清华高校苏州汽车探讨院智能汽车技术探讨所所长戴一凡：基于超声波的环境感知与自主泊车
清华高校苏州汽车探讨院智能汽车技术探讨所所长戴一凡大家下午好，我来自清华苏州汽车探讨院，我们主要面对汽车产业工程技术做研发和产业孵化，2016年孵化企业总产值达到30亿的规模。我今日给大家介绍一下在做的其中一个项目，这个项目前几年在我们团队里做出来以后成立公司做产业化，现在是独立公司在做，是基于超声波传感器环境感知和自动泊车技术。一、背景首先说一下背景，自动泊车我们也分析过，为什么我们做这个事情？在全世界来看，自动泊车是各国做消费者调研的时候，消费者认为这是一个刚需，因为停车位比较小，大家停车不太规范，对自动泊车技术需求特殊明显，我们在自动泊车之上在提自主泊车，我们现在整个发展路径也是先把自动泊车技术做好，往上再做自主泊车。这是现在市场的比例，包括将来比例的估计，中信证券估计2020年自动泊车市场也许在一百亿的规模。UDAS是为了自动泊车项目成立的公司，自动泊车这个事情是2014年起先组建团队做，到2016年我们觉得产业化条件比较成熟，我们做了这个公司起先产业化的探讨。二、基于超声波传感器环境感知技术。我们常见的超声波传感器，大家见的最多的是倒车雷达，跟激光雷达原理比较类似，打到
障碍物弹回来，通过电压大小计算时间来算距离。常见的倒车雷达一般识别距离是1.5m到2m，但假如做自动泊车，这个距离太短了，一个垂直停车的车位至少4.5m到5m的距离才能保证这是一个空的车位，两米确定不够。所以为了做这个事情，我们要对超声波雷达本身做许多改进，首先提高探测距离，距离要达到5米，我们的探测距离对大平面基本达到6米左右，对于比较粗的管子，像75公分的管子达到5米的距离。
为了提高探测距离须要做几个事情，第一，本身超声波探头里有一个振动单元，我们叫麦克风，你给它一个电压，它会振一下，然后引起空气振荡，打一个机械波出去，弹到墙上再弹回来又引起振动产生电压，你去解读这两个电压算距离。为了提高探测距离，要对麦克风本身进行设计，这个麦克风我们和日本供应商合作，现在独家跟我们供货。基本是要把它的能量更加聚焦，原来的传统倒车雷达在垂直平面比较发散，现在把它收敛一些，收敛以后能量打的更远。光打远也没有远，距离远了以后，因为各种各样的反射干扰和空气中有一些接近声波频率的振动，假如你不做任何处理，回波信号完全沉没在噪声中。所以我们在硬件本身的滤波和放大电路上做了许多设计，这个图显示的好几个回波点，因为距离远近，不同障碍物，越远电压越弱，特别清晰显示出来多个障碍物回波点，一般是做到一两个，我们能做到五到六个回波点检测出来。其次，从探测范围来说，一般
在垂直方向压缩，水平方向现在做到80°到85°左右，这个距离要保证在垂直方向不要打到路面上误报。假如太低了会误报，也不能太高，太高了，7.5公分的公路牙子检测不到。所以我们在超声波声音里做测试，整个检测区域特别直观快速显示出来，对我们产品的开发特别便利。刚才说的是单个探头本身设计的技术，包括探测的范围和信号的滤波，下面是多个探头之间怎么进行协作，这也是我们现在比较独到的技术。大家在用倒车雷达的时候，一般来说四个倒车雷达，少的有三个甚至两个的，倒车雷达之间没有协作的，一般车上越近滴滴的频率越高告知你近了，还有是左边或者中间在响，一般是单个雷达给出结果，雷达之间没有协作，这会存在一个问题，一个波打出去再弹回来，通过时间算到距离，假如单独
的距离，就是一个圆，空间就是一个球，比如一米，障碍物在一米球之内，但是这个球在什么位置上是没法知道的。所以我们探讨了一些比较独特的、利用多探头协作的空间位置识别方法，一个探头出去是一个球的区域，两个探头是两个球的区域，两个球的区域有交集，在空间中会成一个圆，假如三个球可能交成一个点，基本上有确定的位置，我们是基于这个原理推断这个障碍物所在空间位置。现在产品级的我们先做平面的位置，先在一个水平面上，通过超声波雷达就能比较精确知道X、Y的位置。我们后面做自动泊车的时候，这是一个MAP技术，车辆在检测车位的时候，开
过去以后对边上空间的位置、停的车辆、障碍物和停车位空间在这个MAP里比较完整的画出来，存在限制器里，以车辆为中心，做下一步的车辆限制就比较便利。第三，我们做自己的超声波传感器里比较好的一个地方，超声波这个东西，从波的特性来说，受温度的影响比较明显。它有几个层面的影响，先说下面这个，声音传播跟温度的关系，我们自己做测试会发觉，随着温度的降低，超声频段的波在空气中传播，受到的阻力减小了，温度越低，我们在零下40℃做试验，这个超声波探测范围变的特别大，所以你不做好跟温度相关的补偿会出现许多误报。所以我们做了许多，对温度和声波的传播特性做一个补偿，在任何温度条件下的特性一样，这样下一步做信号处理的时候，面临的是一个很标准的波形，可以标准化的处理，这是一个传播特性。还有传感器里的硬件、ECU限制器的硬件，里面的特性和温度都有关系，我们把这些特性也做了一个细致的总结，在我们的产线和实际产品应用过程中，用这些温度信号，对这些限制做了一些补偿，把温度的影响都消退了。第三、自动泊车的关键技术首先是车位检测，
泊车对车位检测做的越精确，泊车的限制效果确定更好。这几个示意图是我们在开发过程中做的，我们用八个信息描述车位相关信息状况，以这个为例，比如平行车位的时候，这四个空车位四个角点的状况，假如有障碍物，上方是墙或者路沿，我们用四个点描述另外一边的信息，
用八个点把整个车位在平面内的形态位置，相对于车辆自身为坐标原点，这个空间关系描述清晰。另外在停车位里面假如有障碍物，我们通过传感器也可以把位置轮廓进行检测。还有跟超声波和摄像头做一个开发，我们跟苏州志华也在进行合作，我们在志华的基础上叠加超声波信号，做两个事情，第一初步融合，这是第一层面的融合，在全景泊车图象上，把超声波和障碍物显示结果叠加出来，这样有一个更直观的警示，什么位置撞到障碍物了显示出来。其次，不光是超声波对空间障碍物的识别，也会加上全景摄像头对车位线的识别，因为现在大家没有解决的问题，假如地上只划了线没有障碍的时候就不知道怎么停了，这个我们现在也在开发。泊车轨迹规划技术，主要是有平行车位、垂直车位和出库相关的规划，现在我们自己在试验里做到平行车位车场+0.8m，垂直车场+0.7m，平行出库车场+0.5m，这个跟国际主流的水平差不多。第三步是对车辆的限制，对泊车协助来讲主要是限制转向系统，车速由驾驶员限制，平安由驾驶员确认，比较困难的是车速限制，车速限制须要跟特别多的ECU打交道，须要跟特别多的节点发生交互，尤其是对于内燃机平台。假如是电动车平台，一般没有变速箱，电极限制比发动机更精确简洁，对于内燃机，首先要对自动系统，对发动机的电控系统和车身的限制，因为有时候要指导驾驶员有没有开门、打转向灯，还有TCU、TCM跟变速箱相关的限制，还有
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