基于UWB 的分布式室內(nèi)停車動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘敬宇，龔元明

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

解決城市“停車難”的問題主要通過(guò)兩個(gè)途徑，其一是大量增加停車場(chǎng)的數(shù)量，其二是引入一套智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，提高傳統(tǒng)停車場(chǎng)車位的利用率［1］。由于短期內(nèi)在城市里大量增加停車場(chǎng)不太現(xiàn)實(shí)，所以如何提升停車管理水平成為解決城市“停車難”問題的關(guān)鍵［2］。李魯昭研究了UWB 定位技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)仿真比較和系統(tǒng)測(cè)試證明了UWB 方案的有效性和可行性［3］。然而UWB定位的發(fā)射功率低，所以定位距離不能太遠(yuǎn)，一般是小于100 m。對(duì)于機(jī)場(chǎng)、火車站等大型室內(nèi)停車場(chǎng)而言，單個(gè)UWB 定位系統(tǒng)很難完成如此大面積的覆蓋。而且當(dāng)距離過(guò)大、障礙物過(guò)多，UWB 信號(hào)衰減會(huì)導(dǎo)致定位精度下降［4］。另外，多基站和多標(biāo)簽定位系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)工作站計(jì)算量大，難以適應(yīng)大型室內(nèi)停車場(chǎng)高峰時(shí)段的實(shí)時(shí)定位要求。本文采用分布式定位計(jì)算方案，實(shí)現(xiàn)多基站多標(biāo)簽定位系統(tǒng)的在線協(xié)同，拓展UWB 定位系統(tǒng)的適用場(chǎng)地條件和范圍。當(dāng)室內(nèi)停車場(chǎng)大規(guī)模引入智能停車管理系統(tǒng)時(shí)，覆蓋不全面、定位精度不高、運(yùn)算緩慢的問題逐漸凸顯。因此，本文引入分布式計(jì)算的UWB 定位技術(shù)，對(duì)目標(biāo)停車場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)，設(shè)計(jì)了一種分布定位、集中處理的室內(nèi)停車動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備包括UWB 定位模塊、樹莓派、交換機(jī)、上位機(jī)等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面、SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。UWB 定位模塊根據(jù)功能可分為3種：定位基站、定位標(biāo)簽和中繼基站。本設(shè)計(jì)選用的UWB 定位模塊的測(cè)距范圍可達(dá)300 m，定位精度小于10 cm。但考慮到室內(nèi)停車場(chǎng)場(chǎng)地條件復(fù)雜、障礙物多，故按照100 m 的間隔對(duì)車庫(kù)進(jìn)行劃分，在每個(gè)分區(qū)布置定位模塊和子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1 所示。

在室內(nèi)停車場(chǎng)A 區(qū)布置有中繼基站A0、定位基站A1 和A2，以及A 區(qū)內(nèi)停放車輛上的定位標(biāo)簽Tx，共同組成A 區(qū)車庫(kù)定位系統(tǒng)。基站A0、A1、A2分別發(fā)送脈沖信號(hào)，標(biāo)簽Tx 接收到后返回，基站A0、A1、A2 將兩次脈沖信號(hào)的時(shí)間差轉(zhuǎn)換成距離，然后基站A1、A2 將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站A0 匯總，由基站A0 通過(guò)USB 串口與樹莓派連接。同理，其它分區(qū)同樣需要布置中繼基站和定位基站，由各個(gè)分區(qū)的樹莓派組成分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，在同一個(gè)局域網(wǎng)下，位于監(jiān)控室的上位機(jī)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)整個(gè)室內(nèi)停車場(chǎng)的車輛信息。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system composition

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖2 所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行包括測(cè)距信息采集、數(shù)據(jù)上傳解析、監(jiān)測(cè)界面顯示和云端同步。其中，測(cè)距信息采集由UWB 定位模塊完成，數(shù)據(jù)的解析與上傳由樹莓派負(fù)責(zé)，樹莓派上運(yùn)行有Linux 系統(tǒng)Raspbian 版本，內(nèi)置Python 編程環(huán)境，可基于三邊定位法和改進(jìn)的卡爾曼濾波法，對(duì)各個(gè)基站測(cè)距的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析計(jì)算［5-7］，得到A 區(qū)車庫(kù)內(nèi)各個(gè)車輛靜態(tài)定位和平順之后的車輛動(dòng)態(tài)行駛軌跡。當(dāng)室內(nèi)停車場(chǎng)規(guī)模較大、停放車輛數(shù)量較多時(shí)，分布在個(gè)各個(gè)定位分區(qū)的樹莓派，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將計(jì)算得到的定位數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)軌跡匯總至上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面，將本地車庫(kù)內(nèi)的車輛實(shí)時(shí)定位信息存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，同時(shí)將車輛停放信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

2 UWB 定位方案設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)基于TOF（Time-of-Flight，時(shí)間飛行原理），每個(gè)定位分區(qū)布置3 個(gè)定位基站和若干個(gè)標(biāo)簽。其中一個(gè)定位基站與樹莓派相連，利用樹莓派的運(yùn)算資源對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)先進(jìn)行解析和優(yōu)化，再通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)將各定位分區(qū)的車輛定位信息上傳至監(jiān)控室進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。UWB 模塊硬件連接如圖3 所示。

2.1 定位原理

系統(tǒng)上位機(jī)軟件的功能包括對(duì)測(cè)距信息的定位算法解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上傳、監(jiān)測(cè)界面顯示。

UWB 定位通常采用三邊測(cè)量法，其原理如圖4所示。以三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C為圓心作圓，坐標(biāo)分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），這3 個(gè)圓相交于點(diǎn)D。交點(diǎn)D即為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，A、B、C即為參考節(jié)點(diǎn)，A、B、C與交點(diǎn)D的距離分別為da、db、dc。如圖4 所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖Fig.2 Schematic diagram of system operation

圖3 UWB 模塊硬件連接圖Fig.3 UWB module hardware connection diagram

圖4 三邊定位法原理圖Fig.4 Principle diagram of trilateral positioning method

由圖4 中三個(gè)圓交于一點(diǎn)的幾何關(guān)系可以得到式（1）：

采用最小二乘法對(duì)式（1）求解，可得D點(diǎn)坐標(biāo)公式（2）：

式（2）是對(duì)單個(gè)定位分區(qū)的定位坐標(biāo)計(jì)算［8］，對(duì)于大型室內(nèi)停車場(chǎng)來(lái)說(shuō)，不同分區(qū)的定位坐標(biāo)還需進(jìn)行坐標(biāo)變換才能上傳。以A 區(qū)為例，具體方法如下：

（1）建立室內(nèi)停車場(chǎng)平面直角坐標(biāo)系，標(biāo)定地圖位置的坐標(biāo)；

（2）選擇A 區(qū)坐標(biāo)參考點(diǎn)OA，并確定該點(diǎn)在室內(nèi)停車場(chǎng)的絕對(duì)坐標(biāo)（xA，yA）；

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，對(duì)分區(qū)坐標(biāo)進(jìn)行平移變換或旋轉(zhuǎn)變換。

2.2 子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在工控領(lǐng)域，主要有工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)二類。其中，工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容，均使用TCP／IP 協(xié)議和RJ45 硬件網(wǎng)絡(luò)接口，且以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線快很多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的帶寬要求，故本設(shè)計(jì)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式定位計(jì)算的傳輸。子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖Fig.5 Sub-network system diagram

停車場(chǎng)各個(gè)分區(qū)的中繼基站，可通過(guò)樹莓派接入室內(nèi)停車動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。由于這里采用工業(yè)以太網(wǎng)，故選擇KUNBUS 公司的Revpi Conenct。其硬件基于樹莓派，內(nèi)部集成支持24 小時(shí)緩存的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），以確保RevPi Connect 即使在斷電的情況下仍然保存運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)；軟件采用Linux 開源架構(gòu)，預(yù)裝Raspbian 操作系統(tǒng)版本，可以運(yùn)行Python 或C語(yǔ)言編寫的腳本文件。

同一室內(nèi)停車場(chǎng)的各定位分區(qū)都要布置無(wú)線或有線網(wǎng)口，確保分布式定位計(jì)算的樹莓派都處于同一網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)為便于管理局域網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的路由連接，各分區(qū)樹莓派應(yīng)具有固定靜態(tài)IP 地址。對(duì)樹莓派的訪問和維護(hù)可通過(guò)SSH（Secure Shell，安全外殼協(xié)議）遠(yuǎn)程登錄進(jìn)行，端口號(hào)：22，默認(rèn)用戶名和密碼為pi＠raspberry。

2.3 動(dòng)態(tài)全局地圖

為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)停車場(chǎng)的路徑規(guī)劃及導(dǎo)航功能，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)停放車輛行駛軌跡。車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后，定位標(biāo)簽與車牌綁定，將每個(gè)車輛的動(dòng)態(tài)位置與靜態(tài)地圖結(jié)合，形成動(dòng)態(tài)全局地圖。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)輪詢每個(gè)在線標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，如圖6 所示。記錄車輛X從進(jìn)入到離開停車場(chǎng)期間的實(shí)時(shí)位置，將所有車輛的位置更新匯總，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全局地圖。當(dāng)兩輛以上的汽車同時(shí)駛?cè)牖蝰偝鐾＼噲?chǎng)道路時(shí)，系統(tǒng)將行駛的車輛視為可移動(dòng)障礙物，適時(shí)調(diào)整室內(nèi)導(dǎo)航，避免路面擁堵甚至碰撞［9］。通過(guò)路徑規(guī)劃的優(yōu)化，盡可能提升停車場(chǎng)的利用率和運(yùn)行流暢程度。

圖6 車輛X 的動(dòng)態(tài)地圖更新流程圖Fig.6 Flow chart of dynamic map update for vehicle X

3 數(shù)據(jù)交互與通信

由于室內(nèi)停車場(chǎng)所處位置GPS 信號(hào)條件差且較為空曠，故需在停車場(chǎng)全范圍內(nèi)覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，高速率、低延遲、多連接的優(yōu)勢(shì)讓5G 成為智能駕駛領(lǐng)域的首選通信方式。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理和云端存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要建立SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)車位狀態(tài)、定位標(biāo)簽對(duì)應(yīng)停放車輛、車輛定位及其軌跡、停放時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。基于SQL 語(yǔ)句，操作者可根據(jù)具體的使用情況實(shí)現(xiàn)多表之間及跨數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢，除了增改和查詢本地車位，還可登錄遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行云端共享，供城市范圍內(nèi)其它停車場(chǎng)查詢搜索。

客戶端／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client／Server，C ／S 結(jié)構(gòu)）和網(wǎng)頁(yè)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Browser／Server，B ／S 結(jié)構(gòu)）作為主流結(jié)構(gòu)，通常用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)結(jié)構(gòu)。C ／S 結(jié)構(gòu)具有合理劃分應(yīng)用邏輯，充分發(fā)揮客戶機(jī)和服務(wù)器的性能的特點(diǎn)。同時(shí)可以在客戶端和服務(wù)器端分別執(zhí)行應(yīng)用程序，且開發(fā)和布置難度低于B ／S 結(jié)構(gòu)［10］，故本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)庫(kù)采用基于C ／S 模式的體系結(jié)構(gòu)編寫。

3.2 室內(nèi)車路協(xié)同

V2X 表示Vehicle to X，即車輛同其它事物之間的相互通信。X 代表了所有的交通參與單元，即車輛（Vehicle）、交通基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）、行人（Pedestrian）、云端（Cloud）等。V2X 技術(shù)為協(xié)同式自動(dòng)駕駛提供可靠的信息交互平臺(tái)，使智能車輛獲取更全面的實(shí)時(shí)交通信息，可廣泛應(yīng)用于信號(hào)燈狀態(tài)感知、彎道車速預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程交通信息獲取等［11］。V2X 與攝像頭或者雷達(dá)不同，是一種精確感知手段，依靠802.11p 或者5G 通信，可以在大范圍內(nèi)（室內(nèi)300 m，室外1 000 m）準(zhǔn)確感知周圍車輛的態(tài)勢(shì)。包括其位置、車速、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等，解決單車智能形成的信息孤島問題。

一方面，5G 基站的布置需實(shí)現(xiàn)整個(gè)室內(nèi)停車場(chǎng)的通信范圍全覆蓋；另一方面，劃分為多個(gè)定位分區(qū)的UWB 定位系統(tǒng)通過(guò)樹莓派完成分布計(jì)算、集中上傳云端的任務(wù)。如此，車輛通過(guò)5G 信號(hào)即可接收來(lái)自云端的路徑規(guī)劃及室內(nèi)導(dǎo)航、對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為車輛在停車場(chǎng)內(nèi)路面行駛提供實(shí)時(shí)反饋和針對(duì)性建議。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 入庫(kù)登記

如圖7 所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，上位機(jī)界面記錄有各個(gè)定位分區(qū)的車位內(nèi)是否有車輛停放，為進(jìn)入該室內(nèi)停車場(chǎng)的車輛提供參考。在入庫(kù)登記時(shí)，車輛將激活UWB 定位標(biāo)簽，監(jiān)控室為車輛提供可停放車位信息［12］，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)增加車輛牌照索引。通過(guò)綁定標(biāo)簽ID 即可回傳車輛實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)及位置，切換室內(nèi)導(dǎo)航。

4.2 室內(nèi)導(dǎo)航

如圖8 所示，系統(tǒng)根據(jù)車輛當(dāng)前位置和目的車位，結(jié)合道路及其路面通過(guò)車輛狀況，提供路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，盡可能避免道路擁堵和盲目尋找車位，有效提升室內(nèi)停車的效率及利用率。

圖7 入庫(kù)登記示意圖Fig.7 Schematic diagram of warehousing registration

圖8 室內(nèi)導(dǎo)航路線圖Fig.8 Indoor navigation route map

4.3 出庫(kù)更新

如圖9 所示，停放車輛出庫(kù)也需要室內(nèi)導(dǎo)航。從離開車位開始，該車位即被釋放。出庫(kù)后，UWB定位標(biāo)簽休眠或由停車場(chǎng)回收，標(biāo)簽ID 與車輛牌照的綁定也隨之失效，室外導(dǎo)航開啟。

圖9 出庫(kù)更新示意圖Fig.9 Schematic diagram of outbound update

4.4 跨車庫(kù)調(diào)度

城市范圍內(nèi)，各個(gè)停車場(chǎng)的空閑車位分布不均也是造成“停車難”的因素之一。因此，為解決這一難題可將各個(gè)停車場(chǎng)的空閑車位信息上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)車位信息共享。車輛在到達(dá)目的地之前即可獲取周邊停車場(chǎng)車位信息，搜索選擇最佳停車位置。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于UWB 的室內(nèi)停車動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出在大型室內(nèi)停車場(chǎng)分區(qū)布置定位基站，通過(guò)樹莓派建立分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集停放車輛的動(dòng)態(tài)定位信息，可實(shí)現(xiàn)空閑車位查詢、室內(nèi)停車導(dǎo)航、停放時(shí)長(zhǎng)記錄、行車軌跡監(jiān)測(cè)，甚至在城市范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域車位信息共享和停車調(diào)度，推動(dòng)智慧城市交通的發(fā)展與應(yīng)用。