盧靜
南京航空航天大學金城學院 江蘇省南京市 211156
定位功能是車聯(lián)網(wǎng)非常重要的基本功能之一,目前多數(shù)汽車搭載以全球定位系統(tǒng)GPS為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)車輛定位,通過通信網(wǎng)絡實現(xiàn)汽車位置與手機以及服務器之間的共享。該系統(tǒng)能夠在室外開闊環(huán)境提供米級高精度的定位服務,但是在地下停車場、隧道、室內等有遮蔽的環(huán)境,由于受到障礙物的影響,車端接收器很難接收到GPS信號,因此無法提供穩(wěn)定有效的定位服務。
隨 著UWB、Wifi、Zigbee、Bluetooth藍牙等近場無線通信技術的發(fā)展,定位技術有了更多實現(xiàn)手段,可以彌補GPS信號環(huán)境上的不足。
UWB超寬帶使用超寬的頻譜帶寬和很窄的脈沖信號進行通信,具有精度高、穿透力強的優(yōu)點,能夠達到厘米級的定位精度,缺點是需要布置專用的UWB設備,實現(xiàn)成本較高。
Wifi和Zigbee也有類似的缺陷,而低功耗藍牙BLE(Bluetooth low energy)具有覆蓋范圍廣、功耗低、傳輸快、成本低的優(yōu)點,并且智能手機上都帶有該模塊,使得BLE適合應用于汽車定位的應用場景。
基于藍牙通信的定位方法通常有使用RSSI信號強度和使用AOA到達角度等定位方法。本文選用RSSI信號強度定位法進行研究和驗證。
RSSI信號強度分析法是一種基于信號強弱估算相對距離的定位方法。由于信號在傳播過程中隨著距離變化,信號強度是逐漸衰減的,因此分析接受信號的強度,建立衰減數(shù)學模型,即可計算得到信號接收點與信號源之間的距離。
如圖1所示,系統(tǒng)已經(jīng)提前布置好各節(jié)點天線的相對位置,可利用RSSI信號衰減模型估算出定位終端設備A距離各個節(jié)點的距離,然后以各個節(jié)點為圓心,以各節(jié)點到終端A的距離作為半徑畫圓,那么各個圓的交點即為定位節(jié)點所處位置。
圖1 RSSI信號強度測距方法
根據(jù)上述RSSI定位原理的描述可知,該方法的定位過程分為測距與定位兩個過程。
①測距:
各節(jié)點接收來自終端A的藍牙信號的RSSI,經(jīng)過一定的濾波處理后,得到校正后的RSSI值,然后依照RSSI信號傳輸衰減模型,計算出終端設備A距離各個節(jié)點的距離。
本文使用的信號傳輸衰減模型采用信號傳播的衰減采用對數(shù)-常態(tài)分布模型,如式(1)所示。
式(1)中,()為經(jīng)過距離后的路徑損耗;()為經(jīng)過單位距離后的路徑損耗,為單位距離;為均值為0的高斯分布隨機數(shù);為衰減因子,該參數(shù)跟環(huán)境有關。
計算中可使用簡化公式:
式(2)中,RSSI是接收到的信號強度,A是在距離信號源1m處接收端的信號強度,d是信號源和接收端之間的距離。
②定位:
基于測距階段測得的各個節(jié)點與終端A的距離,再結合幾何模型建立方程,求解可得終端A的坐標位置。目前有多種定位算法,如三角定位、雙曲線定位等。本文采用最小二乘法,利用多個測量點的測距結果實現(xiàn)目標位置坐標的求解。
以圖1為例,令三個參考節(jié)點的坐標分別 為ANT1(,)、ANT2(,)、ANT3(,),終端A的坐標為A(,)。假設測得的終端A距離三個參考節(jié)點的距離分別為、、,則有如下方程:
由式(3),可得矩陣方程:
利用最小二乘法原理可以得到:
X即待求目標點得坐標。如若參考節(jié)點有多個,同樣用以上方法可以解算得到目標點坐標。
依據(jù)上文敘述的藍牙定位原理和方法,如圖2本文設計了一種汽車和外部藍牙設備之間的定位系統(tǒng),該系統(tǒng)包含兩個部分:主控制器、節(jié)點控制器。
圖2 基于藍牙通信的車身定位方法
由于定位需要至少3個參考點,本文設計的系統(tǒng)布置了4個節(jié)點控制器,分別安裝在汽車的前部兩側和后部兩側,如翼子板或車門。主控制器安裝一個即可,出于成本考慮,控制器之間設計為通過LIN線連接組成通信網(wǎng)絡。
外部藍牙終端(可以是手機、藍牙鑰匙或是其他藍牙設備)接近汽車時,系統(tǒng)會自動觸發(fā)響應并實時計算終端設備的相對位置,在特定條件下觸發(fā)相應動作。如實現(xiàn)汽車無鑰匙進入功能,駕駛員接近或遠離汽車到一定距離時自動打開或關閉門鎖。
從控制器用于藍牙信號的接收、分析和計算。核心部分由天線和微控制器MCU組成。為了節(jié)電,從控制器在非工作時間設計為睡眠模式,當主控制器通過LIN網(wǎng)絡喚醒后才開始工作。當節(jié)點控制器被喚醒后,由內部定時器激活定時任務,順序接收天線信號。本文采用RSSI信號強度定位法,則分析信號強度,依據(jù)衰減模型計算各節(jié)點的目標距離。
主控制的功能包括:藍牙信號的收發(fā),對從控制器的控制,以及定位計算。核心部分同樣由天線和微控制器MCU組成。當外部藍牙設備進入主控制器的接收范圍時,主控制器對該設備進行識別,如認證通過,則進入定位模式,否則過濾該設備。當認證通過后,主控制器通過LIN網(wǎng)絡喚醒從控制器,要求從控制器進入工作狀態(tài),并分別上報測量結果。本文的定位系統(tǒng),有一個主控制器和四個從控制器組成,當主控制器在一個定位周期內,收到三個及以上從控制器的測量結果,即可通過上文介紹的定位算法實現(xiàn)對外部設備的位置計算。
本文選用TI公司的CC2640作為主、從兩個控制器的主控芯片,該芯片適用于BLE低功耗應用。具有豐富的外設功能,并包含一個超低功耗內核,有助于控制汽車靜置狀態(tài)下的耗電功率。
如上文所述,汽車定位過程分為節(jié)點控制器測距和主控制器定位求解兩個步驟。節(jié)點控制器在車身上的相對位置布置好后,定位求解具有唯一性,因此測距的精準度和穩(wěn)定性直接決定系統(tǒng)的定位質量。以下以相對靜止、相對運動的條件分別進行實驗驗證。
實驗1:靜態(tài)條件下不同距離測距對比實驗
測試條件:控制器保持靜止,藍牙終端設備和控制器的距離分別為0.5m、1m、1.5m、2m,分別進行測距并記錄結果。
具體測試結果如圖3所示,圖中上半部分為信號強度RSSI,下半部分是控制器依據(jù)衰減模型計算得到的距離。
圖3(a)中所示為0.5m距離,測試結果約0.3m,信號穩(wěn)定平整;圖3(b)中所示為1m距離,測試結果約0.9m,信號偶有小幅的波動;圖3(c)、(d)中所示為在1.5m與2m距離較遠時,信號存在頻繁的波動,且波動振幅變大,特別在2m處測距結果波動最大達到1m,會直接影響定位質量。
圖3 靜態(tài)條件下測試結果
由此可知,使用RSSI測距能夠反映真實的距離,但存在信號波動的問題,需要進一步優(yōu)化處理。
實驗2:靜態(tài)條件下加入濾波處理的比對實驗
測試條件:藍牙終端設備和控制器的距離2m保持靜止。分別以原始接收到的信號強度進行記錄并計算距離,以及使用卡爾曼濾波處理接收到的信號強度并計算距離,再對兩次測試結果進行比對,如圖4所示。
圖4(a)所示,靜止條件下,RSSI無濾波情況下,2m處測距結果波動較大,最大達到1m左右。圖4(b)所示,靜止條件下,RSSI信號進行卡爾曼濾波后,信號波動得到較好的抑制,在2m處的波動最大為0.2m左右。
圖4 靜態(tài)條件下的濾波比對實驗
由此可知,在靜態(tài)條件下使用卡爾曼濾波可以有效抑制信號的波動,能夠保證測距的精準度和穩(wěn)定性。
實驗3:移動條件下的定位實驗
測試條件:控制器保持靜止,藍牙終端設備從距離2m移動到0.5m。分別以原始接收到的信號強度進行記錄并計算距離,以及使用卡爾曼濾波處理接收到的信號強度并計算距離,再對兩次測試結果進行比對。圖5是兩次測試的結果。
圖5左圖是原始RSSI的測試結果,從圖中可見,在2m距離保持靜止時信號有小幅波動,設備移動過程中有高頻大幅的波動,最高超過0.6m,設備停止在0.5m后信號保持穩(wěn)定。右圖對RSSI加入卡爾曼濾波后的測試結果,與左圖對比,信號波動較小,特別是在設備移動中,變化過程平滑,沒有大幅波動。但是系統(tǒng)響應時間受到影響,系統(tǒng)出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。
圖5 設備移動條件下的定位實驗
由此可知,設備移動會對藍牙信號造成干擾,信號隨之出現(xiàn)波動,影響定位質量,加入卡爾曼濾波可以有效抑制信號的波動,但會引入系統(tǒng)響應滯后的問題,影響定位的實時性。需要進行參數(shù)調優(yōu)以在定位質量和實時性之間取得平衡。
本文論述了基于藍牙通信的車身定位的原理和實現(xiàn)方法,包括使用到達角度的方法和基于信號強度的方法。在此基礎上設計了一種車身定位控制系統(tǒng),系統(tǒng)包含節(jié)點控制器和主控制器,控制器之間使用LIN總線連接傳輸數(shù)據(jù)。具有安裝方便,成本低,穩(wěn)定性好的優(yōu)點。
實驗考慮了系統(tǒng)使用的真實場景,分別對靜態(tài)環(huán)境、運動環(huán)境進行了實驗,發(fā)現(xiàn)信號的波動會對定位效果造成影響。因此在后面的實驗中對信號加入了卡爾曼濾波的處理,波動得到了有效抑制,結果良好,滿足設計目標。
該定位系統(tǒng)可用于汽車的智能化,如根據(jù)駕駛員和汽車之間的相對距離來自動控制車鎖及迎賓燈,甚至可以用手機來代替車鑰匙。也可將該系統(tǒng)加以擴展,用于智能交通系統(tǒng)中的汽車定位,實現(xiàn)車路協(xié)同。有廣闊的應用價值。