1  自動泊車系統(tǒng)

1. 定義

自動泊車系統(tǒng)主要是利用遍布車輛自身和周邊環(huán)境里的傳感器，測量車輛自身與周邊物體之間的相對距離、速度和角度，然后通過車載計算平臺或云計算平臺計算出操作流程，并控制車輛的轉(zhuǎn)向和加減速，以實現(xiàn)自動泊入、泊出及部分行駛功能。

整個泊車過程大致可包含以下五大環(huán)節(jié)：環(huán)境感知、停車位檢測與識別、泊車路徑規(guī)劃、泊車路徑跟隨、控制模擬顯示。按照泊車方式，分為三種模式，如圖1所示：平行式泊車、垂直式泊車、斜列式泊車。


圖1 平行泊車 垂直泊車 斜列式泊車

按照自動化程度等級，自動泊車可以分為：半自動泊車全自動泊車半自動泊車系統(tǒng)為駕駛員操控車速，計算平臺根據(jù)車速及周邊環(huán)境來確定并執(zhí)行轉(zhuǎn)向，對應(yīng)于SAE自動駕駛級別中的L1；全自動泊車為計算平臺根據(jù)周邊環(huán)境來確定并執(zhí)行轉(zhuǎn)向和加減速等全部操作，駕駛員可在車內(nèi)或車外監(jiān)控，對應(yīng)于SAE L2級。

按照所采用傳感器的種類，半自動/全自動泊車可以分為：超聲波自動泊車基于超聲波與攝像頭的融合式自動泊車。

兩種傳感器的對比如表1所示：

表1


2. 原理方案

整個泊車過程是哪幾個環(huán)節(jié)？環(huán)境感知、停車位檢測與識別、泊車路徑規(guī)劃、泊車路徑跟隨控制以及模擬顯示五大環(huán)節(jié)！

下面我們就以最常見的超聲波自動泊車系統(tǒng)為例，從五大環(huán)節(jié)來介紹：

（1）環(huán)境感知：如圖2所示，為一種典型的超聲波自動泊車系統(tǒng)的環(huán)境感知方案，由12個超聲波雷達(dá)組成。


圖2：8個超聲波雷達(dá)：泊車過程中檢測車身周邊的障礙物，避免剮蹭；4個超聲波雷達(dá)：泊車開始前進(jìn)行車位的探測及在泊車過程中提供側(cè)向障礙物信息

（2）停車位檢測與識別：自動泊車超聲波車位探測系統(tǒng)主要是由布置在車身側(cè)面的超聲測距模塊構(gòu)成的， 通過超聲傳感器對車輛側(cè)面的障礙物進(jìn)行探測， 即可完成車位探測及定位。超聲波車位探測的過程如圖3 所示。

在探測車位時， 車輛以某一恒定車速V平行駛向泊車位：「1」當(dāng)車輛駛過 1 號車停放的位置時，裝在車身側(cè)面的超聲波傳感器開始測量車輛與 1 號車的橫向距離 D?！?」當(dāng)車輛通過 1 號車的上邊緣時，超聲波傳感器測量的數(shù)值會有一個跳變，記錄此時時刻?！?」車輛繼續(xù)勻速前進(jìn)，當(dāng)行駛在 1 號車與 2號車之間時，處理器可以求得車位的平均寬度W?！?」當(dāng)通過 2 號車下邊緣時，超聲波傳感器測量的數(shù)值又發(fā)生跳變，處理器記錄當(dāng)前時刻，算得最終的車位長度L?！?」處理器對測量的車位長度 L 和寬度 W 進(jìn)行分析，判斷車位是否符合泊車基本要求并判斷車位類型。


圖3

（3）泊車路徑規(guī)劃：考慮到自動泊車實現(xiàn)原理，泊車路徑規(guī)劃一般盡可能滿足以下要求：a.完成泊車路徑所需要的動作必須盡可能少。因為每個動作的精度誤差會傳遞到下一個動作，動作越多，精度越差。b.在每個動作的實施過程中，車輛的轉(zhuǎn)向輪（絕大部分為前輪）的角度需要保持一致。因為系統(tǒng)是通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的，而嵌入式系統(tǒng)的性能有限，轉(zhuǎn)向輪角度保持一致能夠?qū)⑦\動軌跡的計算歸結(jié)為幾何問題，反之需要涉及復(fù)雜的積分問題，這對嵌入式系統(tǒng)的性能是一個挑戰(zhàn)。一般平行泊車和垂直泊車采用如圖4和5所示路徑。平行泊車分為單次和多次：單次為如圖4所示路徑一次泊車完成；多次則為當(dāng)車位長度比較小時，可采用多次“揉庫”的方法泊車。


圖4


圖5

（4）泊車路徑跟隨：控制該過程為通過車載傳感器不斷探測環(huán)境，實時估算車輛位置，實際運行路徑與理想路徑對比，必要時做局部校正。

（5）模擬顯示：由傳感器反饋構(gòu)建泊車模擬環(huán)境，具有提示與交互作用。提示用戶處理器意圖以及做必要的操作。另外，路徑規(guī)劃后進(jìn)行泊車時為了知曉處理器定位和計算路徑運行情況，需要將這些處理器信息反饋給用戶。如果處理器獲取環(huán)境信息或者處理過程中出現(xiàn)重大錯誤，用戶可以及時知曉與停止。

2  自主泊車系統(tǒng)

1. 定義：隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，自動泊車逐漸往自主泊車方向演進(jìn)。自主泊車又稱為代客泊車或一鍵泊車：指駕駛員可以在指定地點處召喚停車位上的車輛，或讓當(dāng)前駕駛的車輛停入指定或隨機的停車位。整個過程正常狀態(tài)下無需人員操作和監(jiān)管，對應(yīng)于SAE L3級別。自主泊車系統(tǒng)包含兩個功能，即泊車與喚車：

泊車功能：是指用戶通過車載中控大屏或手機APP選定在園區(qū)、住宅區(qū)等半封閉區(qū)域內(nèi)的停車位或者選定停車場（有高精地圖覆蓋），然后車輛通過獲取園區(qū)、住宅區(qū)等半封閉道路上的車道線、道路交通標(biāo)志、周圍其他車輛等交通環(huán)境、參與者信息；控制車輛的油門、轉(zhuǎn)向、制動來實現(xiàn)安全自動駕駛，并通過自動尋找可用停車位或識別用戶選定停車位；實現(xiàn)自動泊入、自動停車、掛P檔、熄火、鎖車門，同時防止?jié)撛诘呐鲎参ｋU的功能。

喚車功能：是指用戶通過手機APP選定園區(qū)、住宅區(qū)等半封閉區(qū)域內(nèi)的某一喚車點，然后車輛從停車位自動泊出、低速自動駕駛到達(dá)喚車點，從而實現(xiàn)喚車，同時防止?jié)撛诘呐鲎参ｋU的功能。

2. 原理方案

按主要技術(shù)路線，自主泊車系統(tǒng)可分為：偏車端方案偏場端方案車端場端并重方案偏車端和偏場端的自主泊車方案對比如圖6所示：


圖6

偏車端自主泊車系統(tǒng)方案：典型的偏車端自主泊車系統(tǒng)的組成見以下圖7和表2：


圖7

表2主要傳感器信息


偏車端方案的系統(tǒng)邏輯流程圖見下圖8：由圖可知，偏車端方案主要借助車載傳感器對周圍環(huán)境以及自身狀態(tài)的感知來決策并執(zhí)行車輛動作，并在必要時提醒用戶進(jìn)行車內(nèi)或遠(yuǎn)程接管操控。


圖8

偏場端自主泊車系統(tǒng)方案：

圖9為一種偏場端方案的系統(tǒng)示意圖：在停車場內(nèi)布置激光雷達(dá)或雙目攝像頭來實現(xiàn)對車輛狀態(tài)及周邊環(huán)境的監(jiān)控，通過預(yù)埋式停車場傳感器探測當(dāng)前占用狀態(tài)。所有傳感器數(shù)據(jù)均在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行匯總分析，根據(jù)儲存的元信息（如停車位尺寸、費用、諸如殘疾人停車位等的特殊情況等）完成匹配。數(shù)據(jù)中心根據(jù)這所有的信息實時生成停車地圖。

駕駛員通過智能手機APP接收所有的信息，從而始終能了解最近可用停車位的概況，以及所有相關(guān)詳情，如距離和價格。而車輛只需要具備與停車場設(shè)施的通信能力和可控的底盤執(zhí)行系統(tǒng)，即可在場端的輔助下完成自主泊車。


圖9

3  典型的自動/自主泊車系統(tǒng)

清華大學(xué)蘇州汽車研究院對自動/自主泊車系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件進(jìn)行了深入的自主研發(fā)，部分成果如下：

1. 遠(yuǎn)距超聲波傳感器

超聲波傳感器外形如圖10所示：


圖10

主要參數(shù)如下表所示：

表3


2. 自動泊車系統(tǒng)

自動泊車系統(tǒng)組成及功能如表4所示：

表4


4  自主泊車系統(tǒng)

自主泊車系統(tǒng)方案如圖11所示，主要采用智能化車端+智能化場端的方式。車端智能化主要依賴于融合式全自動泊車的傳感器配置，外加前視攝像頭、V2X設(shè)備等實現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的點到點自動駕駛、自動車位掃描、自動泊入泊出等功能。車輛自身具備車輛、行人等動態(tài)障礙物檢測和識別功能，可實現(xiàn)自動緊急制動、避障等決策規(guī)劃。場端智能化主要依托攝像頭檢測技術(shù)，實現(xiàn)停車場車位占用情況檢測，并上傳至停車場服務(wù)器，并實現(xiàn)為自主泊車車輛提前分配車位信息。


圖11

障礙物坐標(biāo)檢測及多目標(biāo)識別，超聲波傳感器單純的距離檢測能力在泊車預(yù)警輔助場景已可滿足使用要求，但是在智能化泊車應(yīng)用場景、及多傳感器融合應(yīng)用中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此開發(fā)了障礙物坐標(biāo)檢測技術(shù)及多目標(biāo)識別技術(shù)，如圖12和圖13所示：


圖12


圖13

高精度車位檢測及車位融合基于超聲波傳感器可實現(xiàn)空間車位的探測、360環(huán)視攝像頭可實現(xiàn)線車位的檢測。同時結(jié)合超聲波傳感器及環(huán)視攝像頭的障礙物信息檢測，對車位進(jìn)行多層次的融合，實現(xiàn)泊車位的高精度檢測，大大提升了泊車場景的覆蓋范圍。如圖14所示：


圖14

軌跡動態(tài)規(guī)劃技術(shù)泊車過程中有諸多不可控因素，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行速度與精度問題、參考障礙物位置變動問題等，導(dǎo)致在泊車過程中出現(xiàn)泊車軌跡偏離路徑規(guī)劃軌跡現(xiàn)象。為此開發(fā)了泊車軌跡動態(tài)規(guī)劃技術(shù)，可實現(xiàn)泊車過程中的軌跡實時修正甚至軌跡重規(guī)劃，如圖15所示：


圖15

室內(nèi)定位技術(shù)如圖16所示，通過采用視覺SLAM+標(biāo)簽輔助定位方式，解決地下停車場無GPS的問題，同時通過多源信息融合，提升定位精度。


圖16

基于視覺的停車場車位狀態(tài)檢測技術(shù)如圖17所示，通過停車場安裝的監(jiān)控攝像頭，基于深度學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)車位占用狀態(tài)的實時檢測，并將此信息上傳至停車場車位管理后臺服務(wù)器，為自主泊車車輛提供可泊車位信息。


圖17

全局與局部路徑規(guī)劃技術(shù)如圖18所示，基于A*算法實現(xiàn)任意兩點間的全局路徑規(guī)劃，支持路徑規(guī)劃重置、選路以及速度規(guī)劃功能，同時結(jié)合實時環(huán)境感知狀態(tài)，進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，實現(xiàn)緊急制動、 跟車巡航以及換道避讓、 換道超車等自主決策。


圖18