CN107672586A - 一种电动汽车智能倒车辅助系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车智能倒车辅助系统，包括车体和位于车体内的驱动电机、自动转向组件、自动刹车组件和控制器，自动转向组件安装在车体内，实现车体的自动转向；自动刹车组件安装在车体内，实现车体的自动刹车；控制器安装在车体前盖内部，用于协调各个部分完成数据通信。由于采用了上述技术方案，驾驶员通过手机APP、遥控手柄和控制器之间的无线通信，远程遥控汽车运动，实现汽车的倒车操作；通过工业相机获取车后图像，利用图像处理技术得到二值图，然后利用改进的路径规划算法规划路径，最后将规划路径转换成相应的电机转速，从而实现自主倒车功能。与现有技术相比较，其结构简单，安全可靠，维护方便，具有广泛的实用性。

Description

一种电动汽车智能倒车辅助系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车智能倒车辅助系统及方法，尤其适用于受周围障碍物影响并且需要将车倒入指定车位内。

背景技术

2016年，我国新登记汽车2752万辆，新增驾驶人3314万人。在此背景下，越来越多的新驾驶员上路，城市的停车空间也越来越拥挤。据调查统计，有15％汽车事故为倒车事故。基于上述原因，倒车辅助系统应运而生，正在迅速地发展和普及之中。传统的倒车系统主要包括倒车雷达和倒车摄像头，系统通过发出警示声音或将车后景象呈现在倒车屏幕上来提醒驾驶员车后的情况，使驾驶员能够调整倒车路线，以减少事故发生的概率。该系统虽然能使驾驶者看到车后景象和发现障碍物，但是主动性差，不能给驾驶员提供有效指导。

在一些城市道路中，停车和提车空间十分狭小，有时甚至连打开车门的空间都没有，如果能够远程遥控倒车，也是一种非常不错的辅助倒车方式。一种有效的倒车辅助系统，能够辅助驾驶员更加精确、快捷的完成倒车过程。现在汽车市场上配备有智能倒车辅助系统的车型一般都是中高档的，整车价格昂贵，难以满足大众市场需求，因此需要设计出一个成本低而性能优良的电动汽车智能倒车辅助系统解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构简单紧凑、安全可靠、占用空间小、使整个系统可靠运行的电动汽车智能倒车辅助系统及方法。

本发明按以下技术方案实现：

一种电动汽车智能倒车辅助系统，包括车体和位于车体内的驱动电机，还包括：

自动转向组件，安装在车体内，实现车体的自动转向；

自动刹车组件，安装在车体内，实现车体的自动刹车；

控制器，安装在车体前盖内部，用于协调各个部分完成数据通信。

优选的是，所述自动转向组件包括固接在汽车基体上的套筒，所述套筒内部设有转轴，转轴一端连接有方向盘，另一端固接从动齿轮，所述套筒下侧固接有辅助板，所述辅助板下侧固接有电机座，所述电机座底部固接有步进电机，所述步进电机的输出轴上固接有主动齿轮。

优选的是，所述主动齿轮与从动齿轮互相啮合，主动齿轮与从动齿轮的半径之和等于套筒中心线与步进电机输出轴中心线之间的距离，其传动比为满足该条件的任意传动比。

优选的是，所述刹车踏板和布设在刹车踏板底部且与汽车基体固接的微型电动缸，所述微型电动缸的活塞杆顶部固接有平板，刹车踏板左侧固接有角钢，所述角钢上表面与平板下表面重合。

优选的是，倒车辅助系统还包括：

工业相机，安装在车体尾部，用于采集视频信息，障碍识别；

红外避障传感器，相对称设置在工业相机两侧，用于检测车体尾部与障碍物之间的距离；

工控机，安装在车体前盖内部，用于对红外避障传感器和工业相机采集到的信息进行处理。

一种电动汽车智能辅助倒车的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、控制器利用无线或蓝牙通信与手机或者遥控手柄进行信息交互；

步骤二、操作人员站在车体外，点击手机APP或者遥控手柄上的“后退”按键，将相关运动指令发送给控制器，控制器根据运动指令，执行相关的运动代码，驱动驱动电机转动，实现倒车命令；

步骤三、操作人员通过肉眼观察倒车空间，利用手机APP或者遥控手柄上的“左转”、“右转”和“停止”按键，随时调整汽车位置，以实现停车过程。

一种电动汽车智能辅助倒车的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、控制器与车体内的上位机串口通信；

步骤二、上位机中的倒车辅助软件采集工业相机的图像信息；

步骤三、倒车辅助软件将采集到的图像信息利用opencv视觉处理库进行处理；

步骤四、通过一种基于细菌觅食的多克隆选择算法，用于规划电动汽车的倒车路线。

优选的是，所述步骤三具体为，首先将彩色图像转换成灰度图Gray，利用均值滤波或者高斯滤波的方式进行平滑处理来减少图像的噪点或者失真，得到图像I_Gaussian；利用CalcHist函数得到图像I_Obs的直方图，根据直方图得到二值图I_Binary；利用栅格法对二值图I_Binary环境建模，数据采用直接编码形式，得到栅格图I_Grid。

优选的是，所述步骤四具体为，

A、初始化种群，随机产生n维的种群G(k)；

A1、从起点出发；

A2、判断可能经过路径的下一可行点，确保该可行点没有被障碍物占有，没有走过；

A3、分别求出可行点到终点距离，然后利用轮盘赌的方式，选择下一点；

A4、判断是否到达终点；如果到达终点，种群的一个个体生成，否则返回步骤二，直至生成种群G(k)；

B、初始化代数：k＝1；

C、趋化操作：其中表示趋化操作，G_Bc(k)为趋化操作后的种群个体；

D、繁殖操作：其中表示繁殖操作，G_Br(k)为繁殖操作后的种群个体；

E、利用克隆选择算法对G_Br(k)进行优化：

E1、克隆操作：其中表示克隆操作，G_Cc(k)为克隆操作后的种群个体；

E2、免疫基因操作：其中表示免疫基因操作，G_Cg(k)为免疫基因操作后的种群个体；

E3、克隆选择：其中表示克隆选择操作，G_Cs(k)为克隆选择操作后的种群个体；

F、以迁徙概率P_e，有选择的使G_Cs(k)中的个体死亡，得到G_Be(k),即：

其中表示迁徙操作，G_Be(k)为迁徙操作后的种群个体；

G、G(k)＝G_Be(k)；

H、k←k+1；

I、选取最佳种群个体G_Best(i)，即为汽车的可行路线，并将可行路线在显示界面进行显示，指导驾驶员倒车。

本发明有益效果：

由于采用了上述技术方案，驾驶员通过手机APP、遥控手柄和控制器之间的无线通信，远程遥控汽车运动，实现汽车的倒车操作；通过工业相机获取车后图像，利用图像处理技术得到二值图，然后利用改进的路径规划算法规划路径，最后将规划路径转换成相应的电机转速，从而实现自主倒车功能。与现有技术相比较，其结构简单，安全可靠，维护方便，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明整体布置的示意图；

图2是本发明自动转向组件和自动刹车组件的正视图；

图3是本发明自动转向组件的正视图；

图4是本发明自动刹车组件的右视图；

图5是本发明图像的灰度图；

图6是本发明图像的高斯滤波图；

图7是本发明图像的直方图；

图8是本发明图像的二值图；

图9是本发明图像编码的栅格示意图；

图10是本发明轮盘赌选择路径示意图。

图中：1-车体；2-驱动电机；3-自动转向组件；3-1-方向盘；3-2-套筒；3-3-转轴；3-4-从动齿轮；3-5-主动齿轮；3-6-电机座；3-7-步进电机；3-8-辅助板；4-自动刹车组件；4-1-刹车踏板；4-2-微型电动缸；4-3-角钢；4-4-平板；5-控制器；6-工控机；7-工业相机；8-红外避障传感器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

如图1所示，一种电动汽车智能倒车辅助系统，包括车体1和位于车体1内的驱动电机2、自动转向组件3、自动刹车组件4、控制器5、工控机6、工业相机7、红外避障传感器8；自动转向组件3安装在车体1内，实现车体1的自动转向；自动刹车组件4安装在车体1内，实现车体1的自动刹车；控制器5安装在车体1前盖内部，用于协调各个部分完成数据通信，控制器5为STM32控制器；工业相机7安装在车体1尾部，用于采集视频信息，障碍识别；红外避障传感器8相对称设置在工业相机7两侧，用于检测车体1尾部与障碍物之间的距离；工控机6安装在车体1前盖内部，用于对红外避障传感器8和工业相机7采集到的信息进行处理。

控制器5选用STM32芯片，控制器5最小系统由8MHZ晶振电路、复位电路组成；USB接口电路为STM32控制器的固有电路，用于连接无线收发模块；STM32芯片的PA8-PA10、PB13-PB15端口为电机控制接口，分别输出使能信号ENA、方向信号DIR和脉冲信号PUL，与步进电机3-7和微型电动缸4-2中的2HSS86H-KH型驱动器连接，可控制电机转动。

红外避障传感器8采用WT81A001漫反射式红外模块，该模块集发射和接收于一体，感应距离可根据需要进行调节，感应速度快，感应盲区小。输出信号直接通过串口线与工控机6连接，通过采集信号可判断是否有障碍物以及障碍物的距离。

工控机6采用NANO-1037U-1CIR型车载工控主板。该主板体积小，功耗低，采用Intel赛扬双核1037U 1.8GHz处理器，具有强大的处理功能。通过串口和USB接口分别与红外避障传感器8和工业相机7连接，对采集的信息进行处理，从而判断车辆当所处的状态。

工业相机7采用高清、带缓存、带测量的MV-UB300工业摄像头，该相机具备高300万像素，内置32MB缓存加速，一台电脑可同时全速运行多台相机，支持Linux以及嵌入式ArmLinux系统，支持Labview、Halcon、OpenCV等第三方软件。通过USB接口直接与工控机连接，可采集高清图像。

如图2、图3所示，自动转向组件3包括固接在汽车基体上的套筒3-2，套筒3-2内部设有转轴3-3，转轴3-3一端连接有方向盘3-1，另一端固接从动齿轮3-4，套筒3-2下侧固接有辅助板3-8，辅助板3-8下侧固接有电机座3-6，电机座3-6底部固接有步进电机3-7，步进电机3-7的输出轴上固接有主动齿轮3-5。主动齿轮3-5与从动齿轮3-4互相啮合，主动齿轮3-5与从动齿轮3-4的半径之和等于套筒3-2中心线与步进电机3-7输出轴中心线之间的距离，其传动比为满足该条件的任意传动比。

如图2、图4所示，刹车踏板4-1和布设在刹车踏板4-1底部且与汽车基体固接的微型电动缸4-2，微型电动缸4-2的活塞杆顶部固接有平板4-4，刹车踏板4-1左侧固接有角钢4-3，角钢4-3上表面与平板4-4下表面重合。

本发明的电动汽车智能辅助倒车方法：

(1)手动遥控倒车：手机APP或者遥控手柄，利用无线或蓝牙通信，与控制器5实现信息交互。驾驶员站在车外，点击手机APP或者遥控手柄上的“后退”按钮，将相关运动指令发送给控制器5，控制器5根据运动指令，执行相关的运动代码，驱动驱动电机2转动，实现倒车命令。同时，驾驶员通过肉眼观察倒车空间，利用“左转”、“右转”和“停止”等按键，随时调整汽车位置，以实现停车过程。在倒车过程中，安装于车体1后方的红外避障传感器8实施监测障碍物信息，一旦发现障碍物，将进行紧急制动，避免倒车过程发生碰撞。

(2)倒车辅助软件倒车：

步骤1：采集位于车体1后方的工业相机7的彩色图像信息I，I由R、G、B三种颜色组成，利用公式(1)，得到灰度图Gray,如图5所示；

Gray＝I_R×0.299+I_G×0.587+I_B×0.114 (1)

步骤2：利用高斯滤波方式，对灰度图Gray进行平滑处理，来减少灰度图的噪点或者失真，得到图像I_Gaussian,如图6所示；

步骤3：利用CalcHist函数，得到图像I_Obs的直方图,如图7所示，根据直方图设置图像的固定阈值T，对于任意像素点I_Obs(x,y)，根据公式(2)，得到I_Binary(x,y)，最终得到二值图I_Binary,如图8所示；

步骤4：利用栅格法对二值图I_Binary环境建模，数据采用直接编码形式，得到栅格图I_Grid，如图9所示，是一个10*10的栅格序列示意图，图中填充栅格代表障碍物，即1；图中白色栅格代表非障碍物，即0；

步骤5：提出一种基于细菌觅食的多克隆选择算法，用于规划电动汽车的倒车路线，具体流程如下：

步骤5.1：初始化：种群数；变异概率；最大世代数；前进的步长；最大前进次数；趋化算子的次数；迁徙算子的的次数；迁徙的概率等。

步骤5.2：初始化种群，随机产生n维的种群G(k)。以10*10栅格为例，设栅格序列号为1的栅格为起点S，栅格序列号为100的栅格为终点E。从栅格中的某一点，前往下一点，均有1至8个不等的可能点。种群产生过程如下：

步骤5.2.1：从起点S出发。

步骤5.2.2：判断可能经过路径的下一可行点，确保该可行点没有被障碍物占有，没有走过。

步骤5.2.3：分别求出可行点到终点E距离，然后利用轮盘赌的方式，选择下一点。如图10所示，以起点为S例，下一点的可行点序号为2、11和12这三个点，这三个点到终点E的距离分别为a₁、a₂、a₃，根据公式(3)求出每一个路径的选择概率，利用轮盘赌选择路径下一点；

步骤5.2.4：判断是否到达终点E。如果到达终点E，种群的一个个体生成，否则返回步骤二，直至生成种群G(k)。

步骤5.3：初始化代数：k＝1；

步骤5.4：趋化操作：其中表示趋化操作，G_Bc(k)为趋化操作后的种群个体；

步骤5.5：繁殖操作：其中表示繁殖操作，G_Br(k)为繁殖操作后的种群个体；

步骤5.6：利用克隆选择算法对G_Br(k)进行优化：

步骤5.6.1：克隆操作：其中表示克隆操作，G_Cc(k)为克隆操作后的种群个体；

步骤5.6.2：免疫基因操作：其中表示免疫基因操作，G_Cg(k)为免疫基因操作后的种群个体；

步骤5.6.3：克隆选择操作：其中表示克隆选择操作，G_Cs(k)为克隆选择操作后的种群个体；

步骤5.7：以迁徙概率P_e，有选择的使G_Cs(k)中的个体死亡，得到G_Be(k),即：其中表示迁徙操作，G_Be(k)为迁徙操作后的种群个体；

步骤5.8：G(k)＝G_Be(k)；

步骤5.9：k←k+1；

步骤6：根据适应度函数，选取最佳种群个体G_Best(i)，即为汽车的可行路线，并将可行路线在显示界面进行显示，指导驾驶员倒车；同样的，如果驾驶员选择自主倒车模式，倒车辅助软件将会把规划出来的可行路线，转换成相关运动代码，发送给控制器5，实现自主倒车。在整个倒车过程中，车体1尾部的红外避障传感器8实时的检测障碍物信息，在紧急情况下，实现自主制动。

由于采用了上述技术方案，驾驶员通过手机APP、遥控手柄和控制器之间的无线通信，远程遥控汽车运动，实现汽车的倒车操作；通过工业相机获取车后图像，利用图像处理技术得到二值图，然后利用改进的路径规划算法规划路径，最后将规划路径转换成相应的电机转速，从而实现自主倒车功能。与现有技术相比较，其结构简单，安全可靠，维护方便，具有广泛的实用性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电动汽车智能倒车辅助系统，包括车体(1)和位于车体(1)内的驱动电机(2)，其特征在于，还包括：

自动转向组件(3)，安装在车体(1)内，实现车体(1)的自动转向；

自动刹车组件(4)，安装在车体(1)内，实现车体(1)的自动刹车；

控制器(5)，安装在车体(1)前盖内部，用于协调各个部分完成数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车智能倒车辅助系统，其特征在于：所述自动转向组件(3)包括固接在汽车基体上的套筒(3-2)，所述套筒(3-2)内部设有转轴(3-3)，转轴(3-3)一端连接有方向盘(3-1)，另一端固接从动齿轮(3-4)，所述套筒(3-2)下侧固接有辅助板(3-8)，所述辅助板(3-8)下侧固接有电机座(3-6)，所述电机座(3-6)底部固接有步进电机(3-7)，所述步进电机(3-7)的输出轴上固接有主动齿轮(3-5)。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车智能倒车辅助系统，其特征在于：所述主动齿轮(3-5)与从动齿轮(3-4)互相啮合，主动齿轮(3-5)与从动齿轮(3-4)的半径之和等于套筒(3-2)中心线与步进电机(3-7)输出轴中心线之间的距离，其传动比为满足该条件的任意传动比。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车智能倒车辅助系统，其特征在于：所述刹车踏板(4-1)和布设在刹车踏板(4-1)底部且与汽车基体固接的微型电动缸(4-2)，所述微型电动缸(4-2)的活塞杆顶部固接有平板(4-4)，刹车踏板(4-1)左侧固接有角钢(4-3)，所述角钢(4-3)上表面与平板(4-4)下表面重合。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种电动汽车智能倒车辅助系统，其特征在于，倒车辅助系统还包括：

工业相机(7)，安装在车体(1)尾部，用于采集视频信息，障碍识别；

红外避障传感器(8)，相对称设置在工业相机(7)两侧，用于检测车体(1)尾部与障碍物之间的距离；

工控机(6)，安装在车体(1)前盖内部，用于对红外避障传感器(8)和工业相机(7)采集到的信息进行处理。

6.一种基于权利要求1所述的电动汽车智能辅助倒车的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、控制器(5)利用无线或蓝牙通信与手机或者遥控手柄进行信息交互；

步骤二、操作人员站在车体(1)外，点击手机APP或者遥控手柄上的“后退”按键，将相关运动指令发送给控制器(5)，控制器(5)根据运动指令，执行相关的运动代码，驱动驱动电机(2)转动，实现倒车命令；

步骤三、操作人员通过肉眼观察倒车空间，利用手机APP或者遥控手柄上的“左转”、“右转”和“停止”按键，随时调整汽车位置，以实现停车过程。

7.一种基于权利要求5所述的电动汽车智能辅助倒车的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、控制器(5)与车体(1)内的上位机串口通信；

步骤二、上位机中的倒车辅助软件采集工业相机(7)的图像信息；

步骤三、倒车辅助软件将采集到的图像信息利用opencv视觉处理库进行处理；

步骤四、通过一种基于细菌觅食的多克隆选择算法，用于规划电动汽车的倒车路线。

8.根据权利要求7所述的一种电动汽车智能辅助倒车的方法，其特征在于，所述步骤三具体为，首先将彩色图像转换成灰度图Gray，利用均值滤波或者高斯滤波的方式进行平滑处理来减少图像的噪点或者失真，得到图像I_Gaussian；利用CalcHist函数得到图像I_Obs的直方图，根据直方图得到二值图I_Binary；利用栅格法对二值图I_Binary环境建模，数据采用直接编码形式，得到栅格图I_Grid。

9.根据权利要求7所述的一种电动汽车智能辅助倒车的方法，其特征在于，所述步骤四具体为，

A、初始化种群，随机产生n维的种群G(k)；

A1、从起点出发；

A2、判断可能经过路径的下一可行点，确保该可行点没有被障碍物占有，没有走过；

A3、分别求出可行点到终点距离，然后利用轮盘赌的方式，选择下一点；

A4、判断是否到达终点；如果到达终点，种群的一个个体生成，否则返回步骤二，直至生成种群G(k)；

B、初始化代数：k＝1；

C、趋化操作：其中表示趋化操作，G_Bc(k)为趋化操作后的种群个体；

D、繁殖操作：其中表示繁殖操作，G_Br(k)为繁殖操作后的种群个体；

E、利用克隆选择算法对G_Br(k)进行优化：

E1、克隆操作：其中表示克隆操作，G_Cc(k)为克隆操作后的种群个体；

E2、免疫基因操作：其中表示免疫基因操作，G_Cg(k)为免疫基因操作后的种群个体；

E3、克隆选择：其中表示克隆选择操作，G_Cs(k)为克隆选择操作后的种群个体；

F、以迁徙概率P_e，有选择的使G_Cs(k)中的个体死亡，得到G_Be(k)，即：

其中表示迁徙操作，G_Be(k)为迁徙操作后的种群个体；

G、G(k)＝G_Be(k)；

H、k←k+1；

I、选取最佳种群个体G_Best(i)，即为汽车的可行路线，并将可行路线在显示界面进行显示，指导驾驶员倒车。