基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架的制作方法

[0001]
本发明涉及一种自动泊车系统硬件在环试验台架，特别涉及一种基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架。


背景技术：

[0002]
目前，泊车是驾驶员日常驾驶中难度较大的操作，且随着机车保有量不断上升，泊车空间越发紧缺，泊车位也在向越来越小的趋势发展，泊车的难度也越来越大，驾驶员对自动泊车功能的需求也越来越强烈，于是开发出完善的自动泊车算法迫在眉睫，一款自动泊车算法开发出来后需要在大量的驾驶场景中进行测试完善，只有当算法的失效率降低到一定程度时，才可以作为产品应用在量产车上。目前汽车生产厂商的自动泊车算法测试一般在实车上进行，在真实场景下验证算法的有效性，这种测试方法需要搭建大量的真实测试场景，用实车反复验证算法，算法开发周期长，耗费的时间成本和经济成本大。目前也有少数用硬件在环进行算法测试的例子，如中国专利：cn107966980a，“一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统”，然而在此系统中，超声波等传感器以及转向系统和制动系统等执行器仍安装在实车上，且测试场景仍是真实场景，并没有发挥硬件在环测试的优势。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是为了解决现有的车辆自动泊车算法测试需要在真实场景中利用实车进行，从而导致的时间和经济成本增大以及没有发挥硬件在环测试优势的问题而提供的一种基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架。
[0004]
本发明提供的基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架包括有架体、超声波雷达阵列、回波模拟器、上位机、下位机、线控转向系统、线控制动系统和弧形吸波板，其中超声波雷达阵列、回波模拟器、上位机、下位机和弧形吸波板设在架体的上部，线控转向系统和线控制动系统设在架体的下部，回波模拟器装配在弧形吸波板的后部，超声波雷达阵列装配在弧形吸波板的前部对应回波模拟器的位置处设置，弧形吸波板上开设有通孔，回波模拟器上的收发天线穿过该通孔与超声波雷达阵列相对应，超声波雷达阵列中的超声波雷达和回波模拟器分别与下位机通过can总线连接，上位机和下位机通过网线连接，线控转向系统和线控制动系统分别与下位机通过can总线连接，回波模拟器通过收发天线接收超声波雷达信号，回波模拟器根据下位机中的车辆动力学模型以及虚拟障碍物信息，通过收发天线发出虚拟目标的超声波回波信号，上位机中设置有泊车控制指令和虚拟测试场景模型，上位机能将设置的虚拟测试场景模型以及泊车控制指令传输到下位机，上位机能够监控泊车控制指令的执行状况以及对泊车控制指令过程进行控制，下位机根据车辆动力学模型以及测试场景向回波模拟器发送虚拟目标信息，下位机同时接收超声波雷达阵列中的超声波雷达接收到的真实超声波信号并进行数据处理，然后下位机将检测到的障碍物信息发送给自动泊车控制指令，下位机控制线控转向系统和线控制动系统进行响应。
[0005]
超声波雷达阵列中的超声波雷达设置有十二个，十二个超声波雷达分成两排装配
在支架上，支架上的安装板为弧形，每排对称装配有六个超声波雷达，每一排中间四个超声波雷达为短距超声波雷达，两边的两个超声波雷达为长距超声波雷达。
[0006]
线控转向系统包括有转向盘系统、转向器系统和转向电子控制系统，其中转向盘系统包括有转向盘和转向柱管，转向盘设在架体的前端，对应转向盘的位置处设置有座椅，转向盘设在转向柱管的顶端，转向柱管内设置有转矩传感器、转向角传感器和转矩反馈电机，转矩传感器、转向角传感器和转矩反馈电机均与转向电子控制系统相连接，转矩传感器和转向角传感器能够将采集的数据实时传输给转向电子控制系统，转向电子控制系统根据接收的数据控制转矩反馈电机的工作，转向器系统包括有前轮转角传感器、转向电机、齿轮齿条转向机构和扭矩传感器，其中前轮转角传感器、转向电机和扭矩传感器均与转向电子控制系统相连接，转向电机与齿轮齿条转向机构相连接，前轮转角传感器和扭矩传感器能够将采集的数据实时传输给转向电子控制系统，转向电子控制系统根据接收的数据控制转向电机的工作，转向电机进而控制齿轮齿条转向机构的工作，转向电子控制系统与下位机相连接并由下位机控制工作。
[0007]
线控制动系统为电子液压制动系统，包括有高压供油单元、液压执行单元、制动电子控制单元、制动踏板总成和制动器总成，其中制动踏板总成是由制动踏板、踏板感觉模拟器和踏板行程传感器组成，踏板感觉模拟器和踏板行程传感器装配在制动踏板上，踏板感觉模拟器和踏板行程传感器与制动电子控制单元相连接，踏板感觉模拟器和踏板行程传感器能够将采集的数据实时传输给制动电子控制单元，制动电子控制单元与液压执行单元相连接，液压执行单元分别与高压供油单元和制动器总成相连接，制动电子控制单元根据踏板感觉模拟器和踏板行程传感器传输的数据控制液压执行单元的工作，高压供油单元给液压执行单元供给高压油，液压执行单元进而控制制动器总成的工作，制动电子控制单元与下位机连接并由下位机控制工作。
[0008]
架体的底部装配有万向轮。
[0009]
上述的超声波雷达、回波模拟器、上位机、下位机、线控转向系统和线控制动系统均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
[0010]
本发明的工作原理：
[0011]
本发明提供的基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架首先在上位机中编写自动泊车算法，搭建车辆动力学模型与测试场景，然后编译到下位机中。台架工作时，自动泊车算法开始运行，下位机控制超声波雷达依次发出超声波脉冲，在第一个循环周期内，第一个超声波雷达发出超声波脉冲，大部分的超声波信号都被弧形吸波板吸收，只有少部分被收发天线接收到并被传递到回波模拟器，回波模拟器根据接收到超声波时刻下位机里虚拟车辆模型、虚拟测试场景中的障碍物信息以及在当前循环周期内工作的超声波雷达对应的虚拟超声波雷达模型在虚拟车辆上的安装位置，对接收到的超声波信号进行延时，然后通过收发天线向外发射超声波脉冲，第一个超声波雷达接收到超声波回波，并将接收到的信号通过can总线发送给下位机，等到第一个超声波雷达的工作周期结束后，第二个超声波雷达的工作周期开始，第二个超声波雷达发出超声波脉冲，重复第一个循环周期的流程，直到十二个超声波雷达全经历一次循环周期，以这十二个循环周期为一个大周期。每个大周期结束以后，下位机将得到的十二组超声波信号进行融合分析，分析出虚拟车辆模型周围的障碍物信息，然后自动泊车算法根据得到的障碍物信息进行下一时刻泊车路径的
规划，之后根据规划的路径生成转向电机以及液压执行单元的控制率，从而使车辆能够跟踪规划的路径。当下位机控制虚拟车辆模型跟踪规划的路径时，雷达检测系统进入下一个大周期，为下一时刻的路径规划提供传感数据。如此循环往复，直到自动泊车算法运行完成。
[0012]
为防止试验台架周围物体产生的回波对回波模拟器产生的回波造成干扰，在回波模拟器的前方设置一个弧形吸波板，弧形吸波板对应回波模拟器的收发天线的位置开有通孔，收发天线能够穿过弧形吸波板。为使超声波雷达发出的超声波能够被回波模拟器的收发天线接收，并使超声波雷达发出的超声波脉冲能被弧形吸波板充分吸收，同时考虑节省吸波板材料，设计弧形吸波板半径和安装超声波雷达的支架的圆弧半径相等且等于弧形吸波板到支架的距离。超声波在空气介质中，传播的空间按波束形状分类有近场区和远场区两种，在近场区的波源线上会出现一系列声压极大极小值，波源线上最后一个声压极大值处至波源的距离称为近场区长度，用n表示。近场区声压有剧烈的起伏变化，存在着许多声压为极小值的节点。这些节点可引起探测的盲点。因此收发天线位于超声波雷达的近场区之外。即弧形吸波板半径和安装超声波雷达的支架的圆弧半径应大于近场区长度n，所述近场区长度n应满足：
[0013][0014]
其中d为超声波雷达辐射面直径,f为超声波频率，c为空气介质中的声速。
[0015]
为使收发天线发射的超声波回波能够被超声波雷达接收到，超声波雷达阵列应位于远场区的半扩散角θ内，所述远场区半扩散角θ应满足：
[0016][0017]
收发天线应满足超声波换能器的空间聚焦系数r
θ
，所述空间聚焦系数r
θ
应满足：
[0018][0019]
其中，i0和p0分别为声轴方向上某一位置的声强和声压，i为同一位置上的所有方向的平均声压；r为远场距离；p为r球面s上的声压。
[0020]
在回波模拟器模拟超声波回波时，考虑超声波雷达的多普勒频移现象，即超声波雷达与障碍物之间的距离发生变化时超声波雷达实际接收的超声波频率与真实源超声波频率不同，收发天线发射的超声波回波应满足多普勒频移公式：
[0021][0022]
其中，δf为频移值，v为声源与接收体之间的相对运动速度，θ为超声波的入射方向与目标运动方向之间的夹角。
[0023]
泊车算法运行时，下位机将车辆动力学模型的前轮转角信号发送到转向电子控制系统，转向电子控制系统控制转向电机输出一定的转矩和转角，使真实的前轮转角跟踪泊车算法中规划的前轮转角。如果在算法运行过程中驾驶人转动方向盘，则转向电子控制系统记录方向盘转角并控制转矩反馈电机为方向盘提供一个反馈转矩，为驾驶员提供真实转向感觉，同时转向电子控制系统将根据转向角传感器发送的转向角信息控制转向电机输出
对应的转矩和转角，使前轮转角达到期望值。
[0024]
泊车算法运行时，若车辆动力学模型进行制动，则下位机将泊车算法中规划的主缸和轮缸压力信号发送到制动电子控制单元，制动电子控制单元通过控制液压执行单元中电磁阀的开闭组合实现主缸及轮缸的建压。如果在算法运行过程中驾驶人踩下制动踏板，则踏板行程传感器采集踏板行程信息发送到下位机，下位机根据接收到的踏板行程查表得出相应的主缸压力及轮缸压力发送给制动电子控制单元，实现主缸及轮缸的建压。
[0025]
本发明的有益效果：
[0026]
本发明提供的基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架，将超声波雷达阵列安装在试验台架上，能够方便地调整超声波雷达的高度和指向，无需在实车上装卸雷达，操作简单，节省大量人力、物力、财力；本发明利用回波模拟器和虚拟场景仿真软件结合可以构建大量不同的自动泊车算法测试场景并给真实的超声波雷达提供包含虚拟障碍物信息的真实超声波回波，克服了实车测试中测试场景有限的缺点，同时还降低了搭建驾驶场景的成本，缩短了搭建场景所需要的时间，而且本发明中转向系统以及制动系统采用的是真实的执行器硬件，与纯虚拟仿真相比，应用本试验台进行的硬件在环仿真具有更高的真实性和可靠性；
[0027]
本发明提供的试验台可以快捷地对自动泊车算法进行修改，并且可以实时地调整算法中的参数，相比实车试验降低了算法优化的难度，缩短了算法开发的周期；本发明提供的试验台采用的执行器是线控转向系统和线控制动系统，驾驶人可以在自动泊车算法运行时随时转动方向盘和踩踏制动踏板对算法的运行进行人为干预，增强了泊车过程的安全性和人机交互能力。
附图说明
[0028]
图1为本发明所述试验台架整体结构示意图。
[0029]
图2为本发明所述超声波雷达阵列结构示意图。
[0030]
图3为本发明所述试验台架工作原理示意图。
[0031]
图4为本发明所述试验台架工作流程示意图。
[0032]
上图中的标注如下：
[0033]
1、架体
ꢀꢀꢀ
2、超声波雷达阵列
ꢀꢀꢀ
3、回波模拟器
ꢀꢀꢀ
4、上位机
[0034]
5、下位机
ꢀꢀꢀ
6、线控转向系统
ꢀꢀꢀ
7、线控制动系统
ꢀꢀꢀ
8、弧形吸波板
[0035]
9、通孔
ꢀꢀꢀ
10、收发天线
ꢀꢀꢀ
11、超声波雷达
ꢀꢀꢀ
12、支架
ꢀꢀꢀ
13、转向盘系统
[0036]
14、转向器系统
ꢀꢀꢀ
15、转向电子控制系统
ꢀꢀꢀ
16、座椅
ꢀꢀꢀ
17、转向电机
[0037]
18、高压供油单元
ꢀꢀꢀ
19、液压执行单元
ꢀꢀꢀ
20、制动电子控制单元
[0038]
21、制动踏板总成
ꢀꢀꢀ
22、制动器总成
ꢀꢀꢀ
23、万向轮。
具体实施方式
[0039]
请参阅图1至图4所示：
[0040]
本发明提供的基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架包括有架体1、超声波雷达阵列2、回波模拟器3、上位机4、下位机5、线控转向系统6、线控制动系统7和弧形吸波板8，其中超声波雷达阵列2、回波模拟器3、上位机4、下位机5和弧形吸波板8设在架体1
的上部，线控转向系统6和线控制动系统7设在架体1的下部，回波模拟器3装配在弧形吸波板8的后部，超声波雷达阵列2装配在弧形吸波板8的前部对应回波模拟器3的位置处设置，弧形吸波板8上开设有通孔9，回波模拟器3上的收发天线10穿过该通孔9与超声波雷达阵列2相对应，超声波雷达阵列2中的超声波雷达11和回波模拟器3分别与下位机5通过can总线连接，上位机4和下位机5通过网线连接，线控转向系统6和线控制动系统7分别与下位机5通过can总线连接，回波模拟器3通过收发天线10接收超声波雷达信号，回波模拟器3根据下位机5中的车辆动力学模型以及虚拟障碍物信息，通过收发天线10发出虚拟目标的超声波回波信号，上位机4中设置有泊车控制指令和虚拟测试场景模型，上位机4能将设置的虚拟测试场景模型以及泊车控制指令传输到下位机5，上位机4能够监控泊车控制指令的执行状况以及对泊车控制指令过程进行控制，下位机5根据车辆动力学模型以及测试场景向回波模拟器3发送虚拟目标信息，下位机5同时接收超声波雷达阵列2中的超声波雷达11接收到的真实超声波信号并进行数据处理，然后下位机5将检测到的障碍物信息发送给自动泊车控制指令，下位机5控制线控转向系统6和线控制动系统7进行响应。
[0041]
超声波雷达阵列2中的超声波雷达11设置有十二个，十二个超声波雷达11分成两排装配在支架12上，支架12上的安装板为弧形，每排对称装配有六个超声波雷达11，每一排中间四个超声波雷达11为短距超声波雷达，两边的两个超声波雷达11为长距超声波雷达。
[0042]
线控转向系统6包括有转向盘系统13、转向器系统14和转向电子控制系统15，其中转向盘系统13包括有转向盘和转向柱管，转向盘设在架体1的前端，对应转向盘的位置处设置有座椅16，转向盘设在转向柱管的顶端，转向柱管内设置有转矩传感器、转向角传感器和转矩反馈电机，转矩传感器、转向角传感器和转矩反馈电机均与转向电子控制系统15相连接，转矩传感器和转向角传感器能够将采集的数据实时传输给转向电子控制系统15，转向电子控制系统15根据接收的数据控制转矩反馈电机的工作，转向器系统14包括有前轮转角传感器、转向电机17、齿轮齿条转向机构和扭矩传感器，其中前轮转角传感器、转向电机17和扭矩传感器均与转向电子控制系统15相连接，转向电机17与齿轮齿条转向机构相连接，前轮转角传感器和扭矩传感器能够将采集的数据实时传输给转向电子控制系统15，转向电子控制系统15根据接收的数据控制转向电机17的工作，转向电机17进而控制齿轮齿条转向机构的工作，转向电子控制系统15与下位机5相连接并由下位机5控制工作。
[0043]
线控制动系统7为电子液压制动系统，包括有高压供油单元18、液压执行单元19、制动电子控制单元20、制动踏板总成21和制动器总成22，其中制动踏板总成21是由制动踏板、踏板感觉模拟器和踏板行程传感器组成，踏板感觉模拟器和踏板行程传感器装配在制动踏板上，踏板感觉模拟器和踏板行程传感器与制动电子控制单元20相连接，踏板感觉模拟器和踏板行程传感器能够将采集的数据实时传输给制动电子控制单元20，制动电子控制单元20与液压执行单元19相连接，液压执行单元19分别与高压供油单元18和制动器总成22相连接，制动电子控制单元20根据踏板感觉模拟器和踏板行程传感器传输的数据控制液压执行单元19的工作，高压供油单元18给液压执行单元19供给高压油，液压执行单元19进而控制制动器总成22的工作，制动电子控制单元20与下位机5连接并由下位机5控制工作。
[0044]
架体1的底部装配有万向轮23。
[0045]
上述的超声波雷达11、回波模拟器3、上位机4、下位机5、线控转向系统6和线控制动系统7均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
[0046]
本发明的工作原理：
[0047]
本发明提供的基于超声波雷达的自动泊车系统硬件在环试验台架首先在上位机4中编写自动泊车算法，搭建车辆动力学模型与测试场景，然后编译到下位机5中。台架工作时，自动泊车算法开始运行，下位机5控制超声波雷达11依次发出超声波脉冲，在第一个循环周期内，第一个超声波雷达11发出超声波脉冲，大部分的超声波信号都被弧形吸波板8吸收，只有少部分被收发天线10接收到并被传递到回波模拟器3，回波模拟器3根据接收到超声波时刻下位机5里虚拟车辆模型、虚拟测试场景中的障碍物信息以及在当前循环周期内工作的超声波雷达11对应的虚拟超声波雷达模型在虚拟车辆上的安装位置，对接收到的超声波信号进行延时，然后通过收发天线10向外发射超声波脉冲，第一个超声波雷达11接收到超声波回波，并将接收到的信号通过can总线发送给下位机5，等到第一个超声波雷达11的工作周期结束后，第二个超声波雷达11的工作周期开始，第二个超声波雷达11发出超声波脉冲，重复第一个循环周期的流程，直到十二个超声波雷达11全经历一次循环周期，以这十二个循环周期为一个大周期。每个大周期结束以后，下位机5将得到的十二组超声波信号进行融合分析，分析出虚拟车辆模型周围的障碍物信息，然后自动泊车算法根据得到的障碍物信息进行下一时刻泊车路径的规划，之后根据规划的路径生成转向电机17以及液压执行单元19的控制率，从而使车辆能够跟踪规划的路径。当下位机5控制虚拟车辆模型跟踪规划的路径时，雷达检测系统进入下一个大周期，为下一时刻的路径规划提供传感数据。如此循环往复，直到自动泊车算法运行完成。
[0048]
为防止试验台架周围物体产生的回波对回波模拟器3产生的回波造成干扰，在回波模拟器3的前方设置一个弧形吸波板8，弧形吸波板8对应回波模拟器3的收发天线10的位置开有通孔9，收发天线10能够穿过弧形吸波板8。为使超声波雷达11发出的超声波能够被回波模拟器3的收发天线10接收，并使超声波雷达11发出的超声波脉冲能被弧形吸波板8充分吸收，同时考虑节省吸波板材料，设计弧形吸波板8半径和安装超声波雷达11的支架12的圆弧半径相等且等于弧形吸波板8到支架12的距离。超声波在空气介质中，传播的空间按波束形状分类有近场区和远场区两种，在近场区的波源线上会出现一系列声压极大极小值，波源线上最后一个声压极大值处至波源的距离称为近场区长度，用n表示。近场区声压有剧烈的起伏变化，存在着许多声压为极小值的节点。这些节点可引起探测的盲点。因此收发天线10位于超声波雷达11的近场区之外。即弧形吸波板8半径和安装超声波雷达11的支架12的圆弧半径应大于近场区长度n，所述近场区长度n应满足：
[0049][0050]
其中d为超声波雷达11辐射面直径,f为超声波频率，c为空气介质中的声速。
[0051]
为使收发天线10发射的超声波回波能够被超声波雷达11接收到，超声波雷达阵列2应位于远场区的半扩散角θ内，所述远场区半扩散角θ应满足：
[0052][0053]
收发天线10应满足超声波换能器的空间聚焦系数r
θ
，所述空间聚焦系数r
θ
应满足：
[0054]
[0055]
其中，i0和p0分别为声轴方向上某一位置的声强和声压，i为同一位置上的所有方向的平均声压；r为远场距离；p为r球面s上的声压。
[0056]
在回波模拟器3模拟超声波回波时，考虑超声波雷达11的多普勒频移现象，即超声波雷达11与障碍物之间的距离发生变化时超声波雷达11实际接收的超声波频率与真实源超声波频率不同，收发天线10发射的超声波回波应满足多普勒频移公式：
[0057][0058]
其中，δf为频移值，v为声源与接收体之间的相对运动速度，θ为超声波的入射方向与目标运动方向之间的夹角。
[0059]
泊车算法运行时，下位机5将车辆动力学模型的前轮转角信号发送到转向电子控制系统15，转向电子控制系统15控制转向电机17输出一定的转矩和转角，使真实的前轮转角跟踪泊车算法中规划的前轮转角。如果在算法运行过程中驾驶人转动方向盘，则转向电子控制系统15记录方向盘转角并控制转矩反馈电机为方向盘提供一个反馈转矩，为驾驶员提供真实转向感觉，同时转向电子控制系统15将根据转向角传感器发送的转向角信息控制转向电机17输出对应的转矩和转角，使前轮转角达到期望值。
[0060]
泊车算法运行时，若车辆动力学模型进行制动，则下位机5将泊车算法中规划的主缸和轮缸压力信号发送到制动电子控制单元20，制动电子控制单元20通过控制液压执行单元19中电磁阀的开闭组合实现主缸及轮缸的建压。如果在算法运行过程中驾驶人踩下制动踏板，则踏板行程传感器采集踏板行程信息发送到下位机5，下位机5根据接收到的踏板行程查表得出相应的主缸压力及轮缸压力发送给制动电子控制单元20，实现主缸及轮缸的建压。