自动停车系统中的传感器Word下载.docx

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成绩:

任课教师:

陆明刚

评阅日期:

摘要：

随着汽车保有量的快速上升，在现代都市中“停车难”问题表现的愈来愈突出。

一个有效的自动停车系统，不仅能帮忙驾驶者快速、安全的完成停车操作，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。

针对自动停车系统对环境感知部份硬件的要求，本文讲述了基于图像识别的方式、基于超声波传感器的方式和基于激光雷达的方式这三种方式。

而且对基于这三种方式的自动停车系统别离进行了举例，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停车系统的实际应用。

关键词：

自动停车；

传感器；

图像识别；

超声波；

激光雷达

SensorsinAutoparksystem

SiXiaoxia

（SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）

Abstract:

Withtherapidincreaseofcar,itismoreandmoredifficulttoparkacarinthemoderncities.Anefficientautomaticparkingsystemnotonlycanhelpthedriverstoparkfastandsafely,whichcanrelievetheburdenofthemanddecreasethetrafficaccidents,butalsocanenhancethevehicle’sintelligence.Inordertogetthehardwarerequirementsofenvironmentalperceptionpartinautomaticparkingsystem,thepaperrepresentsthreeways:

methodbasedonimagerecognition,methodbasedontheultrasonicsensorandmethodbasedonlaserradar.What’smore,itmakesexamplesaboutautomaticparkingsystemsonthemanddilatesupontheiroperationprinciplesandadvantagesanddisadvantages.Atlast,itshowsthepracticalapplicationoftheseautomaticparkingsystems.

Keywords:

automaticparking；

sensors；

imagerecognition；

ultrasonic；

laserradar

随着经济的进展,人们生活水平的提高,汽车愈来愈普及。

可是,汽车数量的激增便带来了停车位紧张的问题,每辆汽车的停车位愈来愈小,在此情形下,将车顺利地停到车位上成了很多驾驶员的麻烦事。

自动停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。

自动停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。

从自动停车系统功能上来讲，需要车辆具有环境感知、数据处置、高精度控制的能力。

环境感知部份对硬件的要求主如果指传感器的选择，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置方式有：

（1）基于图像识别的方式[1,6]：

应用了模式识别，从而由收集到的图像辨别停车位置。

通过在车辆行驶进程中收集的持续图像成立三维虚拟环境，从而帮忙检测空闲车位。

（2）基于超声波传感器的方式[2]：

传感器的工作原理与短距离倒车雷达相似。

超声传感器在平行停车的情形中应用普遍。

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，从而识别并贮存车位的尺度信息，从而成立停车区域的地图。

（3）基于激光雷达的方式[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，可是它们别离存在着一些缺点。

1基于图像识别方式的自动停车系统

基于图像识别的方式的自动停车系统[4]是利用车尾摄像头，将车辆后方的路况呈此刻中央显示屏中，驾驶员通过触摸屏把代表车身的方块在屏幕上随意移动，若是位置适合，方块将由红色变成绿色。

现在只要挂入倒挡，控制好车速就可以够完成自动停车了。

雷克萨斯的停车系统[5]既支持平行停车，也支持倒库停车，而且还带有视频辅助功能。

目前的自动停车系统，还不完全属于后视系统完成的功能。

在整个倒车进程中，系统仍然需要依托其它传感器获取距离与车的位置信息。

可是该功能是通过对图像的处置，来寻觅停车位置，从而实现自动停车的功能。

自动停车导航系统[7,8]采用双目视觉和陀螺仪,实现对环境三维信息的感知,发觉障碍物,成立环境模型,并估量车辆自身位置。

双目视觉仿照人类双眼来取得场景三维信息,直接简便,是运算机视觉的重要方式。

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,同时拍照同场景,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）中的位置差取得该点的景深。

图1双目视觉原理图

figure1schematicdiagramofbinocularvision

视差

（1）

式中:

xl和xr为某点别离在左右视图中的像素横坐标;

f为摄像头的焦距;

b为两摄像头核心距离；

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=λ=fb/Δ,X=λ（x-x0）/f,Y=λ（y-y0）/f。

由此可知空间中每一个像素点在摄像机坐标中的三维信息。

由以上算法只能取得当前位置的局部地图。

为了取得车辆行进中所收集的全局地图,需引入陀螺仪。

按照二维空间affine变换的性质,可知t时刻坐标系到t′时刻坐标系的转变矩阵:

;

θ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,

。

通过该变换,可将所有局部地图转换到同一坐标系中,将它们叠加后即取得全局地图。

以后，将生成的地图作为系统的输入端;

运算单元按照这些地图信息,通过计算判断车辆可否泊入该车位所提供的空间,并生成适合的停车参考路径和相应的控制命令（主如果车速命令和转角命令）;

执行机构按照控制命令使车辆泊入车位,另外,执行机构处设有效于纠正实际执行线路误差的预瞄反馈算法,目的是使执行进程形成闭环控制,从而精准地沿着参考路径停车。

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，已经取得了市场的普遍认可[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，其功能超级有限。

可是随着传感器技术，汽车技术和运算机技术的进展，传感器和数据处置系统将会越多的应用到汽车领域。

能够预见，在不久的未来，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愈来愈重要的地位。

同时以图像传感器和图像数据处置为基础的自动驾驶系统，也将会出此刻人们的眼前。

2基于超声波传感器方式的自动停车系统

由于超声波传感器[10]具有结构简单、体积小、费用低,信息处置简单靠得住,不受光照、电磁和尘埃干扰等特点,被普遍地应用于移动机械人对环境的感知和建模和自动停车系统中。

应用超声传感器进行距离测量的方式[11]很多,现采用脉冲回波法,其工作原理是:

用电振荡脉冲鼓励超声波探头,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刻距离t（称为射程时刻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。

汽车自动停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,系统取得的距离信息准确,而且数据稳固,并要知足停车的实时性要求。

现描述一种自动停车超声传感器系统。

二、1系统硬件电路

如图2所示系统的硬件组成[12]包括:

微控制器及信号收集模块、串行通信模块、超声波驱动电路、回波检测模块、接口保护电路等。

大体的工作原理是:

由单片机产生固定周期的频率约为的数字振荡电平脉冲,经驱动电路将脉冲放大鼓励超声换能器工作,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刻,该时刻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

figure2thestructureofthesystemdiagram

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IRF520两级组成。

这种电路是采用在饱和区工作的功率管开关作为鼓励功率级,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,鼓励变压器工作。

图3超声波驱动电路

Figure3drivercircuitofultrasonicsensors

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形下工作,无信号时截止,起到减少电路的功耗,保护功率管的作用,不然功率管长时刻处于导通状态,管耗增加,会使功率管温度急剧上升,乃至会烧毁功率管。

另外,由于单片机方波信号通过与非门后波形失真,使得方波上升沿上升时刻变长,也会增大功率管的管耗,发烧量增加,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。

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份如,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组成的精密放大器。

AD620是一种电阻可编程的放大器,整个放大器具有很高的精度和共模抑制比,其增益范围在1~1000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200Ω,放大增益约为240倍。

图4回波检测电路

Figure4detectioncircuitryofecho

系统采用无穷增益多路反馈型滤波电路,它是由一个理论上具有无穷增益运算放大器赋以多路反馈组成的滤波电路。

本系统采用高阻抗运算放大器（TL084）和RC阻容元件组成的有源带通滤波器,其滤波器参数为:

可先选定C3=C4=500pF,ωc为带通滤波器中心角频率,ωc=80KHz;

Ap为滤波器的增益,Ap=3;

Q为品质因数,Q