乘用车动态倒车辅助线设计

冉光伟, 马乐，黄楚然，翟伟良

(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434； 2.华南理工大学广州学院工程研究院，广东广州 510800)

乘用车动态倒车辅助线设计

冉光伟1, 马乐2，黄楚然2，翟伟良2

(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434； 2.华南理工大学广州学院工程研究院，广东广州 510800)

针对目前可视化倒车辅助系统存在的障碍物距离判断困难、对驾驶员驾驶技能要求高等不足，对倒车辅助系统的工作原理进行分析，提出基于实时方向盘信号的动态倒车辅助线设计。根据阿克曼几何原理对车辆倒车过程中车辆运动进行分析，通过获取的方向盘转角信号生成预测的倒车轨迹并经过坐标转换后实时投影到显示屏，为用户的倒车操作提供可靠的参考。最后通过实车实验，验证了所开发的动态倒车辅助线的实时性和有效性。

动态倒车辅助线；阿克曼几何原理；坐标变换

0 引言

随着电子工业的飞速发展，汽车电子也得到快速发展[1]，许多的先进电子辅助驾驶系统被设计出来，如倒车雷达、胎压检测、360°全景、导航等[2]，并且逐步成为汽车的标准配置，其中先进倒车辅助系统是最受瞩目的新技术之一。

目前，汽车倒车辅助系统(Parking Assist System)大致可以分为2种形式：一种是倒车雷达，通过超声波雷达探测距离和物体[3-4]，当其接近或探测到有障碍物时，即发出间断或持续声音警告驾驶者；另外一种形式是利用后视广角摄像头(Rear View Camera)直接将汽车后方的外部环境显示在车载LCD屏幕上[5-7]，驾驶员可以实时观察到车后的情况，但车后障碍物的距离仍需要驾驶者预测。如果能开发出在显示屏上根据驾驶者所旋转的方向盘角度预测出车辆的倒车轨迹并配有距离标尺的辅助倒车系统，将对驾驶者倒车操控很有帮助，能大大减少因为驾驶经验缺失造成的判断错误。

作者根据车辆的转向角和倒车车速，结合雷达探测传感器，在车载多媒体系统中开发动态倒车估计算法，并在车载多媒体屏幕上显示倒车预测轨迹，实现倒车视野可视、障碍物距离和声音提醒的倒车辅助系统，有效地解决了驾驶者倒车难的问题。它不仅能够清晰地看到车尾的情况，更能实时动态预测倒车方向，指引驾驶员适时调整倒车路线，帮助驾驶员安全、快速地完成倒车。

1 系统概述

1.1 工作原理

当驾驶者挂入R挡，系统便立即启动倒车摄像头和方向盘转角传感器，并获取后方即时影像和方向盘转角角度信号，传送至倒车辅助系统电子控制单元进行轨迹路径计算和影像叠合处理，最后传送至车内多媒体主机屏幕上供驾驶者参考。倒车辅助系统工作流程架构如图1所示。

图1 倒车辅助系统架构

1.2 倒车轨迹计算

在低速运动条件下，根据阿克曼转向几何原理可以推算转弯中心点、转弯外半径、转弯内半径，从而确定车辆转弯的地面轨迹，如图2所示。

图2中，根据车辆的最小转弯半径计算出车辆的最大转弯角度，由阿克曼几何原理有：

(1)

式中：A表示轮距；B表示轴距；Rmin_Left、Rmin_Right表示最小转弯半径(向左/右)；θmax_Left、θmax_Right表示最大转弯角度(向左/右)。

CAN上的方向盘信号值和车辆转弯角度采用线性的对应关系，通过方向盘信号来判断车轮转角。当CAN接收到任意方向盘转动信号t时，有：

(2)

式中：Tmid为方向盘处于正中时CAN上的信号值；TLeft为方向盘打到最左时CAN上的信号值；TRight为方向盘打到最右时CAN上的信号值；t为方向盘转动时CAN上产生的信号值；θ为等效前轮转角。由图2可知：车辆倒车时以点O为圆心，R1和R2分别为左后角以及右后角倒车轨圆半径。至此，根据上述θ可以求出点O坐标以及R1和R2的值：

(3)

根据表1的标定数据在MATLAB中搭建车辆的运动学模型[8]，获得车辆在固定转角下R1和R2的仿真轨迹，如图3所示。

图3 转角为18°时R1和R2的轨迹

如图3所示，当θ=18°时，车辆进行倒车运动，左后角以及右后角的轨迹如红线所示。

表1 摄像机各参数标定

1.3 坐标转换数值模拟

车辆倒车的实际轨迹线需要投影到倒车摄影机上[9]。但因为计算时使用的是现实坐标，如果直接投影到显示屏会造成计算结果和实际影像不对应，需要进行坐标转换，将实际坐标转换至后方摄影机坐标，称之为摄像机标定[10-11]。可以用如下式来进行计算：

(4)

式中：Pc为转换后摄影机坐标下的点；Pw为现实坐标中对应的点；M为转换矩阵；R为旋转分量；T为平移分量。

根据式(4)和标定实验获取的转换矩阵数据，在MATLAB上搭建坐标转换仿真实验，实验效果如图4所示。

图4 坐标转换仿真效果

图4(a)显示了转换前、后的直线投影。而图4(b)为经过坐标转换后的倒车轨迹。对倒车轨迹线进行坐标转换之后，再通过镜头焦距、扭矩扩张，最终获得的投影效果如图5所示。

图5 影像坐标上的投影图像

2 实车试验

图6是所开发的倒车辅助系统实际装车试验时的倒车影像截图，实际倒车时能帮助驾驶员成功倒车入库。

图6 实车倒车试验

图中显示，倒车的时候，车机左边显示的是俯视状态下汽车在当前方向盘转角下的倒车轨迹和全景视野，能够帮助驾驶员把握车身姿态和车身周围整体情况；右边显示的是车辆正后方的定位区域状态，可以随时确认后方安全。友好的UI显示有助于在倒车过程中随时调整方向盘转角以实现成功倒车，帮助泊车经验欠缺的司机提高泊车安全。

3 结论

首先阐述车辆倒车的研究背景，对倒车辅助系统的工作原理进行分析，然后根据阿克曼几何原理对车辆倒车过程中的倒车轨迹线进行推导计算，并根据坐标转换原理对实际的倒车轨迹线进行转换，将其投影到摄影机上。为了验证所开发的动态倒车辅助线的有效性，进行了实车实装验证，证明了动态倒车辅助线的有效性。

[1]占泽晟，杜晓梅，贾辉.汽车电子前沿技术分析及展望[J].轻型汽车技术，2011(Z3)：3-5,35.

[2]薛玉斌，王祥，石晶.汽车安全驾驶辅助系统的研究综述[J].黑龙江交通科技，2016(2)：124-126.

XUE Y B,WANG X,SHI J.Review on the Research of the Vehicle Driving Safety Assistant System[J].Communications Science and Technology Heilongjiang,2016(2)：124-126.

[3]吴赛燕,杨辉.超声波测距信号处理算法研究[J].福建电脑,2009,25(3):73.

[4]苏炜,龚壁建,潘笑.超声波测距误差分析[J].传感器与微系统,2004,23(6):8-11.

SU W,GONG B J,PAN X.Error Analysis of Measuring Distance with Ultrasonic[J].Transducer and Microsystem Technologies,2004,23(6):8-11.

[5]王宗强，刘高同，林跃，等.基于S3C2440 amp; WinCE的倒车后视系统设计[J].自动化与仪表，2010(1)：10-13.

WANG Z Q,LIU G T,LIN Y,et al.Design of Video Rearview System Based on S3C2440 amp; WinCE[J].Automation amp; Instrumentation,2010(1)：10-13.

[6]胡鼎.基于Android的车载倒车系统设计与实现[D].南京:东南大学，2016.

[7]潘飞平.基于ARM的车载全景影像倒车系统设计[D].武汉:武汉工程大学，2015.

[8]李社蕾,张潇,周望月.基于模糊控制的自动泊车轨迹研究及仿真[J].计算机技术与发展,2017(2):163-166.

LI S L,ZHANG X,ZHOU W Y.Simulation and Study of Automatic Parallel Parking Path Based on Fuzzy Control[J].Computer Technology and Development,2017(2):163-166.

[9]李锡瑞,吕建平.基于MB90092型专用字符叠加电路的视频监控系统的设计与实现[J].国外电子元器件,2006(1):18-21.

LI X R,LYU J P.Design and Implementation of Video Monitoring System Based on MB90092[J].Electronic Design Engineering,2006(1):18-21.

[10]王秀坤，魏燚潍，李宁.CMOS网络摄像头标定方法研究[J].科技信息，2008(35)：407-408.

[11]冯亮，谢劲松，李根，等.摄像机标定的原理与方法综述[J].机械工程师，2016(1)：18-20.

FENG L,XIE J S,LI G,et al.Review of Camera Calibration Principle Methods[J].Mechanical Engineer,2016(1)：18-20.

DynamicReversingAssistantLineDesignforPassengerCar

RAN Guangwei1，MA Yue2，HUANG Churan2，ZHAI Weiliang2

(1.Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434, China;2.Engineering Institute, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510800, China)

There are shortcomings that it’s difficult to determine the obstacle distance and high driving skill is still required in current visual reverse assist system.To solve these problems, the work principle of the reverse assist system was analyzed and a dynamic reversing assistant line design was proposed based on the real-time steel wheel signal. The reversing process was analyzed according to the Ackerman principle. The predicted astern trajectory, which was generated from the steering wheel signal, was displayed on the screen after coordinate transformation and it provided reliable reference to users for their reversing operation. The real-time performance and effectiveness of this dynamic reversing assistant line was validated by a real vehicle test.

Dynamic reversing assistant line; Ackerman geometry principle; Coordinate transformation

U463.6

A

1674-1986(2017)11-009-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.002

2017-07-24

广东省粤港共性技术招标项目专项资金支持项目(2013B010138002)

冉光伟(1980—)，男，学士，工程师，主要从事车联网及汽车电子控制单元的开发。E-mail:lvyang_ran@126.com。