鄭逸生，孫道宗，姚耀華，黃孝遠(yuǎn)

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

基于nanoPAN5375的地下停車場(chǎng)語(yǔ)音導(dǎo)航系統(tǒng)

鄭逸生，孫道宗，姚耀華，黃孝遠(yuǎn)

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

目前的GPS導(dǎo)航應(yīng)用很成熟，精度也比較高，但在地下停車場(chǎng)等室內(nèi)地方，GPS信號(hào)非常微弱，無(wú)法對(duì)車進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)當(dāng)前的地下停車場(chǎng)沒有很好地智能化。為避免車主盲目尋找車位，方便車主在盡可能短的時(shí)間內(nèi)尋找到車位，設(shè)計(jì)并制作基于nanoPAN5375的語(yǔ)音導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)由4個(gè)nanoPAN5375模塊、2個(gè)CC1101模塊、超聲波模塊與isd1700模塊構(gòu)成。以STM32F103微控制器為核心芯片，使用nanoPAN5375模塊進(jìn)行無(wú)線定位，CC1101模塊傳輸超聲波模塊采集到的車位信息，語(yǔ)音模塊isd1700進(jìn)行語(yǔ)音導(dǎo)航，軟件采用三邊質(zhì)心算法和卡爾曼濾波算法。實(shí)驗(yàn)表明，在邊長(zhǎng)為6米的等邊三角形內(nèi)，x坐標(biāo)的平均誤差為0.42米，y坐標(biāo)的平均誤差為0.42米；系統(tǒng)在邊長(zhǎng)為12米的等邊三角形內(nèi)實(shí)現(xiàn)過(guò)較為精確的語(yǔ)音導(dǎo)航。

無(wú)線定位；nanoPAN5375模塊；三邊質(zhì)心算法；語(yǔ)音導(dǎo)航

目前的GPS導(dǎo)航應(yīng)用很成熟，精度也比較高，但在地下停車場(chǎng)等室內(nèi)地方，GPS信號(hào)非常微弱，無(wú)法對(duì)車進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，同時(shí)當(dāng)前的地下停車場(chǎng)沒有很好地實(shí)現(xiàn)智能化，車主只能盲目地尋找車位。語(yǔ)音作為自然的人機(jī)接口，可以使車載導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更安全、更人性化的操作。當(dāng)前的地下停車場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)大多是以LED屏導(dǎo)航，相比之下，語(yǔ)音導(dǎo)航的效率更高，可方便、及時(shí)、準(zhǔn)確、主動(dòng)地為車主提供語(yǔ)音信息，幫車主節(jié)省停車時(shí)間，因此，實(shí)現(xiàn)地下停車場(chǎng)的語(yǔ)音導(dǎo)航就顯得十分重要。文中將講述基于nanoPAN的無(wú)線定位，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音導(dǎo)航的引導(dǎo)車載系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以Cortex－M3系列ARM7芯片 STM32F103微控制器為核心，包括nanoPAN5375模塊、CC1101射頻模塊、超聲波模塊、語(yǔ)音模塊isd1700等電路，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Diagram of system

1.1 nanoPAN5735模塊

nanoPAN5375是一款基于 2.4 GHzISM頻帶 （2.400～2.483 5 GHz）上整合了放大、濾波等組件的RF模塊，它采用了nanotron的寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）全球?qū)＠夹g(shù)，可靈活地提供31.25 kbps～2 Mbps范圍的數(shù)據(jù)傳輸率，抗干擾性、動(dòng)態(tài)特性非常好，同時(shí)提供具有極佳傳輸范圍的可靠數(shù)據(jù)通信。通過(guò)采用一個(gè)技術(shù)成熟的MAC控制器，可大大降低對(duì)微處理器和軟件的要求，輕松地完成高級(jí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]。nanoPAN5375模塊如圖2所示。

圖2 nanoPAN5375模塊Fig.2 Picture of nanoPAN5375 module

2 主要軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包含主機(jī)、固定節(jié)點(diǎn)和車位信息采集3個(gè)部分。主機(jī)通過(guò)nanoPAN5375模塊測(cè)得與3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離，經(jīng)過(guò)三邊質(zhì)心算法確定車的位置，再經(jīng)過(guò)卡爾曼算法濾波；通過(guò)CC1101模塊接收超聲波模塊采集到的車位信息，控制isd1700模塊播報(bào)語(yǔ)音[6-7]。軟件主要包含nanoPAN5375的測(cè)距、三邊質(zhì)心算法、卡爾曼濾波算法、CC1101模塊的信息接收、語(yǔ)音播報(bào)等功能。固定節(jié)點(diǎn)部分的nanoPAN5375模塊處于等待接收的狀態(tài)，接收到測(cè)距信息時(shí)，反饋回主機(jī)。車位信息采集是通過(guò)控制超聲波模塊測(cè)距，判斷車位是否是空車位，通過(guò)CC1101模塊發(fā)送到主機(jī)。

如圖3所示，三邊質(zhì)心算法主要實(shí)現(xiàn)確定主機(jī)的位置，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量主機(jī)到3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離，計(jì)算相交圓的公共區(qū)域的質(zhì)心來(lái)提高對(duì)主機(jī)位置估算的精度[1，3，5]。

圖3 三邊質(zhì)心法Fig.3 Method of trilateral centroid

設(shè)未知節(jié)點(diǎn) D 坐標(biāo)（x，y），已知 A，B，C 3 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3） ，它們到 D 的距離分別為 d1，d2，d3。則可得如下方程組:

根據(jù)式 （1）、（2）、（3） 可解出圓 A 與圓 C 的交點(diǎn)（xac1，yac1），（xac2，yac2）， 圓 B 與圓 C 的交點(diǎn)（xbc1，ybc1），（xbc2，ybc2），圓 A與圓 B 的交點(diǎn)（xab1，yab1），（xab2，yab2）。

通過(guò)將圓 A 與圓 C 的交點(diǎn)（xac1，yac1），（xac2，yac2）代入式（xx2）2+（y-y2）2，判斷大小可找出2點(diǎn)距圓 B的圓心較近的點(diǎn)，假設(shè)為（xac1，yac1）。同理可找出圓B，圓C交點(diǎn)中距圓A較近的點(diǎn)，設(shè)為（xbc1，ybc1），圓A，圓 B交點(diǎn)中距圓 C的圓心較近的點(diǎn)設(shè)為（xbc1，ybc1）。

依據(jù)質(zhì)心思想估算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為

根據(jù)以上算法求出主機(jī)的位置之后，再利用卡爾曼濾波的推測(cè)值來(lái)校正主機(jī)的測(cè)試值，提高系統(tǒng)精度。

卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器 （自回歸濾波器），它能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。目標(biāo)的位置、速度、加速度的測(cè)量值往往在任何時(shí)候都有噪聲。卡爾曼濾波利用目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息，設(shè)法去掉噪聲的影響，得到一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的好的估計(jì)。這個(gè)估計(jì)可以是對(duì)當(dāng)前目標(biāo)位置的估計(jì)，也可以是對(duì)于將來(lái)位置的估計(jì)（預(yù)測(cè)），也可以是對(duì)過(guò)去位置的估計(jì)（插值或平滑）[4]。

圖4 主機(jī)和節(jié)點(diǎn)的分布示意圖Fig.4 Distributed diagram of anchor and tags

3 系統(tǒng)測(cè)試與測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)和主機(jī)的分布示意圖如圖4所示。將3個(gè)節(jié)點(diǎn)固定在邊長(zhǎng)為12 m的等邊三角形的3個(gè)頂點(diǎn)上，當(dāng)超聲波模塊檢測(cè)到空車位時(shí)，主機(jī)選擇最近的空車位進(jìn)行導(dǎo)航，當(dāng)前方5m處有交叉路口時(shí)，提示車主“向左轉(zhuǎn)”或“向右轉(zhuǎn)”，將人準(zhǔn)確地導(dǎo)航至目標(biāo)地址。在邊長(zhǎng)為6 m的等邊三角形內(nèi)，測(cè)量主機(jī)的位置坐標(biāo)，并記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 在邊長(zhǎng)為6 m的等邊三角形內(nèi)的測(cè)試Tab.1 Test in the equilateral triangle of 6 m

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)的距離增大時(shí)，經(jīng)過(guò)三邊質(zhì)心算法和卡爾曼濾波算法，得到非常精確的坐標(biāo)值，主機(jī)與3個(gè)節(jié)點(diǎn)在較大范圍測(cè)量的距離如表2所示。

圖5 表1的數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Data curve of table 1

表2 主機(jī)與3個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離Tab.2 Distance of anchor to tags

4 結(jié) 論

本地下停車場(chǎng)語(yǔ)音導(dǎo)航系統(tǒng)以Cortex-M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括nanoPAN5375模塊、CC1101模塊、語(yǔ)音模塊isd1700、超聲波模塊等電路，軟件采用三邊質(zhì)心算法和卡爾曼濾波算法。試驗(yàn)表明，在邊長(zhǎng)為6 m的等邊三角形內(nèi)，x坐標(biāo)的平均誤差為0.42 m，最大誤差為0.62 m，y坐標(biāo)的平均誤差為0.42 m，最大誤差為0.74 m；在邊長(zhǎng)為70 m的等邊三角形內(nèi)，x坐標(biāo)的誤差為0.33 m，y坐標(biāo)的誤差為0.36 m。由于小汽車的長(zhǎng)度均大于4 m，因此上述誤差不影響對(duì)車的導(dǎo)航。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能將人較為精確地導(dǎo)航至目標(biāo)位置。

[1]高雷，鄭相全，張鴻.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種基于三邊測(cè)量法和質(zhì)心算法的節(jié)點(diǎn)定位算法[J].自然科學(xué)，2009（23）:138-141.

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Voice navigation system of underground parking lot based on nanoPAN5375

ZHENG Yi-sheng， SUN Dao-zong，YAO Yao-hua， HUANG Xiao-yuan
（College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Currently GPS navigation application is proper mature and has a high precision，but it has a very weak signal at underground parking lots and other indoor places.In these cases， GPS signal can’t navigate the cars， and at the same time，the current underground parking lots are not in good intelligence.In order to avoid the owner to look for the parking blindly and make the owner’s convenience to look for the parking， a voice navigation system is designed and produced based on nanoPAN5375.The system consists of four nanoPAN5375 modules， two CC1101 modules， ultrasonic module and isd1700 module.With STM32F103 micro controller as the core chip， nanoPAN5375 module for wireless positioning， CC1101 module transmission ultrasonic module to collect the parking information， voice module isd1700 for speech navigation， the software adopts Trilateral Centroid Algorithm and Kalman Filtering Algorithm.Experiments show that，in 6 meters side length of an equilateral triangle， the average error of x coordinate is 0.42 meters， y coordinate’s is 0.42 meters； the system within 12 meters side length of an equilateral triangle achieves a relatively accurate voice navigation.

wireless location；nanoPAN5375 module；trilateral centroid algorithm；voice navigation

TN962

A

1674－6236（2013）07－0062－03

2012－11－21稿件編號(hào)201211182

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011B020313019）

鄭逸生（1989—），男，廣東汕頭人。研究方向：嵌入式系統(tǒng)在無(wú)線定位中的應(yīng)用。