曹祥紅+張華

摘 要： 介紹了在地下空間中具有較強(qiáng)穿透力和高精度定位能力的UWB定位技術(shù)，采用基于UWB技術(shù)的DWM1000定位模塊設(shè)計(jì)了一種地下停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛定位系統(tǒng)，介紹了定位系統(tǒng)的組成和測(cè)距定位工作原理，著重進(jìn)行了基于正多邊形的錨節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布局，并在實(shí)際地下停車(chē)場(chǎng)中進(jìn)行車(chē)輛定位性能測(cè)試，驗(yàn)證了定位系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞： 地下停車(chē)場(chǎng)； 車(chē)輛定位系統(tǒng)； UWB； DWM1000模塊； 錨節(jié)點(diǎn)； 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN914?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）09?0136?05

Abstract： The UWB positioning technology with strong penetration power and accurate positioning capability in underground space is introduced. The DWM1000 positioning module based on UWB technology is used to design a vehicle positioning system applied to the underground parking. The composition of the positioning system and working principle of the range?finding and positioning are introduced. The optimized layout based on regular polygon for the anchor nodes was carried out emphatically. The vehicle positioning performance was tested in an actual underground parking to verify the feasibility of the vehicle positioning system.

Keywords： underground parking； vehicle positioning system； UWB； DWM1000 module； anchor node； tag node

0 引 言

隨著城市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)輛保有量迅速增加，地面停車(chē)資源越來(lái)越有限，很多新建高層建筑都建立了配套的地下停車(chē)場(chǎng)。但由于人們對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)復(fù)雜多樣的布局和停車(chē)位標(biāo)志不熟悉、引導(dǎo)不到位等原因，使得在迷宮似的地下停車(chē)場(chǎng)停車(chē)難和找車(chē)難，成為駕駛者苦惱的新問(wèn)題。

地面停車(chē)場(chǎng)一般都有成熟的停車(chē)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，大都是結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航（GPS）實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位進(jìn)而實(shí)現(xiàn)停車(chē)導(dǎo)航[1]。GPS系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為實(shí)現(xiàn)無(wú)線導(dǎo)航定位功能而組建的具有特定結(jié)構(gòu)的定位系統(tǒng)[2?3]，對(duì)于信號(hào)到達(dá)較為容易的室外開(kāi)闊環(huán)境，GPS可以提供米級(jí)精度的定位信息，廣泛應(yīng)用于地上停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛停車(chē)定位導(dǎo)航系統(tǒng)中[4?5]。由于建筑物本身及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備等的影響，使得在室內(nèi)和地下環(huán)境中很難接收到GPS信號(hào)，無(wú)法提供定位所需的有效信息[3]。當(dāng)前大多數(shù)的地下停車(chē)場(chǎng)依然采用傳統(tǒng)的字母和數(shù)字編碼，導(dǎo)致在迷宮式的地下停車(chē)場(chǎng)里快速找到空置停車(chē)位和離開(kāi)時(shí)迅速找車(chē)，還是有一定難度的。如何有效精確地對(duì)車(chē)輛進(jìn)行定位，是地下停車(chē)場(chǎng)定位導(dǎo)航系統(tǒng)要考慮的首要問(wèn)題。

UWB（超寬帶）定位是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種定位方式，一般使用的是極窄的脈沖信號(hào)或者極寬的頻譜帶寬信號(hào)進(jìn)行信息的傳遞，與其他定位技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)是穿透能力強(qiáng)、定位精度高，具有厘米級(jí)的定位能力[6?8]。UWB可以在封閉的室內(nèi)或者障礙物較多的情況下完成測(cè)距定位任務(wù)，即使在地下空間中性能也能得到較好的發(fā)揮[9?10]。

本文設(shè)計(jì)了一種地下停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛定位系統(tǒng)，在地下停車(chē)場(chǎng)中合理配置基于UWB定位技術(shù)的錨節(jié)點(diǎn)，車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)后，會(huì)獲得一張具有UWB定位標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的出入卡，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置實(shí)時(shí)定位。如果配合相應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行路線規(guī)劃，既可準(zhǔn)確找到空置停車(chē)位，離開(kāi)時(shí)也可準(zhǔn)確找到車(chē)輛停放位置，駕車(chē)后又可準(zhǔn)確找到出口，并按規(guī)劃導(dǎo)航路線離開(kāi)，有效避免迂回“巡泊”的尷尬場(chǎng)面，有效解決了地下停車(chē)場(chǎng)停車(chē)難和找車(chē)難的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

地下停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛UWB定位系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。包括至少三個(gè)以上的UWB定位模塊作為錨節(jié)點(diǎn)、一個(gè)移動(dòng)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)、駕駛者手機(jī)、上位機(jī)和WiFi網(wǎng)絡(luò)。

地下停車(chē)場(chǎng)UWB定位導(dǎo)航系統(tǒng)可以劃分成兩部分：一部分是定位功能；一部分是導(dǎo)航功能。定位功能是導(dǎo)航功能的前提。定位系統(tǒng)的功能主要包括：車(chē)輛進(jìn)入地下停車(chē)場(chǎng)入口處時(shí)，領(lǐng)取一張安裝有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的出入卡，連接停車(chē)場(chǎng)的WiFi，手機(jī)掃描帶有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)信息的二維碼，同時(shí)上傳標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)ID信息到上位機(jī)；最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)測(cè)量與駕駛者標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的距離并發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)軟件根據(jù)公式可以計(jì)算出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在地下停車(chē)場(chǎng)空間內(nèi)的坐標(biāo)，上位機(jī)在電子地圖中定位標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛的實(shí)時(shí)定位，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛路徑規(guī)劃和導(dǎo)航功能。

2 UWB車(chē)輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

地下停車(chē)場(chǎng)超寬帶定位系統(tǒng)的核心就是測(cè)距定位。本系統(tǒng)選用DecaWave公司推出的具有實(shí)時(shí)測(cè)距定位功能的無(wú)線傳輸模塊DWM1000，采用IEEE 802.15.4?2011協(xié)議，基于到達(dá)時(shí)間差的TDOA雙向測(cè)距定位方法。一對(duì)DWM1000模塊最大理論測(cè)距為300 m，定位精度為10 cm，抗多徑和抗干擾能力強(qiáng)，計(jì)算復(fù)雜度低，成本低，易于實(shí)現(xiàn)[11]。DWM1000厘米級(jí)的定位精度可充分滿足在封閉的地下停車(chē)場(chǎng)空間中對(duì)車(chē)輛準(zhǔn)確定位的需求。

2.1 測(cè)距定位方法

定位是在測(cè)距的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在一個(gè)給定的參照系中，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)測(cè)得它與錨節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，錨節(jié)點(diǎn)也可以測(cè)得相互之間的相對(duì)距離，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)任選部分錨節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)參考系統(tǒng)，根據(jù)這些距離按照幾何計(jì)算方法確定自己在參考系中的位置，就叫定位[12]。定位的常用方法有基于到達(dá)時(shí)間（TOA）、基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）、基于到達(dá)角度（AOA）和基于接收到的信號(hào)強(qiáng)度的指示（RSSI）等四種[13]。這四種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中TDOA利用時(shí)間差的信息推導(dǎo)計(jì)算出錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間的距離，既具有很高的定位精度，又符合超寬帶系統(tǒng)時(shí)間分辨率較高的特性，系統(tǒng)的復(fù)雜度小，成本低[14?15]。綜合比較，選擇TDOA定位作為UWB超寬帶測(cè)距定位的方法。

基于TDOA方法的DWM1000雙向測(cè)距定位原理如圖2所示。

一對(duì)DWM1000模塊，其中，一個(gè)作為錨節(jié)點(diǎn)，一個(gè)作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，雙向測(cè)距過(guò)程如下：

（1） 錨節(jié)點(diǎn)向標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息，并標(biāo)記開(kāi)始傳輸起始時(shí)刻為

（2） 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息并向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)回應(yīng)的廣播信息，特定的響應(yīng)延遲時(shí)間為（這是由標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的時(shí)間確定的）；

（3） 錨節(jié)點(diǎn)接收到回應(yīng)信息，標(biāo)記接收時(shí)的返回時(shí)刻為

2.2 UWB定位模塊通信接口

DWM1000模塊是一個(gè)低功耗、采用CMOS大規(guī)模集成電路工藝的單芯片UWB無(wú)線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)通信采用slave?only模式的SPI接口。模塊內(nèi)部組成以及與單片機(jī)的接線如圖3所示[17]。

DW1000芯片內(nèi)部集成了收發(fā)器、模式變換器、電源管理模塊、狀態(tài)控制器以及SPI接口電路。DW1000芯片與外接天線和電源模塊構(gòu)成DWM1000模塊。在DWM1000模塊和單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中，單片機(jī)是SPI通信主機(jī)，提供串行時(shí)鐘CLK信號(hào)；DWM1000模塊被動(dòng)接收CLK信號(hào)，在主機(jī)CLK信號(hào)作用下完成兩者數(shù)據(jù)交換。CS是片選信號(hào)，用于多SPI從通信設(shè)備之間的選擇。MOSI是數(shù)據(jù)輸入信號(hào)線，用于傳輸接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)。MISO是數(shù)據(jù)輸出信號(hào)線，用于傳輸需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。POL是時(shí)鐘極性控制端子，用以確定SPI總線空閑電平高低狀態(tài)。PHA是時(shí)鐘相位控制端子，用以確定在同步時(shí)鐘信號(hào)的第一還是第二個(gè)跳變沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。單片機(jī)STM32F107通過(guò)SPI總線對(duì)DW1000模塊傳輸初始化、配置和測(cè)距數(shù)據(jù)，然后把收到的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行定位計(jì)算處理。采用SPI通信接口的錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)電路板如圖4所示。

2.3 UWB錨節(jié)點(diǎn)幾何優(yōu)化布局

以某建筑地下停車(chē)場(chǎng)為案例，總建筑面積為94.4 m×37.2 m，停車(chē)位為103個(gè)，整體布局如圖5所示。

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)主要隨著駕駛者車(chē)輛沿著出入口和行車(chē)道移動(dòng)，錨節(jié)點(diǎn)的布局要覆蓋到每一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)可能移動(dòng)到的位置，以確保實(shí)時(shí)定位標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置。錨節(jié)點(diǎn)配置的數(shù)量和布局直接影響到定位的精度，錨節(jié)點(diǎn)配置得越好，定位精度越高。采用幾何優(yōu)化算法進(jìn)行錨節(jié)點(diǎn)的布局，幾何優(yōu)化算法就是對(duì)各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)則的布置，可以布置成正三角形、正方形、正五邊形、正六邊形等多種形狀[18]。在二維平面上，最優(yōu)的錨節(jié)點(diǎn)配置的幾何結(jié)構(gòu)是所有錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)正多邊形，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)位于正多邊形的頂點(diǎn)位置[19]，如圖6所示。

在二維平面上，每三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)就可以定位一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，故優(yōu)先選定一個(gè)適宜的位置布置1#錨節(jié)點(diǎn)，然后選取錨節(jié)點(diǎn)之間成60°幾何角度的位置作為2#、3#錨節(jié)點(diǎn)，組成規(guī)則的正三角形，錨節(jié)點(diǎn)布局如圖7所示。

DWM1000模塊在理想條件下的理論定位距離是300 m，當(dāng)布置在復(fù)雜的地下停車(chē)場(chǎng)環(huán)境中，因?yàn)檎系K物如墻、梁柱、設(shè)備等會(huì)使信號(hào)強(qiáng)度有一定衰減，根據(jù)資料，確保定位精度的定位距離最保守按理論值的計(jì)算[16]，可設(shè)定一對(duì)錨節(jié)點(diǎn)——標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)定位最大距離為30 m。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)只要在圖7所示的邊長(zhǎng)為30 m的正三角形范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，定位精度都可以保持在10 cm以?xún)?nèi)。據(jù)此可以求得正三角形的面積

可求出案例停車(chē)場(chǎng)以案例地下停車(chē)場(chǎng)左下角的邊界點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)為坐標(biāo)軸單位為mm。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)是隨著駕駛者的車(chē)輛移動(dòng)的，設(shè)其坐標(biāo)為1#錨節(jié)點(diǎn)的位置有多種方案可以選擇，根據(jù)案例停車(chē)場(chǎng)的情況，將1#錨節(jié)點(diǎn)選取在圖8中的處。按照幾何優(yōu)化法將面積為的地下停車(chē)場(chǎng)空間劃分成多個(gè)正三角形，最終劃分的正三角型個(gè)數(shù)錨節(jié)點(diǎn)布置數(shù)量如圖8所示。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試在圖5所示的案例停車(chē)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，按照?qǐng)D8劃分正三角形，放置錨節(jié)點(diǎn)12個(gè)，攜帶一個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)車(chē)輛，測(cè)試環(huán)境如圖9所示。

首先進(jìn)行了一對(duì)DWM1000 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)定位模塊的測(cè)距性能測(cè)試，分別測(cè)試攜帶標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的車(chē)輛行駛至不同距離時(shí)錨節(jié)點(diǎn)測(cè)得的距離和激光測(cè)距儀測(cè)得的距離，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試見(jiàn)圖10。驗(yàn)證了在30 m以?xún)?nèi)該UWB定位模塊測(cè)距誤差在10 cm之內(nèi)，滿足測(cè)距要求；測(cè)距超出30 m時(shí)，定位誤差增大，定位性能變差。

以攜帶有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的駕駛車(chē)輛由行車(chē)道駛?cè)胪＼?chē)位過(guò)程為例，進(jìn)行定位性能測(cè)試。車(chē)輛以5 km/h的速度行進(jìn)，每隔2 m采集一次定位數(shù)據(jù)，繪制出UWB測(cè)距定位軌跡和車(chē)輛實(shí)際行駛軌跡對(duì)比如圖11所示。由于車(chē)輛在地下停車(chē)場(chǎng)內(nèi)限速一般在5 km/h以?xún)?nèi)，降低行車(chē)速度后進(jìn)行定位性能測(cè)試，與5 km/h行駛速度下測(cè)得的定位精度無(wú)明顯變化。

再模擬車(chē)輛在案例地下停車(chē)場(chǎng)各種不同的可能行駛軌跡進(jìn)行定位性能測(cè)試。由于車(chē)輛行駛軌跡始終落在由最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的正三角形內(nèi)部，定位誤差變化很小，定位絕對(duì)誤差始終保持在10 cm以?xún)?nèi)，可滿足對(duì)車(chē)輛準(zhǔn)確定位的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于UWB定位技術(shù)的DWM1000定位模塊的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布局，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攜帶標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的地下停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛的實(shí)時(shí)定位，并在實(shí)際停車(chē)場(chǎng)中進(jìn)行了車(chē)輛定位測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。地下停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛定位系統(tǒng)如果配合相應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)，規(guī)劃路線，將為駕駛者停車(chē)和取車(chē)提供便利。導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建將是下一步工作的重點(diǎn)。

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