基于UWB的地下車庫智慧導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王晨源 楊惠茹

摘 要：為解決目前國內(nèi)地下車庫導(dǎo)航信號(hào)差、停車難、找車難的問題，實(shí)現(xiàn)車庫管理的智能化和高效化，設(shè)計(jì)了基于UWB的高精度室內(nèi)智能導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用UWB高精度室內(nèi)定位技術(shù)，收集精度極高且準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)，提供預(yù)約車位服務(wù)，并智能導(dǎo)航指引用戶驅(qū)車前往空車位，同時(shí)給車主提供一條最佳取車路線，方便車主反向?qū)ぼ嚒?/p>

關(guān)鍵詞：UWB;智能導(dǎo)航;智慧車庫;TOF算法

中圖分類號(hào)：N945.23 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）2-0006-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.001

Design of Intelligent Navigation System for Underground Garage Based on UWB

WANG Chenyuan ? ?YANG Huiru

（Henan University，Kaifeng 475001，China）

Abstract： In order to solve the problems of poor navigation signal， difficult parking， and difficult car finding in domestic underground garages， and realize the intelligent and efficient garage management， a high-precision indoor intelligent navigation system based on uwb is designed. This system uses UWB （Ultra-Wideband） high-precision indoor positioning technology to collect extremely accurate and accurate positioning data， provide reserved parking spaces， and intelligent navigation guides users to drive to empty parking spaces， while providing car owners with an optimal pick-up route. It is convenient for car owners to find the car in reverse.

Keywords： UWB;intelligent navigation;smart garage;TOF algorithm

1 需求分析

目前室內(nèi)環(huán)境日益復(fù)雜，單一的定位系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們對定位準(zhǔn)確的需求。由于GPS信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境中衰減得很嚴(yán)重，甚至有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)搜索不到信號(hào)的情況，導(dǎo)致室內(nèi)定位不能直接采用室外定位的方法。常見的室內(nèi)定位技術(shù)有藍(lán)牙定位技術(shù)、WIFI定位技術(shù)和超聲波定位技術(shù)，這三種技術(shù)存在不同程度的缺點(diǎn)，這些定位技術(shù)的比較如表1所示[1-2]。如何結(jié)合以上定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，做到定位精確、功耗低和信號(hào)強(qiáng)，對室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展有深遠(yuǎn)意義[3]。隨著科技的快速發(fā)展，家庭私有車輛數(shù)目不斷增加，高交互性的車庫系統(tǒng)逐漸融入人們的生活中，使停車、取車更加方便快捷。而現(xiàn)有的車庫車位識(shí)別裝置大多采用IC卡的方式對車位進(jìn)行管理，車主通過刷卡的方式進(jìn)行車位使用，后臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)刷卡結(jié)果僅能反映車位數(shù)量的使用情況，卻無法指示具體的空余車位位置，管理不便。再者，現(xiàn)有的車庫均需要車主自主尋找空余車位、記憶車輛所停位置，時(shí)常發(fā)生車主忘記給停車標(biāo)示碼拍照而不能快速找到自家車所在位置的問題[4]。

2 概要設(shè)計(jì)

基于超寬帶通信技術(shù)（UWB）高精度地下車庫導(dǎo)航系統(tǒng)是一套完整的智能導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)UWB技術(shù)，獲取標(biāo)簽相對精確的位置信息，并能實(shí)時(shí)把定位到的坐標(biāo)值通過無線數(shù)傳模塊傳送到計(jì)算機(jī)上，然后在上位機(jī)軟件中對標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和軌跡繪制，通過觀察PC端就能準(zhǔn)確知道標(biāo)簽在什么位置。該系統(tǒng)包括UWB基站和貼有UWB定位標(biāo)簽的車輛入場卡，用戶進(jìn)入停車場后通過用戶端APP可以查看車輛相關(guān)信息，如入場時(shí)間、當(dāng)前位置、空余車位數(shù)量及位置，用戶可在APP中選擇空閑車位并在導(dǎo)航指引下前往，UWB基站設(shè)置在車庫的停車區(qū)內(nèi)。通過智能路徑規(guī)劃算法，系統(tǒng)不僅可以為用戶提供可選擇的空余車位導(dǎo)航，還能在用戶端APP實(shí)時(shí)顯示車輛所在位置，便于用戶停車后查看車輛位置。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 UWB室內(nèi)精確定位

在定位技術(shù)方面，本系統(tǒng)選用的是UWB高精度室內(nèi)定位技術(shù)。UWB是一種以低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線技術(shù)，原本專屬于美國軍方，2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）才正式批準(zhǔn)民用，UWB自可民用以來便備受關(guān)注，因其具有一系列優(yōu)良的技術(shù)特性，成為極具競爭力的短距高速無線傳輸技術(shù)，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮出巨大作用。

3.1.1 UWB通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。第一，UWB的精確度極高。UWB是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用常見的正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，利用在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生脈沖序列，使得脈沖開始和結(jié)束的時(shí)間更容易被測量，通過使用兩個(gè)無線電設(shè)備通信所花費(fèi)的時(shí)間來計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備之間的距離，所以它比WIFI和藍(lán)牙定位技術(shù)通過信號(hào)強(qiáng)度來估算距離更加精確。

第二，UWB的發(fā)射功率低，更容易做低功耗的設(shè)備。因?yàn)閁WB不采用載波形式，僅在發(fā)射窄脈沖的時(shí)候產(chǎn)生一定的能量，因此節(jié)省了在連續(xù)發(fā)射載波時(shí)的大量能耗，使得UWB的帶寬高，但是功耗并不增加。

按照FCC的規(guī)定，UWB的帶寬頻率為3.1～10.6 GHz，因此在日常使用UWB時(shí)要根據(jù)規(guī)定合理合法使用。

UWB定位方法因其高帶寬、高傳輸速率、穿透性好、高安全性、低功耗以及高定位精度等優(yōu)勢，已成為室內(nèi)定位中最有前景的技術(shù)之一。UWB通常采用以下兩種定位算法。一種是TOF（Time of Flight）定位算法，TOF測距不依賴基站與標(biāo)簽的時(shí)間同步，因此不存在因時(shí)鐘同步偏差而帶來的誤差，但TOF的誤差來源于時(shí)鐘精度，時(shí)鐘偏移的誤差會(huì)影響到最后的精度[5]。另一種是TDOA（Time Difference of Arrival）定位算法，通過測量從UWB標(biāo)簽到兩個(gè)UWB基站之間傳播時(shí)間的差值，得到UWB標(biāo)簽到兩個(gè)UWB基站之間的固定距離差，以此來確定標(biāo)簽的位置。

3.1.2 TOF定位算法的基本原理。本系統(tǒng)采用TOF定位算法（見圖1），在硬件間時(shí)鐘不同步的前提下，采用單邊雙向測距，可以分別測量出標(biāo)簽與3個(gè)基站的距離，以此確定標(biāo)簽的位置。

移動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)簽首先向基站發(fā)送請求測距的數(shù)據(jù)包，基站收到數(shù)據(jù)包后開始處理信息，一段時(shí)間后將信息傳回移動(dòng)的基站。規(guī)定發(fā)送端（移動(dòng)標(biāo)簽）從發(fā)出信號(hào)到接收回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTOT，接收端（基站）收到測距請求和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTAT，因此可推導(dǎo)出信號(hào)在空中的單向時(shí)間TTOF為：

TTOF=（TTOT-TTAT）/2 ? （1）

根據(jù)TOF算法可以較精確地計(jì)算出標(biāo)簽和1個(gè)基站之間的距離，要確定標(biāo)簽的具體位置至少需要知道其和3個(gè)基站的距離，依據(jù)三邊定位算法（見圖2），以基站為圓心，以標(biāo)簽與基站之間的距離為半徑作圓，3個(gè)圓相交的地點(diǎn)即標(biāo)簽的位置。

在本系統(tǒng)中，用戶進(jìn)入車庫時(shí)會(huì)收到車輛入場卡，該卡內(nèi)置UWB定位標(biāo)簽，根據(jù)停車場布置的基站可定位車輛所在位置。根據(jù)智能導(dǎo)航引導(dǎo)車主驅(qū)車前往推薦的空余車位，也可自行尋找車位停車。自車輛進(jìn)入地下停車場起到車主駕車離開，用戶可根據(jù)手機(jī)上的服務(wù)端APP看到車輛所在位置，便于取車時(shí)尋找車輛。

3.2 路徑規(guī)劃

3.2.1 車位推薦。帶有標(biāo)簽的車輛進(jìn)入車庫后，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)剩余車位所在位置與車輛當(dāng)前定位做比對，智能規(guī)劃出最優(yōu)車位的位置并指引用戶驅(qū)車前往。進(jìn)入車位后，車內(nèi)的標(biāo)簽會(huì)定位該車輛位置，在管理員服務(wù)端的上位機(jī)中會(huì)顯示此處已有車輛停放，后來車輛將無法選擇停在此處。在車輛入場時(shí)被車牌識(shí)別儀獲取的車牌號(hào)，用戶手機(jī)上的APP會(huì)顯示自家車輛的停車信息，方便后續(xù)找車取車，達(dá)到車庫與用戶的良好交互。

3.2.2 預(yù)訂服務(wù)。用戶可以選擇系統(tǒng)推薦的最優(yōu)車位，也可自由選擇空閑車位。如若選擇自助停車，用戶在還未到達(dá)停車場時(shí)便可在系統(tǒng)上提前預(yù)定本車位，系統(tǒng)會(huì)顯示本車位已預(yù)定，為用戶預(yù)留20 min的車位，提供最便捷的停車方式。若超過20 min用戶還未到達(dá)停車場，系統(tǒng)將自動(dòng)收回，并顯示此處為空余車位，如圖3所示。

3.2.3 智能導(dǎo)航。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)，Dijkstra（迪杰斯特拉）算法是典型的單源最短路徑算法，將各節(jié)點(diǎn)的相鄰距離組成二維矩陣，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的最短距離以及看出各節(jié)點(diǎn)是否存在通路。

本智能導(dǎo)航系統(tǒng)使用廣度優(yōu)先遍歷（BFS）算法，定義startpoint為路徑遍歷點(diǎn)，endpoint為路徑遍歷端點(diǎn)，在進(jìn)行路徑智能導(dǎo)航時(shí)，運(yùn)用廣度優(yōu)先遍歷算法找出關(guān)鍵路徑[6]。根據(jù)地下停車場車位的位置畫出基本圖，每個(gè)車位都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從圖的一個(gè)未遍歷的節(jié)點(diǎn)出發(fā)，先遍歷這個(gè)節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)（假設(shè)為A0），再依次遍歷每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)（A0）的相鄰節(jié)點(diǎn)（假設(shè)為A1），即可找到關(guān)鍵路徑，其上的各節(jié)點(diǎn)都是關(guān)鍵點(diǎn)，將關(guān)鍵路徑顯示在地圖上，實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航功能。

3.3 人機(jī)交互設(shè)置

本系統(tǒng)采用 Arduino IDE V1.8.6 制作上位機(jī)軟件，用Android等語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)APP，用戶通過下載APP并注冊登錄綁定車輛信息，聯(lián)網(wǎng)成功后即可在APP中看到人機(jī)交互的相關(guān)信息，進(jìn)行預(yù)定車位、查找空車位、停車導(dǎo)航等。

4 創(chuàng)新突出

現(xiàn)有地下停車場主要有以下4種：遙控停車場、立體停車庫、機(jī)械式停車場、IC卡停車場。本系統(tǒng)（基于UWB的高精度智庫系統(tǒng)）相較現(xiàn)有地下停車場系統(tǒng)而言，有著更豐富且智能的創(chuàng)新點(diǎn)。

4.1 市面已有停車場存在的問題

4.1.1 智能化不高。我國現(xiàn)有地下停車場智能化不高?，F(xiàn)有停車場系統(tǒng)沒有智能導(dǎo)航這一功能用來引領(lǐng)用戶前往空余車位，用戶需要進(jìn)入停車場后自行尋找空余車位，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在進(jìn)入不熟悉的停車場后，用戶可能無法輕松找到自己的車和離開的路線。

4.1.2 多為人工管理，成本高。隨著城市車輛的保有量逐年增加，停車場規(guī)模也日益大型化，加之其服務(wù)的車輛繁雜，人工管理的效率和可靠性已難以滿足其在管理上提出的要求，從長遠(yuǎn)來看，人工管理成本高，管理商需要花費(fèi)大量人力、物力定時(shí)巡視和管理停車場。

4.1.3 地下定位精度低。目前市面上并未出現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，已存在的較為成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)，如百度地圖、高德地圖等，并不適用于室內(nèi)定位和導(dǎo)航，尤其是對存在遮蓋的地下車庫而言，已有的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)差、定位精度低等問題，不能滿足用戶的需求。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)

4.2.1 智能管理。將先進(jìn)的人工智能技術(shù)引入車庫，實(shí)現(xiàn)車庫管理的無人化、智能化。基于云計(jì)算大數(shù)據(jù)，幫助交通數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，讓以前閑置的數(shù)據(jù)運(yùn)作起來，為智慧停車提供數(shù)據(jù)的支持。

4.2.2 系統(tǒng)新穎。針對上述情況，在不熟悉且地形復(fù)雜的地下車庫，人們對導(dǎo)航尋找空閑車位的需求日益強(qiáng)烈，同時(shí)針對停車后找不到車這種情況，車主可以通過室內(nèi)定位進(jìn)行查詢，屏幕上會(huì)顯示出車主目前的位置以及該車停放的位置，并提供一條最佳的取車路線，引導(dǎo)車主快速取車。

4.2.3 減少人工停車誘導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)反向?qū)ぼ?。面對地形?fù)雜的地下車庫，用戶也無須在停車場員工的指引下找到空余車位，憑借APP中的指引即可輕松解決這個(gè)問題，降低了停車場員工的需求量，在很大程度上節(jié)省了管理商的人工成本和管理成本。

4.2.4 采用UWB高精度定位技術(shù)。目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)存在不同程度缺點(diǎn)，如藍(lán)牙定位精度較低且抗干擾性較弱，傳輸距離較近;WIFI定位精度極低、穿透性的安全性較差;紅外線定位技術(shù)的傳輸距離較近、穿透性差。UWB定位技術(shù)最突出的特點(diǎn)是其具有高精度室內(nèi)定位能力，在地下車庫信號(hào)差的情況下，可以高精度地定位到標(biāo)簽的位置，滿足用戶室內(nèi)定位的需求。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)有著巨大的市場應(yīng)用前景，通過多次試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，分析其結(jié)果發(fā)現(xiàn)符合預(yù)期要求，能夠有效解決地下車庫導(dǎo)航信號(hào)差、車主停車難、取車難的問題，減少車庫管理人員的雇傭，降低車庫管理成本，提高管理效率，從而實(shí)現(xiàn)智慧車庫的設(shè)計(jì)。

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