年冬季学期研究生课程考试小论文课程名称： 微机接口与控制专题 课程编号： 091101908 论文题目: 自动泊车系统中的传感器 研究生姓名: 学 号: 10721134 论文评语:成 绩: 任课教师: 陆明刚 评阅日期: 自动泊车系统中的传感器摘要：随着汽车保有量的快速上升，在现代都市中“停车难”问题表现的越来越突出。一个有效的自动泊车系统，不仅能帮助驾驶者快速、安全的完成泊车操作，从而减轻驾驶员负担，减少交通事故，而且能够有效提高汽车的智能化程度。针对自动泊车系统对环境感知部分硬件的要求，本文讲述了基于图像识别的方法、基于超声波传感器的方法和基于激光雷达的方法这三

2、种方式。并且对基于这三种方式的自动泊车系统分别进行了举例，详述了它们的运作原理、优缺点。最后还简述了各类感器的自动泊车系统的实际应用。关键词：自动泊车；传感器；图像识别；超声波；激光雷达Sensors in Auto park systemSi Xiaoxia(School of Mechanical and Electronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: With the rapid increase of car, it is more and more

3、 difficult to park a car in the modern cities. An efficient automatic parking system not only can help the drivers to park fast and safely, which can relieve the burden of them and decrease the traffic accidents, but also can enhance the vehicles intelligence. In order to get the hardware requiremen

4、ts of environmental perception part in automatic parking system, the paper represents three ways: method based on image recognition, method based on the ultrasonic sensor and method based on laser radar. Whats more, it makes examples about automatic parking systems on them and dilates upon their ope

5、ration principles and advantages and disadvantages. At last, it shows the practical application of these automatic parking systems.Key words: automatic parking；sensors；image recognition；ultrasonic；laser radar随着经济的发展,人们生活水平的提高,汽车越来越普及。但是,汽车数量的激增便带来了泊车位紧张的问题,每辆汽车的泊车位越来越小,在此情况下,将车顺利地停到车位上成了很多驾驶员的麻烦事。自动

6、泊车解决了驾驶员的烦恼,提升了汽车的主动性安全水平和停车场的利用率, 同时也是汽车智能化的一个标志。自动泊车需要把车位的环境信息提供给自主驾驶系统进行车辆控制。从自动泊车系统功能上来讲，需要车辆具有环境感知、数据处理、高精度控制的能力。环境感知部分对硬件的要求主要是指传感器的选择，即需要高精度的传感器。目前，车位检测模块主要的传感器和信号处理方式有：（1）基于图像识别的方法1,6：应用了模式识别，从而由采集到的图像辨别停车位置。通过在车辆行驶过程中采集的连续图像建立三维虚拟环境，从而帮助检测空闲车位。（2）基于超声波传感器的方法2：传感器的工作原理与短距离倒车雷达相似。超声传感器在平行泊车的情

7、况中应用广泛。该系统的工作方式是，车辆驶过停车位置，超声传感器的信号由控制器接收，从而识别并储存车位的尺度信息，从而建立泊车区域的地图。（3）基于激光雷达的方法3：通过激光雷达扫描到的二维地图，辨识可行的停车位。虽然上述传感器系统都有各自适用的场合，但是它们分别存在着一些缺点。1 基于图像识别方法的自动泊车系统基于图像识别的方法的自动泊车系统4是利用车尾摄像头，将车辆后方的路况呈现在中央显示屏中，驾驶员通过触摸屏把代表车身的方块在屏幕上随意移动，如果位置合适，方块将由红色变成绿色。此时只要挂入倒挡，控制好车速就可以完成自动停车了。雷克萨斯的泊车系统5既支持平行泊车，也支持倒库泊车，而且还带有视

8、频辅助功能。目前的自动泊车系统，还不完全属于后视系统完成的功能。在整个倒车过程中，系统仍然需要依靠其它传感器获取距离与车的位置信息。但是该功能是通过对图像的处理，来寻找停车位置，从而实现自动泊车的功能。自动泊车导航系统7,8采用双目视觉和陀螺仪,实现对环境三维信息的感知,发现障碍物,建立环境模型,并估计车辆自身位置。双目视觉模仿人类双眼来获得场景三维信息,直接简便,是计算机视觉的重要方法。如图 1 所示,2 台焦距等内部参数都相同的摄像头水平放置,同时拍摄同场景,然后通过计算场景中某点在左右2台摄像头获取的图像(简称左右视图) 中的位置差获得该点的景深。图1 双目视觉原理图figure 1 s

9、chematic diagram of binocular vision视差 （1）式中: xl 和x r 为某点分别在左右视图中的像素横坐标; f为摄像头的焦距; b为两摄像头焦点距离；Z为物体的景深距离。假设摄像头的横纵比为1. 0 ,焦距为f ,图像坐标系的原点为( x0 , y0 ) ,则内部参数矩阵可表示为 （2）设二维图像坐标和三维摄像机坐标的原点都在左图像的中心,那么图像坐标和摄像机坐标的转换矩阵如下: （3）由式(1) (3) 得, Z=f b/, X=(x-x0)/f, Y=(y-y0)/f 。由此可知空间中每个像素点在摄像机坐标中的三维信息。由以上算法只能得到当前位置的局部

10、地图。为了获得车辆行进中所采集的全局地图, 需引入陀螺仪。根据二维空间affine 变换的性质, 可知t 时刻坐标系到t时刻坐标系的变化矩阵:式中:;为t时刻图像到t时刻图像的坐标系旋转角, 也就是车载陀螺仪测得的图像旋转角; B 是坐标系原点的平移矢量,。经过该变换,可将所有局部地图转换到同一坐标系中,将它们叠加后即得到全局地图。之后，将生成的地图作为系统的输入端;运算单元根据这些地图信息,通过计算判断车辆能否泊入该车位所提供的空间,并生成合适的泊车参考路径和相应的控制命令(主要是车速命令和转角命令) ;执行机构根据控制命令使车辆泊入车位,此外,执行机构处设有用于纠正实际执行路线偏差的预瞄反

11、馈算法,目的是使执行过程形成闭环控制,从而精确地沿着参考路径泊车。图像传感器在汽车上的应用大大提高了车辆驾驶的舒适性和安全性，已经得到了市场的普遍认可9。目前的摄像头的应用仍然局限在获取、传输和显示图像的阶段，其功能非常有限。但是随着传感器技术，汽车技术以及计算机技术的发展，传感器以及数据处理系统将会越多的应用到汽车领域。可以预见，在不久的将来，以图像传感器为主的系统将会在汽车整个电器系统中占据越来越重要的地位。同时以图像传感器和图像数据处理为基础的自动驾驶系统，也将会出现在人们的面前。2 基于超声波传感器方法的自动泊车系统由于超声波传感器10具有结构简单、体积小、费用低,信息处理简单可靠,不

12、受光照、电磁和灰尘干扰等特点,被广泛地应用于移动机器人对环境的感知和建模和自动泊车系统中。应用超声传感器进行距离测量的方法11很多, 现采用脉冲回波法,其工作原理是:用电振荡脉冲激励超声波探头,使之向外界辐射超声波,并接收从被测物体反射回来的超声波,通过检测从发射超声波至接收回波所经历的时间间隔t (称为射程时间TOF),然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d,即式中,c 为空气介质中声波的传播速度。汽车自动泊车需要实时准确地掌握环境中的车距和车位信息,要求超声传感器具有探测灵敏度高,系统获得的距离信息准确,而且数据稳定,并要满足泊车的实时性要求。现描述一种自动泊车超声传感器系统。2、

13、1 系统硬件电路如图2 所示系统的硬件组成12包括: 微控制器及信号采集模块、串行通讯模块、超声波驱动电路、回波检测模块、接口保护电路等。基本的工作原理是: 由单片机产生固定周期的频率约为76.5KHz 的数字振荡电平脉冲, 经驱动电路将脉冲放大激励超声换能器工作, 超声换能器接收反射回来的超声回波信号并产生微弱的电压,经回波检测模块放大,最后将波形采样送入单片机,单片机计算从脉冲发出到接收到回波的时间,该时间数据经串口传输到上位机并得出相应的距离信息, 同时上位机也可通过串口向超声传感器发送控制指令。图2 系统结构框图figure 2 the structure of the system

14、diagram2.2 超声波驱动电路如图3 所示为一路超声波驱动电路13, 其功率放大级由三极管2N4401 和功率管IRF520 两级构成。这种电路是采用在饱和区工作的功率管开关作为激励功率级,以降低功率管的功耗。该电路的特点是当信号输入端为低电平时,功率管IRF520 栅源极电压UGS为零,功率管的静态漏极电流ID也为零。而当输入信号为交替的方波脉冲时,则在功率管的漏极产生较大的交变电流,激励变压器工作。图3 超声波驱动电路Figure 3 driver circuit of ultrasonic sensors 在电路中增加74CH00 与非门, 一方面是增加单片机方波信号的驱动能力,产

15、生足够大的基极电流控制三极管工作;另一方面是将信号反相,使得功率管在有脉冲信号的情况下工作,无信号时截止,起到减少电路的功耗,保护功率管的作用,否则功率管长时间处于导通状态,管耗增加,会使功率管温度急剧上升,甚至会烧毁功率管。另外,由于单片机方波信号经过与非门后波形失真,使得方波上升沿上升时间变长,也会增大功率管的管耗,发热量增加,所以在与非门的输出端增加一个去耦电容C1,校正了波形失真,减小了管耗。2.3 回波检测模块回波检测模块14分为放大电路和滤波电路两个部分如, 图4所示。放大电路是一个由精密、高输入阻抗仪表放大器AD620构成的精密放大器。AD620 是一种电阻可编程的放大器,整个放

16、大器具有很高的精度和共模抑制比,其增益范围在11000 之间,由管脚1、8 之间的电阻R7调节,其增益公式为:在本系统中取R7为200,放大增益约为240 倍。图4 回波检测电路Figure 4 detection circuitry of echo系统采用无限增益多路反馈型滤波电路, 它是由一个理论上具有无限增益运算放大器赋以多路反馈构成的滤波电路。本系统采用高阻抗运算放大器(TL084)和RC 阻容元件构成的有源带通滤波器,其滤波器参数为:可先选定C3=C4=500pF,c为带通滤波器中心角频率,c=80KHz;Ap为滤波器的增益,Ap=3; Q 为品质因数,Q=4, 由以上方程联立得,R

17、8=5.3k,R9=510,R10=32k。滤波器输出后就可以直接进行A/D 采样。系统中超声换能器15工作方式为收发同体, 因而收发信号之间要产生干扰,较大的发送信号能量有可能直接进入接收电路,它要比回波信号大得多,因此,放大器会饱和,在有些情况下甚至会损坏放大器, 而且如果超声换能器两端直接接放大电路会使超声换能器的驱动电压下降,低于超声换能器工作电压,达不到良好的测距效果。为此,设计了一种接口保护电路,电路中R5和C2起到分压的作用,三极管Q3的集电极和基极构成了一个负反馈回路, 如果集电极正电压过高则三极管导通将电压降下来,使集电极电压平衡在一个合适的范围内;一个反向的二极管则起到箝位

18、作用,如果超声换能器信号端为负电压,则二极管将电压箝位在安全的范围内,保护了后面的放大电路。这种基于超声波传感器方法的自动泊车系统有如下特点16：(1)针对自动泊车系统需要实时感知泊车环境的需要, 设计了多路超声传感器系统, 软硬件结构紧凑、系统可靠性高。(2)硬件电路上,改进了针对泊车用测距超声换能器的驱动与接收电路, 设计了超声换能器与接收电路之间的接口保护电路,起到了良好的效果。 (3)整个系统具有良好的便携性和抗干扰能力。现今大多的泊车系统采用超声侧距仪作为传感器，然而由于超声波传感器的特性，使其只能应用于平行泊车。并且由于超声波传感器的精度较低，检测车位的鲁棒性比激光雷达差17。3

19、基于激光雷达的自动泊车系统自动泊车系统中选用高精度的激光雷达作为传感器，优势18有：1)环境建模精准，对车位的测量准确。2)在泊车过程中，可以通过雷达视野内的车辆来进行位姿校正，提高定位精度。3)平行泊车在进入车位后时，可以看到前方车辆，同时分析车位检测时所得的空位距离，便能得出与前后车较高精度的距离，防止碰撞。虽然激光雷达19较超声阵列价格昂贵，但是雷达的价格正在以较快的速度逐年递减，并且激光雷达可以作为安全精准的避撞传感器，集多功能为一体，在不久的将来有望成为标配，通用公司正在研究的避撞报警系统采用的是激光雷达技术。在日本安全技术展示会“ITS-SAFETY 2010”上，大发汽车公布了其

20、首创的采用激光技术的“ASV-4”安全系统。由德国 IbeoAutomobile Sensor 公司生产，目前已在大发日本市场的车型上配置，未来将会标配在全球上市的大发车型上。激光测距传感器，简称为激光雷达。系统采用SICK LMS291激光雷达20,21，它是一种基于飞行时间测量原理(Time-Of-Flight)的非接触式光学测量系统，通过向环境中发射红外激光和接收到反射的激光所需时间计算物体的距离。其内部构造如图5所示，主要由发光二极管、反射镜、电机、角度编码器和控制电路等组成。激光束在固定时间发射，经过物体表面反射由原路径返回被接收器接收，在激光束发射的同时设置一个计数器并开始计数，当

21、激光束返回的时候终止计数器，计数器数值的大小反映了激光传播的距离。内部旋转的镜头使激光束射向前方半圆形区域内的点，每个点的精确方向是由镜头上的角度编码器测量到的，许多测量点在一起就构成前方区域轮廓的一个模型，工作原理如图6所示。然后用实时串口RS-422或RS-232把测量的数据传给其它的计算机进行进一步的数据处理。图5 激光雷达外观与内部构造Figure 5 Appearance and interior structure of laser scanner图6 激光雷达工作原理Figure 6 Operating principle of SICK LMS该型号是一种二维的激光雷达，只扫描

22、一个平面的数据，其特点22是：(1)感知距离远，最大可达 80 米；覆盖角度范围大，最大可达 180 度；(2)距离和角度测量精度高，分别可达 5 厘米和 0.1 度；(3)扫描时间短，约为 26.6 毫秒，可以获得高车速情况下的实时测量；(4)具有雾校正功能，对环境光线变化不敏感，适用于室外环境。激光雷达的参数选择取为厘米模式下的参数23，即最大测量距离为 80 米，角度测量范围 180°，角度分辨率为 0.5°，扫描周期为 26.6 毫秒，系统距离测量误差为±5 厘米。自动泊车对传感器的要求较高24,25，并且由于在不同车辆的安装位置不同，需要对激光雷达进行标

23、定。现将激光雷达放置在车辆前方的正中央。激光雷达的标定，主要包含水平方向的转向角、平移位置，及竖直方向的俯仰角。进行泊车时主要对 10 米以内的环境进行探测，在俯仰角误差不大的情况下，对车辆检测的误差也会很小，所以主要对水平方向的平移和旋转进行标定。图7 坐标关系Figure 7 Coordinates relationship标定方法26,27为：在车前放置多个路标，用激光雷达测得路标在激光雷达坐标系中的位置（xv,yv） ，再通过 RTK-GPS 测量每个路标的位置(xw,yw)，要求激光雷达在世界坐标系中的位姿(x, y, r)坐标关系如图7所示，可以得出：多个点的坐标公式相减，然后用最

24、小二乘法求得 r，进而求得 x，y。同时，可以在车的后轮中心安装 GPS28，可以直接坐标(x0, y0)，偏角 r0，则可以通过让直线行驶小段距离，对路径点进行直线拟合而得。至此，已得到激光雷达和车辆在 GPS 坐标系下的位姿(x, y, r)、(x0, y0, r0)，激光雷达的标定完成。标定场景如图8所示，激光雷达数据如图9所示。图8 激光雷达标定Figure 8 Calibration of laser radar图9 雷达标定数据Figure 9 Raw data of calibration of laser radar4 各类传感器在泊车系统中的实际应用自动泊车系统经过多年的理论

25、研究29，在实现了也取得了突破性发展，在工业界，已经有一些比较成熟的自动泊车系统的产品，但主要集中在汽车业比较发达的欧洲、美国和日本一些国家。国内在这方面大多数停留在理论研究阶段，相关的产品还没有，有些车型也只能靠引进国外的自动泊车系统。自动泊车系统已经成为了汽车电子的一个非常热的方向。具有代表性的一些产品有：日本丰田旗下的雷克萨斯LS460L30,31，该车型在车头车位分别安装了6个和4个超声波传感器，车后面装有一个摄像头。车头车尾的超声波传感器用来准确确定车辆的位置，摄像头用来识别车声后面的空间分布，由此可以获得安全的倒车空间。需要泊车时，驾驶者只需通过触摸屏选择泊车方式和调整停车位的位置

26、(如图10)。驾驶员设置好后按下确认键就可以双手离开方向盘，只需要控制车辆的倒车速度即可，自动泊车系统自行控制车辆的转向，借助超声传感器和后视摄像头以及转向系统中的电子马达，最后将车驶入停车位。整个过程中，驾驶员可以通过踩刹车、转动方向盘来中止自动泊车。图10 雷克萨斯泊车界面Figure10 Parking assistant system of LS460L雪铁龙C4毕加索32，该车引进了博世的泊车入位测量系统，成为全球第一款配备有完善的泊车入位辅助系统的汽车。该系统在车上前后保险杠和左右两侧都装有测距传感器。驾驶员需要泊车时，只需按下中控台上的启动键按钮，泊车入位辅助系统即可开启。此时车

27、速需保持在25kmh以下，系统会利用车辆前、后保险杠上的测距传感器，以及安装在前保险杠两侧2个额外的测距传感器，将实现精确测量泊车位。找到合适泊车位后，系统将提示驾驶员找到合适泊车位，在泊车过程中遇到障碍物会有提示信息。奔驰B20033,34，该车型配备了梅赛德斯-奔驰独有的主动式停车辅助系统，这套系统是在车子的前后保险杠上安装了十组超声波感应器，当车速低于36Km/h，车辆开启自动搜索长于车身1.2到1.3米的停车区域。感应器发射出的超声波可以扫描车身两侧来查找停车空间，当发现合适的泊车位置后，车内仪表盘的液晶显示器显示给驾驶员有泊车位，驾驶者只需按按下泊车按钮，然后控制油门和刹车就可以轻松

28、的停车入位。VOLVO$6035是瑞典林克沃平大学和VOLVO汽车制造商联合开发研制出一种具有自动泊车系统功能的新型汽车，整个泊车过程完全由系统自动完成，不需要驾驶员动手。车上装有自动变速箱、电子驾驶装置、一个先进的电脑系统。电子驾驶装置带有一套超频感应系统，不仅可以方便的控制方向盘，还可以探测四周的障碍物。司机停车时，超频感应系统可自动查找两边是否有足够停车空间，检测到停车位后会发出相应信号。整个泊车过程全自动完成。尊享版迈腾36，该车搭载了德国原厂自动泊车系统，该泊车系统是大众独家研发的前端智能科技，可使车辆自动完成侧方停车。该系统也是在车身两侧安装有超声波传感器，自动倒车辅助系统会运用超

29、声波传感器扫描道路两侧，通过比较停车空间和车身长度寻找合适的停车位。发现适合的位置后，系统将引导车辆进入起始停车区域，到达起始位置后挂上倒车档，自动倒车辅助系统即会自动控制转向操作，此时您只需控制油门和制动，即可将车停进停车位。此外该系统通过液晶显示屏能直接显示障碍物与车辆之间位置关系的图像，使驾驶者更从容的实现对车辆的控制。法雷奥的Park4U系统37，是一个通过超声波传感器测距实现的自动泊车系统。该系统在车身两侧安装多个超声波传感器，超声波传感器用来测量车神两侧的空间分布和寻找合适的停车位。在泊车过程中，驾驶员只需按一下启动键，即可启动自动泊车程序。首先车身两侧的超声波传感器将扫描道路两侧

30、查找合适车位。当系统找到有足够的泊车空间后（前后大于车长各多70厘米即可），将通过指示器告知驾驶员。驾驶员向前继续行驶直至系统提示“开始位置"时，双手放开方向盘，此时只需控制速度和刹车便可停车入位。法雷奥的下一代Park4U1M系统，其目标是在更狭小的空间内完成自动泊车，其目标是比车长多出1米（前后各50cm）即可完成自动泊车，。该自动泊车系统只是在避免碰撞的情况下，尽量把车倒进车位，车辆不一定能停入理想的位置，在系统操作完成后，还需要驾驶员人工操作进行轻微调整。多传感器融合的泊车系统38，可以实现多种泊车任务，但是造价非常高。宝马公司在多款车型上都装配了 Parking Dista

31、nce Control（泊车距离控制，简称PDC）系统，可以自动探测周围障碍物的距离。该系统和倒车摄像头一起使用时，可以在宝马车的 iDrive 显示屏上显示倒车路径示意图（如图11）。图11 宝马的自动泊车界面Figure 11 Parking assistant system of BMW根据研究机构的市场调查报告39,40显示， 截至目前为止， 全球大约有2的汽车搭载了先进驾驶辅助系统。预计在法规和汽车驾驶者的迫切需求下，2012年先进驾驶辅助系统在汽车上的安装率将达到10， 会有超过6 000万套的市场需求。5 结论随着社会经济的发展，车位紧张，人们对于辅助驾驶越来越关注，自动泊车系统

32、不仅可以减轻驾驶员操作强度，还可以提高安全性。本文介绍了三种用于自动泊车系统感知的传感器：图像识别传感器、超声波传感器和激光雷达。分别对它们的应用做了详细的阐述，并指出各自的优缺点。最后，又列举了使用各类传感器的自动泊车系统的在汽车行业的实际应用。 致谢 感谢陆明刚老师对本工作的大力支持，在此表示感谢！参考文献：1 J in Xu ,Guang Chen ,Ming Xie. Vision-guided automatic parking for smart car R . Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles Symposium ,Dear

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34、EEE Intelligent Transportation Systems Conference Proceedings Oakland (CA) ,USA ,2001.4 I. E. Paromtchik ,C. Laugier. Autonomous parallel parking of nonholonomic vehicle R. Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles Symposium, Minneapolis, MN, 1996.5 Kang-Zhi Liu , Minh Quan Dao , Takuya Inoue. Th

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