張雨桐，劉永艷，楊 凡，樂 洋，4

（1 南京郵電大學(xué) 軟件學(xué)院，南京 210023；2 南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，南京 210003；3 南京郵電大學(xué)地理與生物信息學(xué)院，南京 210023；4 南京郵電大學(xué) 江蘇省智慧健康大數(shù)據(jù)分析與位置服務(wù)工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210023）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車越來越多，停車場(chǎng)車位需求激增。然而，由于城市建設(shè)土地資源有限，無法適應(yīng)車輛的增長(zhǎng)速度。面對(duì)這種狀況，現(xiàn)如今的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)在一些方面則暴露出很多問題與不足。如：車主無法快速找到停車位或返回尋車、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）信號(hào)在室內(nèi)定位的不穩(wěn)定性等。這些問題的存在使泊車者不但占用場(chǎng)內(nèi)出入主車道資源，甚至?xí)霈F(xiàn)停車場(chǎng)內(nèi)交通擁堵。

為了解決傳統(tǒng)停車場(chǎng)管理系統(tǒng)中的現(xiàn)有弊端，許多學(xué)者從停車場(chǎng)定位角度做了一定研究。如：張秋艷等人設(shè)計(jì)了基于RFID 智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，結(jié)合其它模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在低成本和運(yùn)行穩(wěn)定上占有較大優(yōu)勢(shì)。徐丹等人提出了基于ZigBee技術(shù)的停車定位系統(tǒng)，通過相關(guān)技術(shù)，將信息聯(lián)系起來可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)停車場(chǎng)的互通，但其定位精度較低，容易受到周圍環(huán)境的影響。陳曉玉利用WiFi 定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下停車場(chǎng)的智能管理，通過研究相關(guān)算法，提高車輛定位的實(shí)時(shí)性，但在定位精度方面還有待進(jìn)一步優(yōu)化與研究。張雪采用藍(lán)牙定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車位的定位與反向找尋功能，但定位的準(zhǔn)確性卻仍需繼續(xù)提升。

現(xiàn)存的室內(nèi)定位技術(shù)包括RFID 定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、ZigBee 定位技術(shù)、超寬帶技術(shù)等。其中，RFID 定位技術(shù)受室內(nèi)外因素干擾性較大；藍(lán)牙定位技術(shù)受噪聲干擾性大，定位距離短；ZigBee定位技術(shù)卻存在室內(nèi)精度低等缺點(diǎn)；而超寬帶（Ultra Wideband，UWB）定位技術(shù)是一種基于UWB脈沖信號(hào)的無載波無線通信技術(shù)，具有傳輸速率高、發(fā)射功率低、定位精度高等特點(diǎn)。

基于UWB 的無線室內(nèi)定位系統(tǒng)，具有較高的定位精度及實(shí)時(shí)跟蹤性能，能夠很好地滿足用戶的室內(nèi)定位需求。目前，該技術(shù)在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。因此，本文將利用UWB 定位技術(shù)對(duì)室內(nèi)車輛進(jìn)行定位，幫助車主在取車時(shí)能快速定位到車輛的位置，提高便利性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

基于UWB 定位技術(shù)的地下停車場(chǎng)車輛定位系統(tǒng)主要由硬件模塊、服務(wù)器端、移動(dòng)端APP 三部分組成，總體架構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可知，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)組成部分的功能設(shè)計(jì)原理擬展開研究分述如下。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

（1）硬件模塊。主要由UWB 定位標(biāo)簽、UWB基站、上位機(jī)以及車位感應(yīng)器等構(gòu)成。當(dāng)帶有標(biāo)簽的車輛進(jìn)入地下停車場(chǎng)時(shí)，標(biāo)簽與停車場(chǎng)內(nèi)基站進(jìn)行通信傳輸；UWB 基站將該信號(hào)和對(duì)應(yīng)信號(hào)的時(shí)間傳輸給上位機(jī)。

（2）服務(wù)器端。對(duì)上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到車輛位置信息；數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)車輛的位置及其用戶信息，為后續(xù)尋車引導(dǎo)做準(zhǔn)備；室內(nèi)停車場(chǎng)地圖的制作，是實(shí)現(xiàn)地圖的基本瀏覽、縮放、定位查詢和路徑規(guī)劃等功能的關(guān)鍵。

（3）移動(dòng)端APP。主要包括停車導(dǎo)航與反向?qū)ぼ噷?dǎo)航等功能。用戶登錄或注冊(cè)此終端后，用戶信息將存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)，以供信息查詢。根據(jù)用戶輸入的地點(diǎn)名稱、車牌號(hào)等信息，顯示其停車時(shí)間與位置信息，為用戶規(guī)劃最近的車位路線。APP 可直接進(jìn)行車位的查詢，并且為用戶實(shí)施導(dǎo)航，方便用戶尋車。

1.2 UWB 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)備選型

DW1000 芯片是Decawave 公司推出的超寬帶定位芯片，該模塊集成了內(nèi)置天線及相應(yīng)的射頻電路和時(shí)鐘電路，功耗低，輸出頻率為100 Hz。DW1000 是通過更新中斷寄存器中的中斷標(biāo)志位來通知主控芯片各類事件的發(fā)生，可用來雙向測(cè)距和定位。因此，本文選擇DW1000 芯片作為UWB 定位系統(tǒng)中的基站與標(biāo)簽。

1.2.2 UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)組成

UWB 定位系統(tǒng)包括待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、基站和上位機(jī)解算平臺(tái)?？偟貋碚f，其定位是利用標(biāo)簽向基站發(fā)送UWB 脈沖信號(hào)，完成測(cè)距交互，得到標(biāo)簽與各基站的距離信息、并送至上位機(jī)；上位機(jī)利用相關(guān)定位算法解算標(biāo)簽相對(duì)位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定位功能。UWB 定位系統(tǒng)基本功能示意如圖2 所示，定位系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。由圖3 可知，這里將對(duì)各重點(diǎn)組成的設(shè)計(jì)原理給出剖析論述如下。

圖2 定位系統(tǒng)功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of the positioning system functions

圖3 UWB 定位系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of UWB positioning system

（1）UWB 基站：UWB 基站作為室內(nèi)定位系統(tǒng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過在室內(nèi)空間部署基站，覆蓋整個(gè)定位區(qū)域。其中，基站0 作為主基站通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)進(jìn)行信息交互。

（2）UWB 定位標(biāo)簽：可以與各基站進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)，基站與定位標(biāo)簽之間、基站與基站之間均通過UWB 信號(hào)進(jìn)行信息交互。

（3）上位機(jī)解算平臺(tái)：各個(gè)基站將距離信息全部傳送給主基站0，上位機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)線獲得基站0中的測(cè)距信息，對(duì)定位標(biāo)簽通過三邊定位法進(jìn)行定位，而后再將定位標(biāo)簽的坐標(biāo)信息顯示出來。

因此，本項(xiàng)目將UWB 定位標(biāo)簽嵌于車輛外殼，當(dāng)泊車者進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)該車輛做實(shí)時(shí)定位，并向泊車者提供最優(yōu)的停車方案；當(dāng)車主返回停車場(chǎng)，尋找場(chǎng)內(nèi)泊車的時(shí)候，通過手機(jī)里面的定位系統(tǒng)，經(jīng)后臺(tái)整合計(jì)算，轉(zhuǎn)換為基于UWB 定位系統(tǒng)下的坐標(biāo)，再根據(jù)車輛的歷史定位信息，即可幫助車主快速定位泊車的位置，提高取車效率。

1.3 移動(dòng)端APP

本系統(tǒng)設(shè)想的實(shí)體為手機(jī)應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序集成了停車場(chǎng)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理、自主泊車六大應(yīng)用模塊，反向?qū)ぼ嚹K為系統(tǒng)擴(kuò)展模塊，授權(quán)用戶可以通過該管理平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)管理和信息查看。

1.3.1 應(yīng)用程序功能設(shè)計(jì)

移動(dòng)端主要功能如下：

（1）用戶注冊(cè)／登錄。用戶可在終端注冊(cè)賬號(hào)，注冊(cè)成功后即可登錄進(jìn)入本系統(tǒng)。

（2）地圖控制。終端可顯示地圖，并可對(duì)地圖進(jìn)行放大、縮小和移動(dòng)。

（3）實(shí)時(shí)定位。用戶所在位置可在地圖上標(biāo)注，并給出詳細(xì)的位置信息。

（4）停車導(dǎo)航。根據(jù)用戶所在位置，為用戶提供附近停車場(chǎng)地址和路線。若在室外能為用戶找到合適的停車地，而在室內(nèi)則為用戶規(guī)劃最近的車位路線。

（5）信息查詢。根據(jù)用戶輸入的地點(diǎn)名稱，顯示其停車時(shí)間與位置信息。

（6）反向?qū)ぼ噷?dǎo)航。用戶通過程序可直接查詢車位，并為用戶進(jìn)行導(dǎo)航，方便用戶尋車。

無論是針對(duì)路邊、或者室內(nèi)停車場(chǎng)，用戶均可使用移動(dòng)終端軟件，通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至業(yè)務(wù)服務(wù)器，從而向業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)送功能請(qǐng)求、如最短／最優(yōu)路徑查詢請(qǐng)求等。服務(wù)器收到該請(qǐng)求后，執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，并將處理結(jié)果反饋給用戶客戶端，完成響應(yīng)。

1.3.2 APP 開發(fā)平臺(tái)

本次系統(tǒng)主要在MUI 平臺(tái)進(jìn)行APP 的開發(fā)。終端結(jié)合了ArcMap 等地圖服務(wù)，將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到基于位置服務(wù)（Location Based Services，LBS）的管理平臺(tái)，并與用戶通信，提供定位導(dǎo)航、找車尋車等服務(wù)。在地圖服務(wù)類開發(fā)方面，MUI 平臺(tái)的地圖接口包含了一系列與地圖開發(fā)功能相關(guān)的類，提供了許多地圖操作的功能。此外，該數(shù)據(jù)庫是在MySQL中進(jìn)行開發(fā)，在MUI 平臺(tái)上使用SqlConnection 對(duì)象連接數(shù)據(jù)庫。對(duì)于SQL 語句的執(zhí)行與存儲(chǔ)調(diào)用，可以建立SqlCommand 對(duì)象，以進(jìn)行有效的溝通和管理。用戶端設(shè)計(jì)框架如圖4 所示。

圖4 首頁、停車、取車設(shè)計(jì)圖Fig.4 Home page，parking and pick-up design drawing

1.4 服務(wù)器端

設(shè)計(jì)內(nèi)容包括車輛定位解算模塊、標(biāo)準(zhǔn)地圖的制作、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等模塊。這里，將對(duì)此進(jìn)行闡釋詳述如下。

1.4.1 車輛定位解算模塊

（1）定位數(shù)據(jù)獲取及處理。系統(tǒng)采用UWB 室內(nèi)定位技術(shù)，通過用戶車輛安裝的定位標(biāo)簽與附近基站的通信進(jìn)行定位，從而獲得當(dāng)前位置。對(duì)于LBS 管理模塊，開發(fā)人員可利用平臺(tái)的定位服務(wù)，鏈接UWB 上位機(jī)的數(shù)據(jù)來獲取用戶的位置信息。

（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于UWB 設(shè)備架設(shè)在地下停車場(chǎng)，用戶反向?qū)ぼ嚂r(shí)并不處于UWB 設(shè)備所建立的相對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)。為了讓用戶手機(jī)接收到GNSS 信號(hào)，更直觀地在手機(jī)上看到自己和車輛所在位置，將GNSS 衛(wèi)星所測(cè)的室外大地坐標(biāo)系與UWB 的相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文將UWB 技術(shù)與GNSS 衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)合起來，在對(duì)車主進(jìn)行定位時(shí)，充分發(fā)揮手機(jī)里GNSS 定位系統(tǒng)的作用。對(duì)于GNSS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)來講，其獲取的原始數(shù)據(jù)為大地坐標(biāo)參數(shù)，而后續(xù)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)為地面坐標(biāo)參數(shù)，故在此之前應(yīng)做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。將GNSS 定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)數(shù)據(jù)之后，才可以與UWB 技術(shù)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)地圖制作

室內(nèi)停車場(chǎng)地圖的制作是實(shí)現(xiàn)地圖的基本瀏覽、縮放、定位查詢和路徑規(guī)劃等功能的關(guān)鍵步驟。系統(tǒng)采用ArcMap 畫圖工具，通過建立GDB 數(shù)據(jù)庫，制作美觀易懂的停車場(chǎng)電子地圖。通過在終端上顯示停車場(chǎng)平面圖，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的可視化，并在此圖上標(biāo)記人與車的位置信息和路徑導(dǎo)航。停車場(chǎng)地圖制作流程如圖5 所示。

圖5 停車場(chǎng)地圖制作流程Fig.5 Map production process of the parking lot

1.4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在車主停車后，完成注冊(cè)、進(jìn)入系統(tǒng)，將用戶信息與車輛位置信息一同存于數(shù)據(jù)庫中，建立以用戶信息為索引的車輛信息數(shù)據(jù)庫。

對(duì)于數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，SQL 數(shù)據(jù)庫中可以通過新建數(shù)據(jù)表并設(shè)定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來建立適用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)表中，除了基本的管理信息表以外，還增加了諸如用戶信息表、車輛位置信息等數(shù)據(jù)表。通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，來管理用戶信息、處理位置信息數(shù)據(jù)及用戶請(qǐng)求信息等。此處主要包括著存儲(chǔ)用戶信息、實(shí)時(shí)位置顯示、最短最優(yōu)路徑的查找等功能模塊。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 靜態(tài)標(biāo)簽測(cè)試實(shí)驗(yàn)

靜態(tài)標(biāo)簽定位實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菫榱藴y(cè)試系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度，有助于動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行完成。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在南京郵電大學(xué)南操場(chǎng)羽毛球場(chǎng)地，在3.48 m*3.48 m 的矩形范圍內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)前先固定好基站0、1、2 的位置，上位機(jī)與基站0 連接并處于基站0 的位置。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置好相對(duì)坐標(biāo)系以及各基站位置，以基站0 為原點(diǎn)、基站1 為軸、基站2 為軸。位于矩形的3 個(gè)頂點(diǎn)處標(biāo)簽是可移動(dòng)的，并在上位機(jī)中設(shè)定基站的坐標(biāo)，建立坐標(biāo)系。標(biāo)簽需要在基站信號(hào)范圍內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)基站標(biāo)簽處于同一水平高度，且基站標(biāo)簽之間并無遮擋物。

圖6 各節(jié)點(diǎn)實(shí)際布局Fig.6 Actual layout of each node

將標(biāo)簽放置到指定位置，相對(duì)坐標(biāo)為（2，1.2）。由于遮擋信號(hào)以及其它不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致上位機(jī)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄測(cè)量數(shù)據(jù)為（2.058，1.218）。將測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)相比較，至此得到該設(shè)備的精確定位。

實(shí)驗(yàn)表明，在無遮擋物且同一水平高度的情況下，可以顯示標(biāo)簽相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)及標(biāo)簽到各基站的距離。將真實(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 作圖、且與測(cè)量數(shù)據(jù)做比較，對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。由此可見，測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)基本一致，說明該系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確度是真實(shí)可靠的。

圖7 觀測(cè)與真實(shí)坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果Fig.7 Comparison results between observation and real position

2.2 動(dòng)態(tài)軌跡測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在為用戶提供地下停車場(chǎng)的實(shí)時(shí)位置，以及規(guī)劃停車、取車的最優(yōu)路徑服務(wù)。為驗(yàn)證UWB 技術(shù)在室內(nèi)實(shí)時(shí)定位的可行性，在靜態(tài)標(biāo)簽測(cè)試實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)軌跡測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇在南京郵電大學(xué)學(xué)科樓地下停車場(chǎng)5.5 m*13 m的矩形范圍內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景平面示意如圖8 所示。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置好相對(duì)坐標(biāo)系以及各基站位置，以基站0 為原點(diǎn)、基站1 為軸、基站2 為軸，上位機(jī)與基站0 連接。標(biāo)簽需要在基站信號(hào)范圍內(nèi)移動(dòng)，且與基站標(biāo)簽處于同一水平高度，基站標(biāo)簽之間無遮擋物。

圖8 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景平面示意圖Fig.8 Schematic diagram of the experimental scene

標(biāo)簽以及各基站上電后，一名工作人員手持標(biāo)簽且與其它基站保持在同一水平位置，按照從基站2 位置到基站0 與基站1 中間位置，再回到基站2位置路徑移動(dòng)。上位機(jī)與基站0 連接，得到標(biāo)簽與各基站間距離，并解算出標(biāo)簽在相對(duì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過Matlab 得到的最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果軌跡如圖9 所示。由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)置為三基站二維空間，實(shí)驗(yàn)過程中標(biāo)簽要盡量和基站離地面的高度一致。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果軌跡圖Fig.9 Trajectory of experimental results

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，標(biāo)簽挪動(dòng)時(shí)，軌跡與實(shí)際路線相接近，說明UWB 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的實(shí)時(shí)定位，證明了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)人們進(jìn)入地下停車場(chǎng)泊車與返回取車時(shí)無法快速和準(zhǔn)確地找到車位的問題，提出了基于UWB 定位技術(shù)的車輛定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即通過UWB 室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛定位與車位導(dǎo)航。經(jīng)過對(duì)其進(jìn)行實(shí)地靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果表明，定位精度良好，且隨著標(biāo)簽的移動(dòng)，上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地顯示標(biāo)簽的相對(duì)位置，驗(yàn)證了UWB 技術(shù)在室內(nèi)實(shí)時(shí)定位的可行性。本系統(tǒng)有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。在UWB 室內(nèi)定位技術(shù)基礎(chǔ)上，與移動(dòng)終端相結(jié)合，為用戶提供了室內(nèi)停車場(chǎng)引導(dǎo)服務(wù)，進(jìn)一步擴(kuò)大了地圖導(dǎo)航的服務(wù)范圍，進(jìn)而由室外大場(chǎng)景地點(diǎn)導(dǎo)航拓展到室內(nèi)定位點(diǎn)導(dǎo)航領(lǐng)域中。

然而定位的高精度是研究的關(guān)鍵，目前看來本系統(tǒng)在室內(nèi)定位精度有待提高，且定位范圍在百米內(nèi)，定位區(qū)域較小。在今后的工作中，考慮在上位機(jī)中加入卡爾曼濾波算法來減小測(cè)距誤差，并嘗試切換到更大、更復(fù)雜的場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。