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低速自動(dòng)駕駛技術(shù)：APA

2022-02-20 18:40:59·  來(lái)源：汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)  
　
面有了飛速發(fā)展，還出現(xiàn)了智能化的趨勢(shì)?！白詣?dòng)泊車(chē)”就是一個(gè)大家非常熟悉的功能，透過(guò)它我們能看到汽車(chē)智能化發(fā)展的縮影。簡(jiǎn)介：什么是“自動(dòng)泊車(chē)”？自動(dòng)泊車(chē)
面有了飛速發(fā)展，還出現(xiàn)了智能化的趨勢(shì)?！白詣?dòng)泊車(chē)”就是一個(gè)大家非常熟悉的功能，透過(guò)它我們能看到汽車(chē)智能化發(fā)展的縮影。
簡(jiǎn)介：什么是“自動(dòng)泊車(chē)”？
自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱APA。
搭載有自動(dòng)泊車(chē)功能的汽車(chē)可以不需要人工干預(yù)，通過(guò)車(chē)載傳感器、處理器和控制系統(tǒng)的幫助就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別車(chē)位，并自動(dòng)完成泊車(chē)入位的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，在20萬(wàn)以上的中高端汽車(chē)上往往才有搭載，或者作為一項(xiàng)選裝功能獨(dú)立存在。(現(xiàn)在已經(jīng)下探到15萬(wàn)左右，當(dāng)然了，一般是自主品牌才敢給出這個(gè)極具性價(jià)比的配置)
自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化泊車(chē)過(guò)程，特別是在極端狹窄的地方，或者是對(duì)于新手而言，自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)可以帶來(lái)更加智能和便捷的體驗(yàn)。
自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)
01 定義
自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)主要是利用遍布車(chē)輛自身和周邊環(huán)境里的傳感器，測(cè)量車(chē)輛自身與周邊物體之間的相對(duì)距離、速度和角度，然后通過(guò)車(chē)載計(jì)算平臺(tái)或云計(jì)算平臺(tái)計(jì)算出操作流程，并控制車(chē)輛的轉(zhuǎn)向和加減速，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊入、泊出及部分行駛功能。
整個(gè)泊車(chē)過(guò)程大致可包含以下五大環(huán)節(jié)：
環(huán)境感知
停車(chē)位檢測(cè)與識(shí)別
泊車(chē)路徑規(guī)劃
泊車(chē)路徑跟隨控制
模擬顯示
按照泊車(chē)方式，分為三種模式，如圖1所示：
平行式泊車(chē)
垂直式泊車(chē)
斜列式泊車(chē)
圖1 平行泊車(chē) 垂直泊車(chē) 斜列式泊車(chē)
按照自動(dòng)化程度等級(jí)，自動(dòng)泊車(chē)可以分為：
半自動(dòng)泊車(chē)
全自動(dòng)泊車(chē)
半自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)為駕駛員操控車(chē)速，計(jì)算平臺(tái)根據(jù)車(chē)速及周邊環(huán)境來(lái)確定并執(zhí)行轉(zhuǎn)向，對(duì)應(yīng)于SAE自動(dòng)駕駛級(jí)別中的L1；
全自動(dòng)泊車(chē)為計(jì)算平臺(tái)根據(jù)周邊環(huán)境來(lái)確定并執(zhí)行轉(zhuǎn)向和加減速等全部操作，駕駛員可在車(chē)內(nèi)或車(chē)外監(jiān)控，對(duì)應(yīng)于SAE L2級(jí)。
按照所采用傳感器的種類，半自動(dòng)/全自動(dòng)泊車(chē)可以分為：
超聲波自動(dòng)泊車(chē)
基于超聲波與攝像頭的融合式自動(dòng)泊車(chē)
兩種傳感器的對(duì)比如表1所示：
表1
02 原理方案
敲黑板！整個(gè)泊車(chē)過(guò)程是哪幾個(gè)環(huán)節(jié)？
環(huán)境感知、停車(chē)位檢測(cè)與識(shí)別、泊車(chē)路徑規(guī)劃、泊車(chē)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(jiàn)的超聲波自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)為例，從五大環(huán)節(jié)來(lái)介紹：
▲環(huán)境感知
如圖2所示，為一種典型的超聲波自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的環(huán)境感知方案，由12個(gè)超聲波雷達(dá)組成。
圖2
■8個(gè)超聲波雷達(dá)：泊車(chē)過(guò)程中檢測(cè)車(chē)身周邊的障礙物，避免剮蹭
■4個(gè)超聲波雷達(dá)：泊車(chē)開(kāi)始前進(jìn)行車(chē)位的探測(cè)及在泊車(chē)過(guò)程中提供側(cè)向障礙物信息
▲停車(chē)位檢測(cè)與識(shí)別
自動(dòng)泊車(chē)超聲波車(chē)位探測(cè)系統(tǒng)主要是由布置在車(chē)身側(cè)面的超聲測(cè)距模塊構(gòu)成的， 通過(guò)超聲傳感器對(duì)車(chē)輛側(cè)面的障礙物進(jìn)行探測(cè)， 即可完成車(chē)位探測(cè)及定位。
超聲波車(chē)位探測(cè)的過(guò)程如圖3 所示。在探測(cè)車(chē)位時(shí)， 車(chē)輛以某一恒定車(chē)速V平行駛向泊車(chē)位：
「1」當(dāng)車(chē)輛駛過(guò) 1 號(hào)車(chē)停放的位置時(shí)，裝在車(chē)身側(cè)面的超聲波傳感器開(kāi)始測(cè)量車(chē)輛與 1 號(hào)車(chē)的橫向距離 D。
「2」當(dāng)車(chē)輛通過(guò) 1 號(hào)車(chē)的上邊緣時(shí)，超聲波傳感器測(cè)量的數(shù)值會(huì)有一個(gè)跳變，記錄此時(shí)時(shí)刻。
「3」車(chē)輛繼續(xù)勻速前進(jìn)，當(dāng)行駛在 1 號(hào)車(chē)與 2號(hào)車(chē)之間時(shí)，處理器可以求得車(chē)位的平均寬度W。
「4」當(dāng)通過(guò) 2 號(hào)車(chē)下邊緣時(shí)，超聲波傳感器測(cè)量的數(shù)值又發(fā)生跳變，處理器記錄當(dāng)前時(shí)刻，算得最終的車(chē)位長(zhǎng)度L。
「5」處理器對(duì)測(cè)量的車(chē)位長(zhǎng)度 L 和寬度 W 進(jìn)行分析，判斷車(chē)位是否符合泊車(chē)基本要求并判斷車(chē)位類型。
圖3
▲泊車(chē)路徑規(guī)劃
考慮到自動(dòng)泊車(chē)實(shí)現(xiàn)原理，泊車(chē)路徑規(guī)劃一般盡可能滿足以下要求：
a.完成泊車(chē)路徑所需要的動(dòng)作必須盡可能少。
因?yàn)槊總€(gè)動(dòng)作的精度誤差會(huì)傳遞到下一個(gè)動(dòng)作，動(dòng)作越多，精度越差。
b.在每個(gè)動(dòng)作的實(shí)施過(guò)程中，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向輪（絕大部分為前輪）的角度需要保持一致。
因?yàn)橄到y(tǒng)是通過(guò)嵌入式系統(tǒng)實(shí)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\(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算歸結(jié)為幾何問(wèn)題，
反之需要涉及復(fù)雜的積分問(wèn)題，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)的性能是一個(gè)挑戰(zhàn)。
一般平行泊車(chē)和垂直泊車(chē)采用如圖4和5所示路徑。
平行泊車(chē)分為單次和多次：
單次為如圖4所示路徑一次泊車(chē)完成；
多次則為當(dāng)車(chē)位長(zhǎng)度比較小時(shí)，可采用多次“揉庫(kù)”的方法泊車(chē)。
圖4
圖5
▲泊車(chē)路徑跟隨控制
該過(guò)程為通過(guò)車(chē)載傳感器不斷探測(cè)環(huán)境，實(shí)時(shí)估算車(chē)輛位置，實(shí)際運(yùn)行路徑與理想路徑對(duì)比，必要時(shí)做局部校正。
▲模擬顯示
由傳感器反饋構(gòu)建泊車(chē)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(chē)時(shí)為了知曉處理器定位和計(jì)算路徑運(yùn)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(guò)程中出現(xiàn)重大錯(cuò)誤，用戶可以及時(shí)知曉與停止。
自主泊車(chē)系統(tǒng)
01 定義
隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)泊車(chē)逐漸往自主泊車(chē)方向演進(jìn)。
自主泊車(chē)又稱為代客泊車(chē)或一鍵泊車(chē)：
指駕駛員可以在指定地點(diǎn)處召喚停車(chē)位上的車(chē)輛，或讓當(dāng)前駕駛的車(chē)輛停入指定或隨機(jī)的停車(chē)位。
整個(gè)過(guò)程正常狀態(tài)下無(wú)需人員操作和監(jiān)管，對(duì)應(yīng)于SAE L3級(jí)別。
自主泊車(chē)系統(tǒng)包含兩個(gè)功能，即泊車(chē)與喚車(chē)：
>>>>泊車(chē)功能
是指用戶通過(guò)車(chē)載中控大屏或手機(jī)APP選定在園區(qū)、住宅區(qū)等半封閉區(qū)域內(nèi)的停車(chē)位或者選定停車(chē)場(chǎng)（有高精地圖覆蓋）
然后車(chē)輛通過(guò)獲取園區(qū)、住宅區(qū)等半封閉道路上的車(chē)道線、道路交通標(biāo)志、周?chē)渌?chē)輛等交通環(huán)境、參與者信息；
控制車(chē)輛的油門(mén)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全自動(dòng)駕駛，并通過(guò)自動(dòng)尋找可用停車(chē)位或識(shí)別用戶選定停車(chē)位；
實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊入、自動(dòng)停車(chē)、掛P檔、熄火、鎖車(chē)門(mén)，同時(shí)防止?jié)撛诘呐鲎参ｋU(xiǎn)的功能。
>>>>喚車(chē)功能
是指用戶通過(guò)手機(jī)APP選定園區(qū)、住宅區(qū)等半封閉區(qū)域內(nèi)的某一喚車(chē)點(diǎn)，
然后車(chē)輛從停車(chē)位自動(dòng)泊出、低速自動(dòng)駕駛到達(dá)喚車(chē)點(diǎn)，
從而實(shí)現(xiàn)喚車(chē)，同時(shí)防止?jié)撛诘呐鲎参ｋU(xiǎn)的功能。
02 原理方案
按主要技術(shù)路線，自主泊車(chē)系統(tǒng)可分為：
偏車(chē)端方案
偏場(chǎng)端方案
車(chē)端場(chǎng)端并重方案
偏車(chē)端和偏場(chǎng)端的自主泊車(chē)方案對(duì)比如圖6所示：
圖6
偏車(chē)端自主泊車(chē)系統(tǒng)方案：
典型的偏車(chē)端自主泊車(chē)系統(tǒng)的組成見(jiàn)以下圖7和表2：
圖7
表2主要傳感器信息
偏車(chē)端方案的系統(tǒng)邏輯流程圖見(jiàn)下圖8：
由圖可知，偏車(chē)端方案主要借助車(chē)載傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境以及自身狀態(tài)的感知來(lái)決策并執(zhí)行車(chē)輛動(dòng)作，并在必要時(shí)提醒用戶進(jìn)行車(chē)內(nèi)或遠(yuǎn)程接管操控。
圖8
偏場(chǎng)端自主泊車(chē)系統(tǒng)方案：
圖9為一種偏場(chǎng)端方案的系統(tǒng)示意圖：
◤在停車(chē)場(chǎng)內(nèi)布置激光雷達(dá)或雙目攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛狀態(tài)及周邊環(huán)境的監(jiān)控，通過(guò)預(yù)埋式停車(chē)場(chǎng)傳感器探測(cè)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(chǔ)存的元信息（如停車(chē)位尺寸、費(fèi)用、諸如殘疾人停車(chē)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(shí)時(shí)生成停車(chē)地圖。
駕駛員通過(guò)智能手機(jī)APP接收所有的信息，從而始終能了解最近可用停車(chē)位的概況，以及所有相關(guān)詳情，如距離和價(jià)格。
而車(chē)輛只需要具備與停車(chē)場(chǎng)設(shè)施的通信能力和可控的底盤(pán)執(zhí)行系統(tǒng)，即可在場(chǎng)端的輔助下完成自主泊車(chē)。◢

圖9
03 自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)
自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)組成及功能如表4所示：
表4
04 自主泊車(chē)系統(tǒng)
自主泊車(chē)系統(tǒng)方案如圖11所示，主要采用智能化車(chē)端+智能化場(chǎng)端的方式。
車(chē)端智能化主要依賴于融合式全自動(dòng)泊車(chē)的傳感器配置，外加前視攝像頭、V2X設(shè)備等實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)到點(diǎn)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)車(chē)位掃描、自動(dòng)泊入泊出等功能。
車(chē)輛自身具備車(chē)輛、行人等動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)和識(shí)別功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急制動(dòng)、避障等決策規(guī)劃。
場(chǎng)端智能化主要依托攝像頭檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)車(chē)位占用情況檢測(cè)，并上傳至停車(chē)場(chǎng)服務(wù)器，并實(shí)現(xiàn)為自主泊車(chē)車(chē)輛提前分配車(chē)位信息。
圖11
▲障礙物坐標(biāo)檢測(cè)及多目標(biāo)識(shí)別
超聲波傳感器單純的距離檢測(cè)能力在泊車(chē)預(yù)警輔助場(chǎng)景已可滿足使用要求，但是在智能化泊車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景、及多傳感器融合應(yīng)用中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
為此開(kāi)發(fā)了障礙物坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)及多目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，如圖12和圖13所示：
圖12
圖13
▲高精度車(chē)位檢測(cè)及車(chē)位融合
基于超聲波傳感器可實(shí)現(xiàn)空間車(chē)位的探測(cè)、360環(huán)視攝像頭可實(shí)現(xiàn)線車(chē)位的檢測(cè)。
同時(shí)結(jié)合超聲波傳感器及環(huán)視攝像頭的障礙物信息檢測(cè)，對(duì)車(chē)位進(jìn)行多層次的融合，實(shí)現(xiàn)泊車(chē)位的高精度檢測(cè)，大大提升了泊車(chē)場(chǎng)景的覆蓋范圍。如圖14所示：
圖14
▲軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)
泊車(chē)過(guò)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(wèn)題、參考障礙物位置變動(dòng)問(wèn)題等，導(dǎo)致在泊車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)泊車(chē)軌跡偏離路徑規(guī)劃軌跡現(xiàn)象。
為此開(kāi)發(fā)了泊車(chē)軌跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)泊車(chē)過(guò)程中的軌跡實(shí)時(shí)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(guò)采用視覺(jué)SLAM+標(biāo)簽輔助定位方式，解決地下停車(chē)場(chǎng)無(wú)GPS的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)多源信息融合，提升定位精度。（劃重點(diǎn)，做筆記。）
圖16
▲基于視覺(jué)的停車(chē)場(chǎng)車(chē)位狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)
如圖17所示，通過(guò)停車(chē)場(chǎng)安裝的監(jiān)控?cái)z像頭，基于深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)車(chē)位占用狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將此信息上傳至停車(chē)場(chǎng)車(chē)位管理后臺(tái)服務(wù)器，為自主泊車(chē)車(chē)輛提供可泊車(chē)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(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)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(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)環(huán)境感知狀態(tài)，進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、 跟車(chē)巡航以及換道避讓、 換道超車(chē)等自主決策。
圖18
總結(jié)一下
泊車(chē)場(chǎng)景作為用戶痛點(diǎn)感受最深，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，客戶最愿買(mǎi)單且最有機(jī)會(huì)率先落地的場(chǎng)景，是乘用車(chē)L4自動(dòng)駕駛企業(yè)兵家必爭(zhēng)之地。
之前看過(guò)一篇文章，里面列舉了汽車(chē)十大最沒(méi)用的配置，自動(dòng)泊車(chē)位列其中。而隨著自動(dòng)泊車(chē)從半自動(dòng)到全自動(dòng)發(fā)展，我們看到了自動(dòng)泊車(chē)作為低速自動(dòng)駕駛更多的閃光點(diǎn)。自動(dòng)泊車(chē)也逐漸從“雞肋”變成了“真香”。
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