基于UWB的車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)研究

馮九發(fā) 黎宇恒 黃建泉 黃市生 劉子文

摘要：為實(shí)現(xiàn)車(chē)庫(kù)的高交互性能和準(zhǔn)確定位，針對(duì)現(xiàn)有車(chē)庫(kù)交互性能差、找車(chē)難、停車(chē)難且取車(chē)麻煩的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于UWB（超寬帶）和多傳感器數(shù)據(jù)融合的車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，UWB定位系統(tǒng)自動(dòng)生成的參考倒車(chē)路線(xiàn)與人工倒車(chē)路線(xiàn)基本吻合時(shí)能成功把車(chē)倒進(jìn)空車(chē)位里，基于自適應(yīng)濾波算法的UWB定位系統(tǒng)方案可行且定位準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：UWB;定位;車(chē)庫(kù);倒車(chē)

0? ? 引言

隨著科技智能化進(jìn)步，汽車(chē)保有量迅速攀升，高交互性的車(chē)庫(kù)系統(tǒng)逐漸融入人們的生活中，使停車(chē)、取車(chē)更加方便快捷。而現(xiàn)有的車(chē)庫(kù)車(chē)位識(shí)別裝置大多采用IC卡的方式對(duì)車(chē)位進(jìn)行管理，車(chē)主通過(guò)刷卡的方式進(jìn)行車(chē)位使用，后臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)刷卡結(jié)果僅能反映車(chē)位數(shù)量的使用情況，卻無(wú)法指示具體的空余車(chē)位位置，管理不便。再者，車(chē)庫(kù)內(nèi)的停車(chē)環(huán)境有別于露天，車(chē)庫(kù)內(nèi)倒車(chē)沒(méi)有較好的參考，很多車(chē)主需要多次挪動(dòng)才能把車(chē)倒進(jìn)車(chē)位內(nèi)，耗時(shí)耗精力。此外，現(xiàn)有的車(chē)庫(kù)均需要車(chē)主自主記憶車(chē)輛所停位置，時(shí)常發(fā)生車(chē)主忘記給停車(chē)標(biāo)示碼拍照而不能快速找到自家車(chē)的位置的問(wèn)題。

1? ? 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將探究UWB（超寬帶）定位[1]和多傳感器結(jié)合再加上自適應(yīng)濾波算法[2]在車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用效果。該車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)包括UWB基站和貼有UWB定位標(biāo)簽的車(chē)輛入場(chǎng)卡，車(chē)輛入場(chǎng)卡設(shè)有液晶屏幕，用戶(hù)將車(chē)輛入場(chǎng)卡放在車(chē)內(nèi)用于導(dǎo)航，UWB基站設(shè)置在車(chē)庫(kù)的停車(chē)區(qū)內(nèi)。該車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)還包括：停車(chē)區(qū)內(nèi)的每個(gè)停車(chē)位上均設(shè)有壓力傳感器，用于確認(rèn)有車(chē)停進(jìn);車(chē)庫(kù)的入口處設(shè)置開(kāi)關(guān)閘和車(chē)牌識(shí)別儀[3]。UWB基站、車(chē)輛入場(chǎng)卡、壓力傳感器、車(chē)牌識(shí)別儀均與終端連接，車(chē)主的手機(jī)上帶有服務(wù)端的APP，終端與服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)連接。

UWB是通過(guò)發(fā)送和接收納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)[4]，因此具有GHz量級(jí)的帶寬。采用TDOA和AOA定位算法[5]對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行分析具有分辨能力強(qiáng)、精度高的優(yōu)勢(shì)，但依然存在一些定位誤差。為了盡可能減少定位誤差，本文采用自適應(yīng)濾波算法（LMS）對(duì)UWB返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除包含在基本信號(hào)中的未知干擾，其方法是把基本信號(hào)用作自適應(yīng)濾波器的期望響應(yīng)，傳感器獲取的數(shù)據(jù)用作濾波器的輸入，期望信號(hào)為含有噪聲的信號(hào)源，經(jīng)過(guò)多次迭代，期望信號(hào)和自適應(yīng)濾波器的輸出信號(hào)之差就是信號(hào)源的估計(jì)。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波，位置誤差極大地減小，從而把TDOA和AOA定位算法的誤差降到最低。LMS在處理定位數(shù)據(jù)與顯示坐標(biāo)的上位機(jī)軟件運(yùn)行。

2? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如上文所述，該車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)主要依賴(lài)于UWB定位的高精準(zhǔn)性，下文將重點(diǎn)驗(yàn)證在UWB定位的可行性，驗(yàn)證的指標(biāo)是基于UWB定位系統(tǒng)自動(dòng)生成的參考倒車(chē)路線(xiàn)與人工倒車(chē)路線(xiàn)基本吻合時(shí)能否成功把車(chē)倒進(jìn)空車(chē)位里。當(dāng)壓力傳感器響應(yīng)時(shí)，證明車(chē)輛已經(jīng)停入車(chē)位，基于車(chē)輛入場(chǎng)時(shí)被車(chē)牌識(shí)別儀獲取的車(chē)牌號(hào)，用戶(hù)的APP會(huì)顯示自家車(chē)的停車(chē)信息，方便后續(xù)取車(chē)，達(dá)到一個(gè)良好的交互性能。

如圖1所示，設(shè)置3個(gè)基站與一輛車(chē)來(lái)驗(yàn)證本文的方案，圖示左下角為UWB基站0，右下角為UWB基站1，右上角為UWB基站2，UWB標(biāo)簽設(shè)置在車(chē)內(nèi)，如此構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。3個(gè)基站的位置以及UWB標(biāo)簽的定位通過(guò)上位機(jī)軟件顯示，UWB的型號(hào)為DWM1000定位模塊，參數(shù)如表1所示。三個(gè)基站擺成直角陣勢(shì)，形成X與Y軸，如此可以定位小車(chē)的移動(dòng)坐標(biāo)。

3? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

利用上文的3基站+移動(dòng)標(biāo)簽做實(shí)驗(yàn)，首先在這3個(gè)基站的平面坐標(biāo)系中做好車(chē)位五個(gè)點(diǎn)的劃定，即車(chē)位的四個(gè)角的坐標(biāo)加上車(chē)位中心的坐標(biāo)[實(shí)驗(yàn)中車(chē)位的中心坐標(biāo)為（1.3，0.7）]，定好這五個(gè)點(diǎn)即可讓系統(tǒng)生成倒車(chē)的參考路線(xiàn)，用戶(hù)可借鑒車(chē)輛入場(chǎng)卡顯示的參考路線(xiàn)進(jìn)行倒車(chē)，UWB定位系統(tǒng)也會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶(hù)倒車(chē)時(shí)的移動(dòng)坐標(biāo)，如果人工路線(xiàn)與參考路線(xiàn)發(fā)生較大的偏差，車(chē)輛入場(chǎng)卡的蜂鳴器將會(huì)提醒。

在嚴(yán)格保障人工路線(xiàn)與參考路線(xiàn)不發(fā)生較大偏差的情況下，得到表2的數(shù)據(jù)，左側(cè)為系統(tǒng)生成的倒車(chē)路線(xiàn)的特征點(diǎn)坐標(biāo)，右側(cè)為人工倒車(chē)時(shí)被系統(tǒng)記錄的坐標(biāo)，對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可知誤差最大不超過(guò)0.096 m;對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋芍斯ぢ肪€(xiàn)基本吻合于參考路線(xiàn)，人工倒車(chē)形成的路線(xiàn)如圖2所示。

由此可見(jiàn)，基于本文的UWB定位系統(tǒng)，人工倒車(chē)嚴(yán)格借鑒系統(tǒng)設(shè)定的參考路線(xiàn)能很好地完成停車(chē)。此外，人工路線(xiàn)與參考路線(xiàn)基本吻合所取得的成功停車(chē)的效果也證明了本文的UWB車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)方案可行，并且定位精確性較高。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文主要基于UWB、自適應(yīng)濾波算法和多傳感器融合設(shè)計(jì)了一種UWB定位車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)，用于定位空余車(chē)位的位置，獲取車(chē)輛的最后停放位置來(lái)確定停車(chē)信息，幫助導(dǎo)向停車(chē)路線(xiàn)和倒車(chē)路線(xiàn)以及取車(chē)路線(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，UWB定位系統(tǒng)自動(dòng)生成的參考倒車(chē)路線(xiàn)與人工倒車(chē)路線(xiàn)基本吻合時(shí)能成功把車(chē)倒進(jìn)空車(chē)位里，因此，基于自適應(yīng)濾波算法的UWB定位系統(tǒng)方案可行且定位準(zhǔn)確。本研究可以為車(chē)庫(kù)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有效的借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 顧慧東，焦良葆，周健.室內(nèi)UWB通信高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J/OL].軟件導(dǎo)刊：1-5（2019-11-22）[2020-01-08].https：//

kns.cnki.net/KCMS/detail/42.1671.TP.20191122.1620.

054.html.

[2] 韓廣超，王鋒，趙河明，等.一種超寬帶無(wú)線(xiàn)電引信回波信號(hào)處理算法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：67-70.

[3] 張萍.基于MATLAB的汽車(chē)牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2019，38（11）：132-135.

[4] 姜文峰.基于區(qū)域判定的超寬帶井下高精度定位[J].電子世界，2019（3）：193-194.

[5] 徐軍，李群群，王曰輝，等.室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（12）：44-46.

收稿日期：2020-01-08

作者簡(jiǎn)介：馮九發(fā)（1998—），男，廣東東莞人，研究方向：信息交互及機(jī)電工程。