基于UWB的分布式室內(nèi)停車動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

潘敬宇，龔元明

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

解決城市“停車難”的問題主要通過兩個途徑，其一是大量增加停車場的數(shù)量，其二是引入一套智能停車場管理系統(tǒng)，提高傳統(tǒng)停車場車位的利用率［1］。由于短期內(nèi)在城市里大量增加停車場不太現(xiàn)實，所以如何提升停車管理水平成為解決城市“停車難”問題的關(guān)鍵［2］。李魯昭研究了UWB定位技術(shù)的具體實現(xiàn)方案，通過仿真比較和系統(tǒng)測試證明了UWB方案的有效性和可行性［3］。然而UWB定位的發(fā)射功率低，所以定位距離不能太遠，一般是小于100 m。對于機場、火車站等大型室內(nèi)停車場而言，單個UWB定位系統(tǒng)很難完成如此大面積的覆蓋。而且當(dāng)距離過大、障礙物過多，UWB信號衰減會導(dǎo)致定位精度下降［4］。另外，多基站和多標(biāo)簽定位系統(tǒng)的中心節(jié)點工作站計算量大，難以適應(yīng)大型室內(nèi)停車場高峰時段的實時定位要求。本文采用分布式定位計算方案，實現(xiàn)多基站多標(biāo)簽定位系統(tǒng)的在線協(xié)同，拓展UWB定位系統(tǒng)的適用場地條件和范圍。當(dāng)室內(nèi)停車場大規(guī)模引入智能停車管理系統(tǒng)時，覆蓋不全面、定位精度不高、運算緩慢的問題逐漸凸顯。因此，本文引入分布式計算的UWB定位技術(shù)，對目標(biāo)停車場進行分區(qū)，設(shè)計了一種分布定位、集中處理的室內(nèi)停車動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)現(xiàn)場硬件設(shè)備包括UWB定位模塊、樹莓派、交換機、上位機等，監(jiān)測系統(tǒng)包括上位機監(jiān)測界面、SQL數(shù)據(jù)庫。UWB定位模塊根據(jù)功能可分為3種：定位基站、定位標(biāo)簽和中繼基站。本設(shè)計選用的UWB定位模塊的測距范圍可達300 m，定位精度小于10 cm。但考慮到室內(nèi)停車場場地條件復(fù)雜、障礙物多，故按照100 m的間隔對車庫進行劃分，在每個分區(qū)布置定位模塊和子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system composition

在室內(nèi)停車場A區(qū)布置有中繼基站A0、定位基站A1和A2，以及A區(qū)內(nèi)停放車輛上的定位標(biāo)簽Tx，共同組成A區(qū)車庫定位系統(tǒng)?；続0、A1、A2分別發(fā)送脈沖信號，標(biāo)簽Tx接收到后返回，基站A0、A1、A2將兩次脈沖信號的時間差轉(zhuǎn)換成距離，然后基站A1、A2將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站A0匯總，由基站A0通過USB串口與樹莓派連接。同理，其它分區(qū)同樣需要布置中繼基站和定位基站，由各個分區(qū)的樹莓派組成分布式計算網(wǎng)絡(luò)，在同一個局域網(wǎng)下，位于監(jiān)控室的上位機可以動態(tài)監(jiān)測整個室內(nèi)停車場的車輛信息。

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖2所示，監(jiān)測系統(tǒng)的運行包括測距信息采集、數(shù)據(jù)上傳解析、監(jiān)測界面顯示和云端同步。其中，測距信息采集由UWB定位模塊完成，數(shù)據(jù)的解析與上傳由樹莓派負責(zé)，樹莓派上運行有Linux系統(tǒng)Raspbian版本，內(nèi)置Python編程環(huán)境，可基于三邊定位法和改進的卡爾曼濾波法，對各個基站測距的數(shù)據(jù)流進行解析計算［5-7］，得到A區(qū)車庫內(nèi)各個車輛靜態(tài)定位和平順之后的車輛動態(tài)行駛軌跡。當(dāng)室內(nèi)停車場規(guī)模較大、停放車輛數(shù)量較多時，分布在個各個定位分區(qū)的樹莓派，通過工業(yè)以太網(wǎng)將計算得到的定位數(shù)據(jù)和動態(tài)軌跡匯總至上位機監(jiān)測界面，將本地車庫內(nèi)的車輛實時定位信息存儲在本地數(shù)據(jù)庫內(nèi)，同時將車輛停放信息上傳至遠程服務(wù)器。

圖2 系統(tǒng)運行示意圖Fig.2 Schematic diagram of system operation

2 UWB定位方案設(shè)計

定位系統(tǒng)基于TOF（Time-of-Flight，時間飛行原理），每個定位分區(qū)布置3個定位基站和若干個標(biāo)簽。其中一個定位基站與樹莓派相連，利用樹莓派的運算資源對測距數(shù)據(jù)先進行解析和優(yōu)化，再通過局域網(wǎng)絡(luò)將各定位分區(qū)的車輛定位信息上傳至監(jiān)控室進行統(tǒng)一監(jiān)測。UWB模塊硬件連接如圖3所示。

圖3 UWB模塊硬件連接圖Fig.3 UWB module hardware connection diagram

2.1 定位原理

系統(tǒng)上位機軟件的功能包括對測距信息的定位算法解析、數(shù)據(jù)存儲及上傳、監(jiān)測界面顯示。

UWB定位通常采用三邊測量法，其原理如圖4所示。以三個節(jié)點A、B、C為圓心作圓，坐標(biāo)分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），這3個圓相交于點D。交點D即為移動節(jié)點，A、B、C即為參考節(jié)點，A、B、C與交點D的距離分別為da、db、d c。如圖4所示。

圖4 三邊定位法原理圖Fig.4 Principle diagram of trilateral positioning method

由圖4中三個圓交于一點的幾何關(guān)系可以得到式（1）：

采用最小二乘法對式（1）求解，可得D點坐標(biāo)公式（2）：

式（2）是對單個定位分區(qū)的定位坐標(biāo)計算［8］，對于大型室內(nèi)停車場來說，不同分區(qū)的定位坐標(biāo)還需進行坐標(biāo)變換才能上傳。以A區(qū)為例，具體方法如下：

（1）建立室內(nèi)停車場平面直角坐標(biāo)系，標(biāo)定地圖位置的坐標(biāo)；

（2）選擇A區(qū)坐標(biāo)參考點OA，并確定該點在室內(nèi)停車場的絕對坐標(biāo)（xA，yA）；

（3）根據(jù)現(xiàn)場實況，對分區(qū)坐標(biāo)進行平移變換或旋轉(zhuǎn)變換。

2.2 子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在工控領(lǐng)域，主要有工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)二類。其中，工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容，均使用TCP／IP協(xié)議和RJ45硬件網(wǎng)絡(luò)接口，且以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線快很多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求，故本設(shè)計采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，來實現(xiàn)分布式定位計算的傳輸。子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖Fig.5 Sub-network system diagram

停車場各個分區(qū)的中繼基站，可通過樹莓派接入室內(nèi)停車動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中。由于這里采用工業(yè)以太網(wǎng)，故選擇KUNBUS公司的Revpi Conenct。其硬件基于樹莓派，內(nèi)部集成支持24小時緩存的實時時鐘（RTC），以確保RevPi Connect即使在斷電的情況下仍然保存運行時間點；軟件采用Linux開源架構(gòu)，預(yù)裝Raspbian操作系統(tǒng)版本，可以運行Python或C語言編寫的腳本文件。

同一室內(nèi)停車場的各定位分區(qū)都要布置無線或有線網(wǎng)口，確保分布式定位計算的樹莓派都處于同一網(wǎng)絡(luò)中，同時為便于管理局域網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點的路由連接，各分區(qū)樹莓派應(yīng)具有固定靜態(tài)IP地址。對樹莓派的訪問和維護可通過SSH（Secure Shell，安全外殼協(xié)議）遠程登錄進行，端口號：22，默認用戶名和密碼為pi＠raspberry。

2.3 動態(tài)全局地圖

為實現(xiàn)室內(nèi)停車場的路徑規(guī)劃及導(dǎo)航功能，監(jiān)測系統(tǒng)需動態(tài)監(jiān)測停放車輛行駛軌跡。車輛進入停車場后，定位標(biāo)簽與車牌綁定，將每個車輛的動態(tài)位置與靜態(tài)地圖結(jié)合，形成動態(tài)全局地圖。

監(jiān)測系統(tǒng)會輪詢每個在線標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，如圖6所示。記錄車輛X從進入到離開停車場期間的實時位置，將所有車輛的位置更新匯總，即可實現(xiàn)動態(tài)全局地圖。當(dāng)兩輛以上的汽車同時駛?cè)牖蝰偝鐾＼噲龅缆窌r，系統(tǒng)將行駛的車輛視為可移動障礙物，適時調(diào)整室內(nèi)導(dǎo)航，避免路面擁堵甚至碰撞［9］。通過路徑規(guī)劃的優(yōu)化，盡可能提升停車場的利用率和運行流暢程度。

圖6 車輛X的動態(tài)地圖更新流程圖Fig.6 Flow chart of dynamic map update for vehicle X

3 數(shù)據(jù)交互與通信

由于室內(nèi)停車場所處位置GPS信號條件差且較為空曠，故需在停車場全范圍內(nèi)覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號。隨著第五代移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，高速率、低延遲、多連接的優(yōu)勢讓5G成為智能駕駛領(lǐng)域的首選通信方式。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理和云端存儲，監(jiān)測系統(tǒng)需要建立SQL數(shù)據(jù)庫，用于存儲車位狀態(tài)、定位標(biāo)簽對應(yīng)停放車輛、車輛定位及其軌跡、停放時長等數(shù)據(jù)。基于SQL語句，操作者可根據(jù)具體的使用情況實現(xiàn)多表之間及跨數(shù)據(jù)庫的查詢，除了增改和查詢本地車位，還可登錄遠程服務(wù)器進行云端共享，供城市范圍內(nèi)其它停車場查詢搜索。

客戶端／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client／Server，C／S結(jié)構(gòu)）和網(wǎng)頁／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Browser／Server，B／S結(jié)構(gòu)）作為主流結(jié)構(gòu)，通常用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺開發(fā)結(jié)構(gòu)。C／S結(jié)構(gòu)具有合理劃分應(yīng)用邏輯，充分發(fā)揮客戶機和服務(wù)器的性能的特點。同時可以在客戶端和服務(wù)器端分別執(zhí)行應(yīng)用程序，且開發(fā)和布置難度低于B／S結(jié)構(gòu)［10］，故本設(shè)計中的數(shù)據(jù)庫采用基于C／S模式的體系結(jié)構(gòu)編寫。

3.2 室內(nèi)車路協(xié)同

V2X表示Vehicle to X，即車輛同其它事物之間的相互通信。X代表了所有的交通參與單元，即車輛（Vehicle）、交通基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）、行人（Pedestrian）、云端（Cloud）等。V2X技術(shù)為協(xié)同式自動駕駛提供可靠的信息交互平臺，使智能車輛獲取更全面的實時交通信息，可廣泛應(yīng)用于信號燈狀態(tài)感知、彎道車速預(yù)測、遠程交通信息獲取等［11］。V2X與攝像頭或者雷達不同，是一種精確感知手段，依靠802.11p或者5G通信，可以在大范圍內(nèi)（室內(nèi)300 m，室外1 000 m）準確感知周圍車輛的態(tài)勢。包括其位置、車速、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)等，解決單車智能形成的信息孤島問題。

一方面，5G基站的布置需實現(xiàn)整個室內(nèi)停車場的通信范圍全覆蓋；另一方面，劃分為多個定位分區(qū)的UWB定位系統(tǒng)通過樹莓派完成分布計算、集中上傳云端的任務(wù)。如此，車輛通過5G信號即可接收來自云端的路徑規(guī)劃及室內(nèi)導(dǎo)航、對車輛的動態(tài)監(jiān)測，為車輛在停車場內(nèi)路面行駛提供實時反饋和針對性建議。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 入庫登記

如圖7所示，監(jiān)測系統(tǒng)正常工作時，上位機界面記錄有各個定位分區(qū)的車位內(nèi)是否有車輛停放，為進入該室內(nèi)停車場的車輛提供參考。在入庫登記時，車輛將激活UWB定位標(biāo)簽，監(jiān)控室為車輛提供可停放車位信息［12］，數(shù)據(jù)庫內(nèi)增加車輛牌照索引。通過綁定標(biāo)簽ID即可回傳車輛實時定位坐標(biāo)及位置，切換室內(nèi)導(dǎo)航。

圖7 入庫登記示意圖Fig.7 Schematic diagram of warehousing registration

4.2 室內(nèi)導(dǎo)航

如圖8所示，系統(tǒng)根據(jù)車輛當(dāng)前位置和目的車位，結(jié)合道路及其路面通過車輛狀況，提供路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，盡可能避免道路擁堵和盲目尋找車位，有效提升室內(nèi)停車的效率及利用率。

圖8 室內(nèi)導(dǎo)航路線圖Fig.8 Indoor navigation route map

4.3 出庫更新

如圖9所示，停放車輛出庫也需要室內(nèi)導(dǎo)航。從離開車位開始，該車位即被釋放。出庫后，UWB定位標(biāo)簽休眠或由停車場回收，標(biāo)簽ID與車輛牌照的綁定也隨之失效，室外導(dǎo)航開啟。

圖9 出庫更新示意圖Fig.9 Schematic diagram of outbound update

4.4 跨車庫調(diào)度

城市范圍內(nèi)，各個停車場的空閑車位分布不均也是造成“停車難”的因素之一。因此，為解決這一難題可將各個停車場的空閑車位信息上傳至遠程服務(wù)器，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)車位信息共享。車輛在到達目的地之前即可獲取周邊停車場車位信息，搜索選擇最佳停車位置。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于UWB的室內(nèi)停車動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提出在大型室內(nèi)停車場分區(qū)布置定位基站，通過樹莓派建立分布式計算網(wǎng)絡(luò)，實時采集停放車輛的動態(tài)定位信息，可實現(xiàn)空閑車位查詢、室內(nèi)停車導(dǎo)航、停放時長記錄、行車軌跡監(jiān)測，甚至在城市范圍內(nèi)實現(xiàn)跨區(qū)域車位信息共享和停車調(diào)度，推動智慧城市交通的發(fā)展與應(yīng)用。