吳 梅，謝錦瑋，顏浩文，趙國都，王捍兵

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

反向?qū)ぼ囀侵杠囍髟谕＼噲鐾＼嚭螅祷貢r(shí)尋找自己的車輛的行為[1]。在商場、購物中心等大型停車場內(nèi)，車主在返回停車場時(shí)往往由于停車場空間大，環(huán)境及標(biāo)志物類似、方向不易辨別等原因，容易在停車場內(nèi)迷失方向，尋找不到自己的車輛。在有遮擋的環(huán)境諸如地下停車場等，GPS 或北斗導(dǎo)航信號弱甚至無法使用時(shí)，通常采用室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)[2]。而目前室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)均依托于提前鋪設(shè)的信號源為導(dǎo)航設(shè)備提供位置信息后進(jìn)行導(dǎo)航，如視頻定位、藍(lán)牙定位、RFID 定位以及Wi-Fi 定位等。在某些停車場未提前鋪設(shè)信號源或者車主無法接入信號源的環(huán)境下則無法采用上述室內(nèi)導(dǎo)航定位的方法進(jìn)行反向?qū)ぼ嚒?/p>

慣性導(dǎo)航是通過測量載體的加速度，并自動進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得載體瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)[3-4]。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在載體內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)?；谖C(jī)電（Miсrо-Elесtrо-Mесhаniсаl Systеm）慣性傳感器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，由于其成本較低、體積較小，且精度也越來越高，已經(jīng)逐步推廣到工業(yè)、消費(fèi)等領(lǐng)域，甚至在制導(dǎo)武器、飛機(jī)和車輛導(dǎo)航等領(lǐng)域也得到了比較成熟的應(yīng)用[5-6]。

權(quán)威市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Gаrtnеr 數(shù)據(jù)顯示，截至2018年，在中國，智能手機(jī)在手機(jī)中的占比高達(dá)96%。而從各大型智能手機(jī)硬件比對網(wǎng)站中可知，智能手機(jī)中普遍集成了MEMS 慣性傳感器（由三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和三軸電磁場傳感器構(gòu)成的慣性測量單元）[7]。智能手機(jī)中的社交軟件——微信已成為全民級移動通信工具。根據(jù)騰訊2020 年一季報(bào)數(shù)據(jù)，微信及Wесhаt 合并月活躍賬戶數(shù)已達(dá)到12 億，微信小程序日活躍賬戶超過4 億[8-9]。

1 工作原理

系統(tǒng)工作原理建立在基于微信小程序開發(fā)的手機(jī)MEMS 數(shù)據(jù)讀取API 和騰訊導(dǎo)航地圖API 之上，將實(shí)際測量得到的MEMS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、濾波、修正，進(jìn)而轉(zhuǎn)換得到行走軌跡加載到反向?qū)ぼ囆〕绦蛑小?/p>

當(dāng)車主在地下停車場停車后，打開反向?qū)ぼ囆〕绦蜷_始定位，然后行走到停車場出口，在此過程中利用MEMS 生成行走軌跡。到達(dá)出口時(shí)，一般能夠接收到GPS 信號，此時(shí)可以利用GPS 信號進(jìn)行出口定位，并對之前生成的行走軌跡進(jìn)行修正。當(dāng)再次返回停車場，在停車場入口處進(jìn)行GPS 定位，并結(jié)合之前的出口定位和行走軌跡，則可在地圖上得到車位的相對位置。進(jìn)入停車場后，在MEMS 數(shù)據(jù)指引下進(jìn)行反向?qū)ぼ?，找到所停車位。系統(tǒng)具體工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的微信小程序開發(fā)采用WXML+WXSS+JаvаSсriрt 來實(shí)現(xiàn)前端框架，主要由JS 頁面邏輯、WXML 頁面、WXSS 頁面樣式表和JSON 頁面共同完成。根據(jù)需求分析的結(jié)果，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同模塊功能。后端數(shù)據(jù)處理部分主要是在生成行走軌跡部分對采集到的MEMS 慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后得到的軌跡數(shù)據(jù)傳到前端進(jìn)行顯示。

2.1 前端界面設(shè)計(jì)

前端界面設(shè)計(jì)主要包括離車定位、到達(dá)出口、入口尋車、尋車結(jié)束等界面。另外為了檢測手機(jī)MEMS模塊工作是否正常，額外增加了MEMS 測試頁面。

2.1.1 離車定位界面

初始進(jìn)入小程序界面，通?？娠@示騰訊地圖界面，但由于在地下停車場，無GPS 信號，因此無法實(shí)現(xiàn)地圖定位功能。當(dāng)點(diǎn)擊“離車定位”按鈕，由于此時(shí)是在MEMS 慣導(dǎo)指示下，因此不顯示地圖信息，可從界面中得到車位相對位置及實(shí)時(shí)行走軌跡。同時(shí)，提示“MEMS 導(dǎo)航中”“記錄軌跡中”，如圖2 所示。

圖2 離車定位界面

2.1.2 到達(dá)出口界面

當(dāng)行走到停車場出口附近，通常可接收到GPS 信號。點(diǎn)擊“到達(dá)出口”按鈕，提示“GPS 修正中”“地圖定位中”“保存軌跡中”。此時(shí)利用GPS 信號對之前的MEMS 慣導(dǎo)軌跡進(jìn)行回溯修正，并生成相對于當(dāng)前出口位置的新的行走軌跡和相對車位位置。同時(shí)調(diào)用騰訊地圖，將車位位置和行走軌跡映射到地圖中，如圖3 所示。

高校紅十字會學(xué)生組織在管理和運(yùn)行的規(guī)范性上有所欠缺，如：學(xué)生干部的換屆缺少程序上的規(guī)范，大多是口頭上任命，沒有規(guī)范化的書文。學(xué)生帶隊(duì)外出參加活動，缺少社會經(jīng)驗(yàn)。缺少對學(xué)生組織內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)成員的干部培訓(xùn)，應(yīng)該定期組織學(xué)習(xí)與培訓(xùn)。

圖3 到達(dá)出口界面

2.1.3 入口尋車界面

重新返回停車場，在入口處點(diǎn)擊“入口尋車”按鈕，提示“入口定位中”“載入軌跡中”“反向?qū)ぼ囍小?。入口處可以接收到GPS 信號，此時(shí)能夠在騰訊地圖中得到位置信息。載入之前的離車軌跡，則可在地圖上得到兩者的相對位置。當(dāng)進(jìn)入停車場后，丟失GPS 信號，則依據(jù)MEMS 慣導(dǎo)指示，從入口位置行走到停車位置，從而實(shí)現(xiàn)反向?qū)ぼ嚬δ?。如圖4 所示。

圖4 入口尋車界面

2.1.4 尋車結(jié)束界面

找到停車位置后，點(diǎn)擊“尋車結(jié)束”按鈕，則退出MEMS 慣導(dǎo)指示界面，此時(shí)可結(jié)束反向?qū)ぼ囆〕绦颍鐖D5 所示。

圖5 尋車結(jié)束界面

2.1.5 MEMS 測試界面

為了測試手機(jī)MEMS 各模塊功能是否正常，設(shè)計(jì)MEMS 測試界面，主要包括測試羅盤、加速度計(jì)和陀螺儀的運(yùn)行狀態(tài)，如圖6 所示。

圖6 MEMS 測試界面

2.2 后端數(shù)據(jù)處理

后端慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理部分包括用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)采集模塊、初始數(shù)據(jù)濾波模塊、零速度檢測與修正模塊、慣導(dǎo)解算單元及停車場外融合GPS 數(shù)據(jù)的慣導(dǎo)校正模塊等。數(shù)據(jù)處理流程如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

用戶運(yùn)動數(shù)據(jù)采集模塊主要是采集手機(jī)中羅盤、加速度計(jì)、螺儀等有助于計(jì)算行走軌跡的MEMS 單元數(shù)據(jù)，如式（1）所示：

式（1）中：Lb、Jb、Tb分別為手機(jī)坐標(biāo)系下的羅盤、加速度計(jì)、陀螺儀數(shù)據(jù)。

羅盤采集的數(shù)據(jù)包括方位角和數(shù)據(jù)精度，加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)包括x、y、z軸方向的瞬時(shí)加速度，陀螺儀則采集的數(shù)據(jù)包括x、y、z軸方向的角速度。

采集到的MEMS 數(shù)據(jù)通常具有隨機(jī)誤差、初始校準(zhǔn)誤差等，因此需要對采集到的MEMS 傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包含兩部分，即初始數(shù)據(jù)濾波和零速檢測修正。

初始數(shù)據(jù)濾波主要利用Kаlmаn 濾波算法消除初始數(shù)據(jù)波形中的噪聲，使濾波后MEMS 傳感器數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)的運(yùn)動狀態(tài)。零速檢測修正主要針對傳感器初始校準(zhǔn)誤差進(jìn)行修正。初始狀態(tài)手機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，測量得到的MEMS 傳感器數(shù)據(jù)可視為傳感器靜態(tài)誤差，采用零速檢測修正方法減小該誤差。

MEMS 傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理完成后，利用傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行慣導(dǎo)解算，從而得到實(shí)時(shí)行走軌跡。慣導(dǎo)解算采用旋轉(zhuǎn)矢量法，首先利用旋轉(zhuǎn)矩陣將手機(jī)坐標(biāo)系下的MEMS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下，如式（2）所示：

式（2）中：Db為手機(jī)坐標(biāo)系下傳感器數(shù)據(jù)集合；Dn為經(jīng)過旋轉(zhuǎn)矩陣后得到的地理坐標(biāo)系下的傳感器數(shù)據(jù)集合；Rnb為手機(jī)坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

在傳感器數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上，采用行人軌跡推算法計(jì)算生成行走軌跡。行人軌跡推算法主要包括步長檢測估計(jì)、航向估計(jì)和位置推算幾個部分。其中通過加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行步長檢測和估計(jì)，通過陀螺儀和羅盤數(shù)據(jù)進(jìn)行航向估計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行位置更新。因此，行人軌跡推算法是一種相對定位方法，其流程如圖8 所示。

圖8 行人軌跡推算法流程圖

最后，由于加速度計(jì)計(jì)算運(yùn)動軌跡過程中，每個運(yùn)動狀態(tài)的計(jì)算依賴于上一運(yùn)動狀態(tài)，這就使得生成的軌跡存在累積誤差。隨著行走時(shí)間距離的增加，累積誤差逐漸增大。因此，在停車場外接收到GPS 信號時(shí)，可以利用GPS 數(shù)據(jù)對之前生成的行走軌跡進(jìn)行回溯修正。

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目針對目前可用停車場反向?qū)ぼ嚲桀A(yù)先鋪設(shè)信號源的缺點(diǎn)，擬設(shè)計(jì)基于手機(jī)MEMS 傳感器的自主尋車微信小程序。在無GPS 等信號的地下停車場采用基于手機(jī)MEMS 傳感器的慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的自主導(dǎo)航，進(jìn)入有GPS 信號的停車場外環(huán)境時(shí)利用GPS 信號對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行誤差校正，從而實(shí)現(xiàn)自主尋車的功能。同時(shí)采用微信小程序進(jìn)行軟件開發(fā)，更具有免安裝、方便快捷、使用簡單的特點(diǎn)。