張潛

摘要：隨著科技水平的提升，汽車制造行業(yè)逐漸向著現(xiàn)代化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，汽車功能逐漸增加，其中就包括自動(dòng)泊車功能，可以識(shí)別周邊環(huán)境精準(zhǔn)定位，為駕駛者提供巨大的便利。本文主要以自主泊車為研究對(duì)象，圍繞于車身傳感器的自主泊車建圖與定位功能實(shí)現(xiàn)展開探討，先分析主流定位方案的利弊，接下來基于車身傳感器確定方案思路，最后研究建圖和定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，測試實(shí)際的定位效果，希望為自動(dòng)泊車系統(tǒng)今后的研發(fā)提供一定參考借鑒。

Abstract： With the improvement of the level of technology， the automobile manufacturing industry is gradually developing towards modernization， automation， and intelligence. The functions of automobiles are gradually increasing， including the automatic parking function， which can identify the surrounding environment and provide precise positioning for drivers. convenient. This article mainly takes autonomous parking as the research object， and discusses the realization of autonomous parking mapping and positioning functions of the body sensor. The pros and cons of mainstream positioning schemes are analyzed first， then the idea of the scheme is determined based on the body sensor， and finally the mapping and positioning are studied. The system design process， testing the actual positioning effect， hope to provide a certain reference for the future research and development of the automatic parking system.

關(guān)鍵詞：車身傳感器;自主泊車;建圖;定位;功能實(shí)現(xiàn)

Key words： body sensor;autonomous parking;mapping;positioning;function realization

中圖分類號(hào)：U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0202-03

0? 引言

自動(dòng)泊車主要是在停車位附近操作，通過控制系統(tǒng)自動(dòng)泊車入位，而自主泊車則是在自動(dòng)泊車基礎(chǔ)上增加無人駕駛功能，在地下車庫自動(dòng)穿行尋找車位。目前，自動(dòng)泊車技術(shù)趨于成熟，但是實(shí)現(xiàn)難度更是相對(duì)較高，基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)、車輛設(shè)施等都要達(dá)到一定條件，才能保證自主泊車的精準(zhǔn)性。本文主要基于車身傳感器展開設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自主泊車建圖及定位功能，才能保證自主泊車的精準(zhǔn)性，推動(dòng)自動(dòng)泊車技術(shù)向著智能化、自動(dòng)化的方向不斷發(fā)展進(jìn)步。

1? 主流定位方案利弊

汽車需要清楚感知周邊環(huán)境，同時(shí)精準(zhǔn)定位泊車位置，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代客泊車，為了達(dá)到上述要求，首先要選擇適合的定位方案，現(xiàn)階段成熟的定位技術(shù)較多，都存在一定的利弊，下面介紹幾種主流的定位方案，重點(diǎn)研究定位方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

第一，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。該定位方案的進(jìn)度較高，可以快速更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但是在使用一段時(shí)間后，會(huì)累積大量的誤差。第二，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。GNSS是現(xiàn)階段最為成熟的一種定位技術(shù)，但是汽車的行駛環(huán)境比較復(fù)雜，在地下車庫、隧道等位置還是會(huì)出現(xiàn)定位問題，包括信號(hào)丟失、精度低、多路徑等問題。第三，差分GNSS和INS組合定位。這種組合定位的精度更高，可以達(dá)到厘米級(jí)定位，但是成本相對(duì)較高，同時(shí)對(duì)于GNSS依賴性更強(qiáng)，現(xiàn)階段被應(yīng)用與無人駕駛車輛。第四，高精度地圖（HDMap）定位技術(shù)。該方法的定位精度較高，但是在正式應(yīng)用之前，需要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r構(gòu)建高精度地圖，購置專業(yè)的硬件設(shè)備，花費(fèi)大量的費(fèi)用處理數(shù)據(jù)。第五，激光雷達(dá)里程計(jì)算法。這種定位方案較為成熟，擁有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，激光雷達(dá)占地面積較大，為此一般用于制作離線HDMap。第六，視覺傳感器定位技術(shù)，這種定位方案可以感知車輛周邊的環(huán)境信息，基本不受到車輛打滑等情況的影響，同時(shí)占用空間較小，可以快速安裝在行駛車輛上，后續(xù)可以結(jié)合實(shí)際需求拓展各個(gè)功能，造價(jià)成本更低。但是單純的視覺里程計(jì)（VO）存在一定的不確定性，提供的定位信息精準(zhǔn)度較低[1]。

2? 基于傳感器方案的思路分析

根據(jù)上述研究內(nèi)容可知，現(xiàn)階段主流的定位技術(shù)較多，包括INS、GNSS等，都存在一定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其中最適合自主泊車的是視覺定位技術(shù)，但是視覺里程計(jì)定位技術(shù)限制較多，如果單純利用該定位技術(shù)，可能在實(shí)際定位過程中，會(huì)出現(xiàn)尺度不確定等問題，無法提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，考慮到該情況后，決定將視覺定位技術(shù)作為基礎(chǔ)，將車身傳感器作為建圖與定位系統(tǒng)的核心部件。

首先，要先確定建圖與定位系統(tǒng)需要的傳感器裝置，正常情況下，汽車擁有的傳感器設(shè)備較多，都擁有不同的功能，為此要考慮到實(shí)際的定位需求，選擇幾種核心的傳感器作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集裝置。考慮到汽車自主泊車需求，最終選定三種核心傳感器裝置：一是車輛轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器可以收集車輛的輪速脈沖，這也是控制自主泊車的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。二是轉(zhuǎn)角傳感器，該傳感器可以收集車輛的轉(zhuǎn)角信息，一般設(shè)置在方向盤中間位置，與車輛脈沖轉(zhuǎn)速相似，都需要提供給定位系統(tǒng)。三是前視魚眼攝像頭，該傳感器可以獲取車輛周邊信息，這也是最重要的傳感設(shè)備，為后續(xù)的建圖定位提供充足的數(shù)據(jù)信息支持[2]。

接下來，確定傳感器裝置后，還要實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，不同傳感器獲取的信息存在一定的差異。建圖與定位系統(tǒng)運(yùn)行期間運(yùn)用車輛里程計(jì)定位技術(shù)，主要獲取二維信息，而前視魚眼攝像頭獲取的則是三維信息，為了融合不同形態(tài)的數(shù)據(jù)信息，就要先約束車輛位姿，才能串聯(lián)其不同的點(diǎn)位信息，這時(shí)候就要根據(jù)實(shí)際的定位需求合理設(shè)計(jì)約束條件。

最后，確定傳感器和數(shù)據(jù)融合方案后，已經(jīng)為車輛自主泊車定位奠定良好基礎(chǔ)，定位階段依靠視覺傳感器檢測特征點(diǎn)位，在利用檢測到的點(diǎn)位匹配三維路標(biāo)點(diǎn)位即可，就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，這種傳感器定位方案不會(huì)受到特殊場景的限制，在地下車庫、停車場等場合也可以正常運(yùn)行。

3? 建圖與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)建圖與定位系統(tǒng)時(shí)，主要從三方面入手，首先要科學(xué)運(yùn)用車身傳感器，主要利用各類傳感器收集需要的數(shù)據(jù)信息，這也是建圖和定位系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件，接下來要科學(xué)展開車輛位姿計(jì)算，通過科學(xué)的約束條件融合二維及三維數(shù)據(jù)信息，最后要實(shí)現(xiàn)平面定位，利用前視魚眼攝像頭獲得特殊點(diǎn)信息，合理匹配三維路標(biāo)點(diǎn)位[3]。

3.1 車身傳感器

車身傳感器主要用于收集汽車運(yùn)行中的工況信息，包括車速、介質(zhì)溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)工況等，收集到信息后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身的精準(zhǔn)控制。建圖和定位系統(tǒng)主要利用車身傳感器收集三種信息：第一，車輛輪速脈沖。車輛通過轉(zhuǎn)速傳感器收集到輪速脈沖，這些信息正常情況下用于控制VDC、ABS、ESP等系統(tǒng)，這也突出了轉(zhuǎn)速傳感器的重要地位，在建圖定位系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速傳感器負(fù)責(zé)傳輸車輛輪速脈沖，為車輛自主泊車提供數(shù)據(jù)支持。第二，車輛轉(zhuǎn)角信息。車輛行駛期間主要依靠轉(zhuǎn)角傳感器獲取轉(zhuǎn)角信息，通過轉(zhuǎn)角信號(hào)可以了解車輛轉(zhuǎn)動(dòng)的方向、角度、速度等信息，一般將傳感器設(shè)置在方向盤中間位置上，在建圖與定位系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角信息用于確定車輛泊車路線。第三，前視魚眼攝像頭。攝像頭主要用于獲取車輛附近的環(huán)境信息，魚眼鏡頭焦距較短，屬于廣角鏡頭的一種，可以最大化獲取周邊環(huán)境信息，避免車輛自主泊車時(shí)碰撞到周邊障礙物，同時(shí)也是建圖定位系統(tǒng)的核心裝置，提供絕大部分的建圖信息[4]。

在設(shè)計(jì)建圖與定位系統(tǒng)時(shí)，車身傳感器負(fù)責(zé)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)還要融合到一起，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，其中最為關(guān)鍵的就是視覺傳感器及車輛里程計(jì)，融合后才能提供建圖與定位需要的數(shù)據(jù)信息。

3.2 車輛位姿計(jì)算

在通過車身傳感器收集需要的數(shù)據(jù)信息后，接下來要展開對(duì)車輛位姿的科學(xué)計(jì)算。正常情況下，車輛里程計(jì)只能得到二維平面信息，而視覺計(jì)算車輛位置則完全不同，可以得到單位信息，為了融合兩種不同的數(shù)據(jù)信息，這時(shí)候就要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛位姿的約束處理，將其限制在二維平面上，接下來要處理好擾動(dòng)信息，將其作為噪聲項(xiàng)，集成到SE（2）-XYZ約束中，該約束可以順利串聯(lián)出二維及三維信息，主要利用圖像特征點(diǎn)檢測方法，將三維的特征云信息對(duì)應(yīng)到二維的位姿信息上，形成一個(gè)穩(wěn)定的融合狀態(tài)。最后，要科學(xué)利用約束條件，逐漸構(gòu)建出常用圖優(yōu)化結(jié)構(gòu)，這樣就得到了穩(wěn)定的定位和建圖系統(tǒng)，系統(tǒng)主要依靠視覺里程定位。

可以看出，車輛位姿計(jì)算也是建圖和定位系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)是將二維及三維信息聯(lián)系到儀器，這就需要先約束車輛位姿，定位在二維平面上，就可以利用一定的約束條件及方法聯(lián)系二維位姿及三維特征點(diǎn)云信息，得到一個(gè)自動(dòng)泊車的圖紙信息[5]。

3.3 平面定位實(shí)現(xiàn)

在完成車身傳感器數(shù)據(jù)融合及車輛位姿計(jì)算后，就可以進(jìn)入到平面定位實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。在車輛定位過程中，主要依據(jù)視覺傳感器，前視魚眼攝像頭可以檢測當(dāng)前環(huán)節(jié)，找到關(guān)鍵的特征點(diǎn)位，將這些點(diǎn)位上傳到建圖和定位系統(tǒng)，找到與之匹配的三維路標(biāo)點(diǎn)位，在匹配過程中，要滿足兩大要求，一個(gè)就是保證匹配的精度，這也是順利完成自動(dòng)泊車的前提條件，一旦匹配精度沒有達(dá)到要求，就可能出現(xiàn)定位不精準(zhǔn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛碰撞到障礙物，引發(fā)一系列的問題。另一個(gè)就是保證系統(tǒng)的魯棒性，該特性是對(duì)Robust的音譯，主要是指特殊情況下系統(tǒng)的生存能力，在車輛自動(dòng)泊車遇到一些特殊情況時(shí)，也要保證建圖及定位系統(tǒng)正常運(yùn)行，才能保證車輛及駕駛者的安全性，在滿足上述兩大要求的基礎(chǔ)上，要保證車輛可以精準(zhǔn)在平面環(huán)境下定位。建圖與定位系統(tǒng)可以在特定場景下穩(wěn)定運(yùn)行，例如地下停車庫、隧道等，精準(zhǔn)發(fā)揮定位功能，為后續(xù)的自動(dòng)泊車提供穩(wěn)定技術(shù)支持。

通過合理的規(guī)劃研究，設(shè)計(jì)得到建圖與定位系統(tǒng)，主要基于車身傳感器完成設(shè)計(jì)工作，接下來還要展開合理的測試，重點(diǎn)測試定位效果，確認(rèn)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，才能進(jìn)入到試運(yùn)行階段。

4? 建圖和定位效果測試

在建圖與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束后，還要接受建圖和定位效果測試，選定一些特定場景，為驗(yàn)證建圖精度，以RTK數(shù)據(jù)為真值，對(duì)比驗(yàn)證建圖數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證建圖精度;為驗(yàn)證定位效果，以地下車庫及停車場的真實(shí)尺寸來驗(yàn)證定位精度，分別測試系統(tǒng)的定位效果。

定位效果測試過程如下：選擇相同的測試車輛，選擇正常路面、地下車庫、地下停車場以及實(shí)驗(yàn)場地作為測試場景，各測試標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果將在下文展示。

4.1 驗(yàn)證建圖精度

建圖精度指SLAM建圖階段車輛在地圖中的行駛路徑與車輛實(shí)際行駛路徑的重合程度，用絕對(duì)軌跡誤差和相對(duì)位姿誤差來衡量建圖精度。

①絕對(duì)軌跡誤差（ATE）。

絕對(duì)軌跡誤差為建圖軌跡位姿與真實(shí)軌跡位姿的直接差值，直觀反映建圖精度、軌跡全局一致性。定義第i幀的絕對(duì)誤差為：

在所述測試環(huán)境下，開啟SLAM，車輛分別沿直線、直線加一次轉(zhuǎn)彎和直線加兩次轉(zhuǎn)彎形式的路線行駛50m左右，車輛行駛過程中同步保存RTK數(shù)據(jù)作為行駛軌跡的真值，車輛停止后，完成SLAM建圖。同步并對(duì)齊RTK軌跡和SLAM軌跡，使用式（1）和式（2）計(jì)算APE和RPE。

建圖精度：

①直線行駛。

沿直線行駛，記錄SLAM和RTK數(shù)據(jù)，計(jì)算軌跡誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

②一次轉(zhuǎn)彎。

行駛過程中進(jìn)行一次轉(zhuǎn)彎，記錄SLAM和RTK數(shù)據(jù)，計(jì)算軌跡誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

4.2 定位精度

定位精度指SLAM定位階段車輛定位位置與車輛的實(shí)際位置的重合程度，用橫向誤差errorloc? x和縱向誤差errorloc? y來衡量定位的精度。用（xloc，yloc）和（xgt，ygt）來表示定位位置和真實(shí)位置，則誤差可表示為：

以兩種方式驗(yàn)證定位精度：

方式一：驗(yàn)證車輛開啟定位誤差，車輛停在SLAM建圖路線上的任意位置（距離建圖軌跡橫向距離±50cm之內(nèi)），并記錄該位置真實(shí)坐標(biāo)，開啟SLAM定位模塊，得到SLAM定位結(jié)果，利用式（5）和式（6）計(jì)算定位誤差。結(jié)果如表3。

方式二：驗(yàn)證車輛運(yùn)動(dòng)定位誤差，車輛停在SLAM建圖路線的任意位置（距離建圖軌跡橫向距離±50cm之內(nèi)），開啟SLAM定位模塊，沿建圖路徑行駛到建圖路徑終點(diǎn)后停住，得到SLAM定位結(jié)果，利用式（5）和式（6）計(jì)算定位誤差。結(jié)果如表4。

4.3 定位成功率

定位成功率指車輛在建圖路徑上任意位置進(jìn)行定位，定位成功的次數(shù)與定位總次數(shù)的比值。測試結(jié)果如表5。

經(jīng)過一系列的測試后，發(fā)現(xiàn)所有測試項(xiàng)目的定位效果都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)信息，完成建圖和定位工作，測試期間沒有出現(xiàn)任務(wù)問題，順利通過測試。在測試過程中，還重點(diǎn)檢查了建圖與定位系統(tǒng)的核心部分，包括車身傳感器、車輛位姿計(jì)算及平面定位，完全與模擬仿真過程一致，沒有出現(xiàn)任何意外情況。

經(jīng)過一系列的測試后，確定自主泊車建圖與定位功能完全實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮車身傳感器定位技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)。

5? 結(jié)束語

綜上，主流的自動(dòng)泊車定位技術(shù)都存在一定的利弊，經(jīng)過研究討論后決定選擇視覺定位技術(shù)，結(jié)合實(shí)際的泊車需求合理優(yōu)化改進(jìn)，基于車身傳感器設(shè)計(jì)出自主泊車的建圖與定位系統(tǒng)，順利通過定位效果測試及定位效果測試，完全達(dá)到預(yù)計(jì)的定位效果。在設(shè)計(jì)建圖與定位系統(tǒng)時(shí)，核心設(shè)備為車身傳感器，可以利用多種傳感器收集車輛運(yùn)行的信息，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，通過限制車輛姿位的方式將二維和三維點(diǎn)位聯(lián)系到一起，定位時(shí)可以利用視覺傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境點(diǎn)位，匹配三維點(diǎn)位后精準(zhǔn)定位。

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