盧靜

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 江蘇省南京市 211156

1 引言

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(shí)現(xiàn)車輛定位，通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)汽車位置與手機(jī)以及服務(wù)器之間的共享。該系統(tǒng)能夠在室外開闊環(huán)境提供米級(jí)高精度的定位服務(wù)，但是在地下停車場(chǎng)、隧道、室內(nèi)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(hào)，因此無法提供穩(wěn)定有效的定位服務(wù)。

隨 著UWB、Wifi、Zigbee、Bluetooth藍(lán)牙等近場(chǎng)無線通信技術(shù)的發(fā)展，定位技術(shù)有了更多實(shí)現(xiàn)手段，可以彌補(bǔ)GPS信號(hào)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(hào)進(jìn)行通信，具有精度高、穿透力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到厘米級(jí)的定位精度，缺點(diǎn)是需要布置專用的UWB設(shè)備，實(shí)現(xiàn)成本較高。

Wifi和Zigbee也有類似的缺陷，而低功耗藍(lán)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(diǎn)，并且智能手機(jī)上都帶有該模塊，使得BLE適合應(yīng)用于汽車定位的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 基于藍(lán)牙通信的定位原理

基于藍(lán)牙通信的定位方法通常有使用RSSI信號(hào)強(qiáng)度和使用AOA到達(dá)角度等定位方法。本文選用RSSI信號(hào)強(qiáng)度定位法進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

RSSI信號(hào)強(qiáng)度分析法是一種基于信號(hào)強(qiáng)弱估算相對(duì)距離的定位方法。由于信號(hào)在傳播過程中隨著距離變化，信號(hào)強(qiáng)度是逐漸衰減的，因此分析接受信號(hào)的強(qiáng)度，建立衰減數(shù)學(xué)模型，即可計(jì)算得到信號(hào)接收點(diǎn)與信號(hào)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(diǎn)天線的相對(duì)位置，可利用RSSI信號(hào)衰減模型估算出定位終端設(shè)備A距離各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，然后以各個(gè)節(jié)點(diǎn)為圓心，以各節(jié)點(diǎn)到終端A的距離作為半徑畫圓，那么各個(gè)圓的交點(diǎn)即為定位節(jié)點(diǎn)所處位置。

圖1 RSSI信號(hào)強(qiáng)度測(cè)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(cè)距與定位兩個(gè)過程。

①測(cè)距：

各節(jié)點(diǎn)接收來自終端A的藍(lán)牙信號(hào)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(hào)傳輸衰減模型，計(jì)算出終端設(shè)備A距離各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離。

本文使用的信號(hào)傳輸衰減模型采用信號(hào)傳播的衰減采用對(duì)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(jī)數(shù)；為衰減因子，該參數(shù)跟環(huán)境有關(guān)。

計(jì)算中可使用簡(jiǎn)化公式：

式（2）中，RSSI是接收到的信號(hào)強(qiáng)度，A是在距離信號(hào)源1m處接收端的信號(hào)強(qiáng)度，d是信號(hào)源和接收端之間的距離。

②定位：

基于測(cè)距階段測(cè)得的各個(gè)節(jié)點(diǎn)與終端A的距離，再結(jié)合幾何模型建立方程，求解可得終端A的坐標(biāo)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(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)距結(jié)果實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置坐標(biāo)的求解。

以圖1為例，令三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別 為ANT1（，）、ANT2（，）、ANT3（，），終端A的坐標(biāo)為A（，）。假設(shè)測(cè)得的終端A距離三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)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(biāo)點(diǎn)得坐標(biāo)。如若參考節(jié)點(diǎn)有多個(gè)，同樣用以上方法可以解算得到目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

3 車身定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)上文敘述的藍(lán)牙定位原理和方法，如圖2本文設(shè)計(jì)了一種汽車和外部藍(lán)牙設(shè)備之間的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩個(gè)部分：主控制器、節(jié)點(diǎn)控制器。

圖2 基于藍(lán)牙通信的車身定位方法

由于定位需要至少3個(gè)參考點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)布置了4個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，分別安裝在汽車的前部?jī)蓚?cè)和后部?jī)蓚?cè)，如翼子板或車門。主控制器安裝一個(gè)即可，出于成本考慮，控制器之間設(shè)計(jì)為通過LIN線連接組成通信網(wǎng)絡(luò)。

外部藍(lán)牙終端（可以是手機(jī)、藍(lán)牙鑰匙或是其他藍(lán)牙設(shè)備）接近汽車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)響應(yīng)并實(shí)時(shí)計(jì)算終端設(shè)備的相對(duì)位置，在特定條件下觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作。如實(shí)現(xiàn)汽車無鑰匙進(jìn)入功能，駕駛員接近或遠(yuǎn)離汽車到一定距離時(shí)自動(dòng)打開或關(guān)閉門鎖。

從控制器用于藍(lán)牙信號(hào)的接收、分析和計(jì)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(shí)間設(shè)計(jì)為睡眠模式，當(dāng)主控制器通過LIN網(wǎng)絡(luò)喚醒后才開始工作。當(dāng)節(jié)點(diǎn)控制器被喚醒后，由內(nèi)部定時(shí)器激活定時(shí)任務(wù)，順序接收天線信號(hào)。本文采用RSSI信號(hào)強(qiáng)度定位法，則分析信號(hào)強(qiáng)度，依據(jù)衰減模型計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)距離。

主控制的功能包括：藍(lán)牙信號(hào)的收發(fā)，對(duì)從控制器的控制，以及定位計(jì)算。核心部分同樣由天線和微控制器MCU組成。當(dāng)外部藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)入主控制器的接收范圍時(shí)，主控制器對(duì)該設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，如認(rèn)證通過，則進(jìn)入定位模式，否則過濾該設(shè)備。當(dāng)認(rèn)證通過后，主控制器通過LIN網(wǎng)絡(luò)喚醒從控制器，要求從控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，并分別上報(bào)測(cè)量結(jié)果。本文的定位系統(tǒng)，有一個(gè)主控制器和四個(gè)從控制器組成，當(dāng)主控制器在一個(gè)定位周期內(nèi)，收到三個(gè)及以上從控制器的測(cè)量結(jié)果，即可通過上文介紹的定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的位置計(jì)算。

本文選用TI公司的CC2640作為主、從兩個(gè)控制器的主控芯片，該芯片適用于BLE低功耗應(yīng)用。具有豐富的外設(shè)功能，并包含一個(gè)超低功耗內(nèi)核，有助于控制汽車靜置狀態(tài)下的耗電功率。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

如上文所述，汽車定位過程分為節(jié)點(diǎn)控制器測(cè)距和主控制器定位求解兩個(gè)步驟。節(jié)點(diǎn)控制器在車身上的相對(duì)位置布置好后，定位求解具有唯一性，因此測(cè)距的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性直接決定系統(tǒng)的定位質(zhì)量。以下以相對(duì)靜止、相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)1：靜態(tài)條件下不同距離測(cè)距對(duì)比實(shí)驗(yàn)

測(cè)試條件：控制器保持靜止，藍(lán)牙終端設(shè)備和控制器的距離分別為0.5m、1m、1.5m、2m，分別進(jìn)行測(cè)距并記錄結(jié)果。

具體測(cè)試結(jié)果如圖3所示，圖中上半部分為信號(hào)強(qiáng)度RSSI，下半部分是控制器依據(jù)衰減模型計(jì)算得到的距離。

圖3（a）中所示為0.5m距離，測(cè)試結(jié)果約0.3m，信號(hào)穩(wěn)定平整；圖3（b）中所示為1m距離，測(cè)試結(jié)果約0.9m，信號(hào)偶有小幅的波動(dòng)；圖3（c）、（d）中所示為在1.5m與2m距離較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)存在頻繁的波動(dòng)，且波動(dòng)振幅變大，特別在2m處測(cè)距結(jié)果波動(dòng)最大達(dá)到1m，會(huì)直接影響定位質(zhì)量。

圖3 靜態(tài)條件下測(cè)試結(jié)果

由此可知，使用RSSI測(cè)距能夠反映真實(shí)的距離，但存在信號(hào)波動(dòng)的問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化處理。

實(shí)驗(yàn)2：靜態(tài)條件下加入濾波處理的比對(duì)實(shí)驗(yàn)

測(cè)試條件：藍(lán)牙終端設(shè)備和控制器的距離2m保持靜止。分別以原始接收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行記錄并計(jì)算距離，以及使用卡爾曼濾波處理接收到的信號(hào)強(qiáng)度并計(jì)算距離，再對(duì)兩次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，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(cè)距結(jié)果波動(dòng)較大，最大達(dá)到1m左右。圖4（b）所示，靜止條件下，RSSI信號(hào)進(jìn)行卡爾曼濾波后，信號(hào)波動(dòng)得到較好的抑制，在2m處的波動(dòng)最大為0.2m左右。

圖4 靜態(tài)條件下的濾波比對(duì)實(shí)驗(yàn)

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(hào)的波動(dòng)，能夠保證測(cè)距的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)3：移動(dòng)條件下的定位實(shí)驗(yàn)

測(cè)試條件：控制器保持靜止，藍(lán)牙終端設(shè)備從距離2m移動(dòng)到0.5m。分別以原始接收到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行記錄并計(jì)算距離，以及使用卡爾曼濾波處理接收到的信號(hào)強(qiáng)度并計(jì)算距離，再對(duì)兩次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。圖5是兩次測(cè)試的結(jié)果。

圖5左圖是原始RSSI的測(cè)試結(jié)果，從圖中可見，在2m距離保持靜止時(shí)信號(hào)有小幅波動(dòng)，設(shè)備移動(dòng)過程中有高頻大幅的波動(dòng)，最高超過0.6m，設(shè)備停止在0.5m后信號(hào)保持穩(wěn)定。右圖對(duì)RSSI加入卡爾曼濾波后的測(cè)試結(jié)果，與左圖對(duì)比，信號(hào)波動(dòng)較小，特別是在設(shè)備移動(dòng)中，變化過程平滑，沒有大幅波動(dòng)。但是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間受到影響，系統(tǒng)出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。

圖5 設(shè)備移動(dòng)條件下的定位實(shí)驗(yàn)

由此可知，設(shè)備移動(dòng)會(huì)對(duì)藍(lán)牙信號(hào)造成干擾，信號(hào)隨之出現(xiàn)波動(dòng)，影響定位質(zhì)量，加入卡爾曼濾波可以有效抑制信號(hào)的波動(dòng)，但會(huì)引入系統(tǒng)響應(yīng)滯后的問題，影響定位的實(shí)時(shí)性。需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)以在定位質(zhì)量和實(shí)時(shí)性之間取得平衡。

5 結(jié)語

本文論述了基于藍(lán)牙通信的車身定位的原理和實(shí)現(xiàn)方法，包括使用到達(dá)角度的方法和基于信號(hào)強(qiáng)度的方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種車身定位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)考慮了系統(tǒng)使用的真實(shí)場(chǎng)景，分別對(duì)靜態(tài)環(huán)境、運(yùn)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的波動(dòng)會(huì)對(duì)定位效果造成影響。因此在后面的實(shí)驗(yàn)中對(duì)信號(hào)加入了卡爾曼濾波的處理，波動(dòng)得到了有效抑制，結(jié)果良好，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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(duì)距離來自動(dòng)控制車鎖及迎賓燈，甚至可以用手機(jī)來代替車鑰匙。也可將該系統(tǒng)加以擴(kuò)展，用于智能交通系統(tǒng)中的汽車定位，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同。有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。